8 دقیقه
برخی از گیاهان سالها پیش نور خورشید را رها کردهاند و باز هم به زندگی ادامه دادهاند. یک مطالعهٔ ژنتیکی تازه نشان میدهد اعضای جنس انگلی Balanophora مجموعهٔ ژنهایی را که معمولا مسئول فتوسنتز هستند تا حدی چشمگیر کوچک کردهاند و پلاستومِ باقیماندهٔ بسیار کوچکتری دارند — با این وجود این گیاهان غیرعادی با کشیدن مواد مغذی از ریشهٔ درختان زندگی میکنند و رفتارشان بیشتر به قارچ شبیه است تا برگهای سبز.
Balanophora subcupularis، یکی از گونههایی که پژوهشگران مورد بررسی قرار دادند.
یافتههای تیم تحقیقاتی
پژوهشگران از 12 جمعیت دورافتاده در تایوان و ژاپن هفت گونهٔ Balanophora را نمونهبرداری کردند و ژنومهای پلاستیدی آنها (پلاستومها) را توالییابی نمودند. پلاستیدها، اندامکهای سلولیای هستند که بهطور معمول ژنهای مربوط به فتوسنتز را در خود دارند. در Balanophora پلاستوم به طور تقریبی حدود ده برابر کاهش یافته است: جایی که اغلب گیاهان خشکی بین 120,000 تا 170,000 جفت بازی (base pair) را حفظ میکنند، این گیاهان انگلی تنها حدود 14,000 تا 16,000 جفت بازی را نگه داشتهاند.
این توالی بسیار کوچک برای تبدیل نور به انرژی شیمیایی کارآمد نیست. در عوض، ژنهای پلاستیدی باقیمانده به نظر میرسد که از متابولیسم غیرفتوسنتزی پشتیبانی میکنند که برای شیوهٔ زندگی انگلی ضروری است. به عبارت دیگر، Balanophora بخش عمدهای از ماشینآلات ژنتیکیای را که یک گیاه سبز را مشخص میسازد از دست داده، اما به اندازهٔ کافی از عملکردهای پلاستیدی را حفظ کرده که بدون تولید غذای خودی بتواند زنده بماند.
پترا سوِتلیکوا، گیاهشناس از مؤسسهٔ علوم و فناوری اوکیناوا در ژاپن و یکی از نویسندگان این مطالعه میگوید: «Balanophora بسیاری از ویژگیهایی را که آن را بهعنوان یک گیاه تعریف میکند از دست داده، اما به اندازهٔ کافی باقی گذاشته تا بهعنوان یک انگل عمل کند.» این نظر نشان میدهد چطور کاهش ژنومی چشمگیر میتواند با ادامهٔ بقا سازگار باشد وقتی یک موجود استراتژیهای بومشناختیاش را تغییر میدهد.
Balanophora tobiracola، گونهٔ دیگری که در مطالعه گنجانده شد.
چگونه بالانوفورا بدون فتوسنتز زنده میماند
بهجای تولید قندها با کلروفیل، Balanophora به درختان میزبان متصل میشود. این گیاه ارتباطات نزدیک و پیچیدهای با ریشهٔ میزبان برقرار میکند و آب، کربوهیدراتها و دیگر مواد مغذی را مستقیماً استخراج میکند — رابطهای کاملاً انگلی. این سبک زندگی در سطح شبیه قارچهای میکوریزا (mycorrhizal fungi) است که آنها نیز به ریشهها متصل میشوند، اما Balanophora تعاونی (متقابل) نیست: قارچها معمولاً مواد مغذی را در ازای کربن مبادله میکنند، در حالی که Balanophora هیچ چیزی در عوض نمیدهد.
شباهت ظاهری به قارچها نمونهای از تکامل همگرا است: موجودات نامرتبط در مواجهه با چالشهای بومشناختی مشابه به شکلها یا رفتارهای مشابهی تکامل مییابند. ظاهر فشرده و اغلب شبیه قارچ و عادت تغذیه از ریشه در Balanophora به سادگی باعث میشود که در نگاه اول با قارچ اشتباه گرفته شود.
کاهش پلاستوم و زمانبندی تکاملی
تحلیلهای ژنتیکی نشان میدهد کاهش پلاستوم در جد مشترک گونههایی که نمونهبرداری شدهاند رخ داده است، پیش از آنکه Balanophora متنوع شود. این موضوع نشان میدهد که تغییر چشمگیر دور شدن از فتوسنتز یک رویداد اخیر و موردی بین گونهها نبوده بلکه یک گام تکاملی مشترک بوده که زمینه را برای سازگاریهای بعدی فراهم کرده است.
جمعیتهای جزیرهای Balanophora همچنین تولیدمثل غیرجنسی (aseksual) را تکامل دادهاند. برای برخی از گونههای جزیرهای، این روش اکنون به نظر تنها راه تولیدمثل آنهاست. تولیدمثل غیرجنسی میتواند در محیطهای منزوی که جفت یا میزبان مناسب نایاب است، مزیت داشته باشد و توانایی انگل را برای استقرار جمعیتهای جدید از یک موسس تنها افزایش دهد.
اهمیت این یافتهها برای زیستشناسی تکاملی
کاهش پلاستوم در Balanophora یک مدل عینی برای مطالعهٔ چگونگی از دست رفتن فتوسنتز در گیاهان خشکی فراهم میکند. نتایج منتشرشده در مجلهٔ New Phytologist نشان میدهد که ژنومهای پلاستیدی ممکن است تا یک هستهٔ حداقلی فعال متابولیکی کوتاه شوند، نه اینکه کاملاً حذف گردند. این کمک میکند تا پژوهشگران بفهمند کدام عملکردهای پلاستیدی حتی زمانی که یک گیاه فتوسنتز را رها میکند، بهعنوان الزامی باقی میمانند.
فراتر از زیستشناسی گیاهی، Balanophora پرسشهای گستردهتری را دربارهٔ مرزهای تعریف «گیاه» مطرح میکند. این گیاه گل و بذر تولید میکند و بهوضوح یک گیاه گلدار (آنگیوسپرم) است، اما از نظر ژنومیک و بومشناختی در جایگاهی قرار دارد که طبقهبندی ساده را به چالش میکشد. مطالعهٔ چنین نمونههایی تصویر ما از انعطافپذیری تکاملی و راههای متعدد حل مسألهٔ تأمین انرژی توسط موجودات زنده را تیزتر میسازد.
در سطوح فنیتر، کاهش پلاستوم معمولاً الگوهای خاصی را نشان میدهد: حذف ژنهای مرتبط با زنجیرهٔ انتقال الکترون و ماشینآلات فتوسنتزی همراه با نگهداری ژنهایی که در ترجمهٔ پروتئین، تولید برخی از tRNAها یا کارکردهای پایهای متابولیک نقش دارند. این الگوها به پژوهشگران امکان میدهد تا عملکردهای حیاتی پلاستیدها را بازسازی کنند و بفهمند چرا برخی از ژنها «غیرقابل حذف» باقی میمانند، حتی وقتی سلول دیگر به فتوسنتز وابسته نیست.
روششناسی مطالعه شامل نمونهبرداری میدانی گسترده، استخراج DNA با کیفیت بالا و توالییابی نسل جدید برای گردآوری دادههای پلاستیدی بود. سپس با استفاده از روشهای اسمبل کردن ژنومی و تحلیلهای تطبیقی، پژوهشگران محلهای حفظشده و حذفشده در پلاستوم را شناسایی کردند و زمانبندی نسبی رخدادهای کاهش ژنومی را با استفاده از درختهای فیلوژنتیکی بازسازی شده بررسی نمودند.
بینشهای تخصصی و پیامدهای پژوهشی
دکتر النا مارکز، یک گیاهشناس تکاملی که در این مطالعه شرکت نداشت، اظهار میکند: «Balanophora نمونهٔ برجستهای از مینیمالیسم تکاملی است. وقتی موجودات یک مسیر متابولیکی بزرگ مانند فتوسنتز را رها میکنند، نشان میدهند چه ژنها و ساختارهایی واقعا ضروری هستند. این انگلها نشان میدهند که پلاستیدها تنها کارخانههای فتوسنتز نیستند؛ آنها نقشهای متابولیکی محوری را حفظ میکنند که حتی یک شیوهٔ زندگی انگلی هم نمیتواند از آن چشمپوشی کند.»
خانوادهٔ Balanophoraceae اکنون بهعنوان یک سامانهٔ مفید برای بازسازی گامهای ژنومی همراه با از دست دادن فتوسنتز مطرح است. برای بومشناسان و ژنتیکدانان تکاملی، این گیاهان آزمایشگاهی زندهای ارائه میدهند تا فرضیهها دربارهٔ کاهش ارگانلها، همتکاملی میزبان-انگل و دینامیکهای استقرار در جزایر را آزمایش کنند.
از منظر حفاظت زیستمحیطی، گونههای انگلی مانند Balanophora میتوانند حساس به تغییرات در جمعیت میزبان و تخریب زیستگاه باشند؛ زیرا بقای آنها مستقیماً به وجود درختان میزبان مناسب وابسته است. مطالعهٔ زیستشناسی و توزیع این انگلها میتواند بینشهایی در مورد شبکههای تعامل گیاه-گیاه و اهمیت نگهداری تنوع زیستی بومی فراهم کند.
در چشمانداز مطالعات بعدی، پرسشهای باز زیادی باقی میماند: چه مکانیسمهای مولکولی دیگری پشت جذب مواد مغذی از میزبان وجود دارد؟ تا چه حد همگرایی ساختاری میان انگلهای گیاهی و قارچها تحت فشارهای انتخاب طبیعی شکل میگیرد؟ آیا حذف پلاستیدی مشابه در سایر خانوادههای انگلی رخ داده و اگر چنین است، آیا الگوهای ژنی مشابهی حفظ شدهاند؟ پاسخ به این پرسشها نه تنها فهم ما را از تکامل ارگانیسمهای غیرمتعارف افزایش میدهد، بلکه میتواند راهنمایی برای کشف نقشهای کمتر شناختهشدهٔ پلاستیدها باشد.
در مجموع، مطالعهٔ پلاستوم در Balanophora نشان میدهد که چگونه تغییرات در سطح ژنومی میتواند منجر به تحولات عمدهٔ زیستی شود: از یک گیاه فتوسنتزی مستقل به یک انگل ریشهای که به میزبان وابسته است. این نوع پژوهشها اهمیت استفاده از دادههای ژنومی مقایسهای، تحلیلهای فیلوژنتیکی و میدانکاوی دقیق را در درک مسیرهای تکاملی غیرمعمول نمایان میسازد.
منبع: sciencealert
ارسال نظر