Het leven op aarde hangt af van planten. Microscopische waterplanten en algen maken het grootste deel van de zuurstof op de planeet. De landplanten zijn de primaire producenten van voedsel en dierlijk voedsel. Daarom is het belangrijk om te begrijpen hoe ze groeien en zich voortplanten.
In de afgelopen 450 miljoen jaar, omdat planten langzaam evolueerden uit zoetwateralgen en van aquatische ecosystemen naar vochtig land naar droger land verhuisden, veranderden hun levenscycli ook aanzienlijk.
Maar er gebeurde iets nieuwsgierigs ongeveer 130 miljoen jaar geleden, kort nadat bloeiende planten voor het eerst verschenen. Fossielen uit die periode suggereren bloeiende planten die snel diversifieerden in termen van hun anatomieën en habitats. Evolutie wordt als een geleidelijk proces beschouwd en de snelle opkomst van diverse bloeiende planten is dus een puzzel geweest. Charles Darwin noemde dit een “afschuwbaar mysterie”.
Een recent artikel van een team van onderzoekers van het CSIR-centrum voor cellulaire en moleculaire biologie (CCMB), Hyderabad, werpt licht op de moleculaire innovaties in bloeiende planten die dit mysterie kunnen helpen begrijpen.
Life-cycli van landplanten
De levenscyclus van een plant heeft twee verschillende fasen: wanneer het een gametofyt (gamete-making plant) is en wanneer het een sporofyt (sporenvormige plant) is. De fasen dicteren hun anatomieën en functies.
Gametophytcellen bevatten één set genen en maken sperma of ei. De fusie van een sperma en een ei geeft aanleiding tot een sporofyt. Elke sporofyt bevat twee sets genen, één van elke bijdragende gamete.
Wanneer het rijpt, delen de sporofytcellen om nieuwe cellen te maken die sporen worden genoemd. De sporen hebben nieuwe combinaties van een enkele set genen – en de diversiteit hier is verantwoordelijk voor het creëren van planten met verschillende eigenschappen binnen een populatie.
Vroege landplanten en degenen die later zijn ontwikkeld, zijn verschillend in de duur van hun fasen. Mossen – die vele kenmerken van de voorouders van de vroegste landplanten behouden – brengen het grootste deel van hun leven door in het Gametophyte -stadium. Wanneer mos spermacellen maakt, verdeelt dit ze in zijn waterige omgeving. De spermacellen zwemmen om eiercellen te vinden. Wanneer een sperma een ei bevrucht, wordt een sporofyt gevormd die aan de gametofyt blijft bevestigd. Het groeit als een stengel, aan het einde met een capsule. De capsule ontwikkelt sporen die zich verspreiden en uitgroeien tot nieuwe gametophytes.
Maar bloeiende planten die meer recent evolueerden, brengen het grootste deel van hun leven door in de sporofytfase. De bloemen produceren sporen die aanleiding geven tot de gametofyten. Het aantal gametofytcellen is echter klein en ze zijn volledig ingesloten in de sporofyt.
De gametophytes differentiëren in mannelijke en vrouwelijke gametophytes. De mannelijke gametofyten ontwikkelen zich als sperma-bevattend pollen dat sperma levert aan de eiercellen in vrouwelijke gametofyten door de wind, insecten of andere dieren die in contact komen met de bloemen. De vereniging van spermacellen en eieren geeft aanleiding tot zaden, die ontkiemen om nieuwe sporofyten van bloeiende planten te maken.
Wetenschappers hadden eerder ontdekt dat genen die de vroege stappen van sperma- en ei -ontwikkeling controleren, worden geconserveerd tussen mossen en bloeiende planten. Dat wil zeggen, zelfs als planten en mossen evolueren en hun genen veranderen, die ten grondslag liggen aan de vroege stappen van sperma- en ei -ontwikkeling niet. Aangezien mos gametofyten onafhankelijk van de sporofyt groeien, namen wetenschappers aan dat de mechanismen die de ontwikkeling van bloeiende plant gametofyten regelen ook onafhankelijk zijn van de sporofyt.
Maar het recente rapport van CCMB daagt deze veronderstelling uit: de onderzoekers hebben aangetoond dat de sporophyt de ontwikkeling van gametofyten in bloeiende planten regelt.
Snelle evolutie in bloeiende planten
De studie, onlangs gepubliceerd in Natuurplantenbeschreef de rol van een nieuw gen genaamd Shukr (betekent ‘sperma’ in veel Indiase talen) in de plant Arabidopsis thaliana. Dit gen wordt tot expressie gebracht in de sporofytcellen van de bloem en beïnvloedt de ontwikkeling van pollen. Wanneer een functioneel Shukr Gene is afwezig, de bloem kan geen levensvatbaar stuifmeel produceren.
(De onderzoekers vonden voor het eerst Shukr in A. thaliana Omdat het een modelorganisme is voor plantenbiologen. Ze vonden vervolgens ook het gen in andere eudicots door genoomanalyses, maar beperkten hun gedetailleerde studies van de effecten van de effecten Shukr naar A. thaliana alleen.)
De Shukr Gene bleek ook een klasse genen te reguleren die F-box-genen in pollen worden genoemd. Deze genen verwijderen eiwitten die hun functies hebben gediend en maken ruimte voor nieuwe eiwitten om te handelen in de ontwikkeling van pollen.
Het team, geleid door Emeritus -wetenschapper Imran Siddiqi, vond de Shukr Gene in eudicots – een plantengroep die 75% van alle bloeiende planten omvat. Het gen ontstond voor het eerst in deze planten ongeveer 125 miljoen jaar geleden. Het team ontdekte ook dat de Shukr gen en de pollenspecifieke F-box-genen onder Shukr’s Controle evolueert snel.
In tegenstelling tot mossen, waarbij spermacellen altijd voldoende water hebben om door te zwemmen naar de eiercellen, werken bloeiende planten in meer variabele omstandigheden. Verschillende families van bloeiende planten moeten warmte, kou, hoge luchtvochtigheid en hoge droogheid overleven.
Siddiqi suggereerde dat de snel evoluerende aard van Shukr en de F-box-genen stelden de eudicot-planten in staat om in verschillende omgevingscondities te verkennen, zich aan te passen en succesvol te reproduceren door variaties in pollen. Volgens hem zou dit belangrijke moleculaire inzichten kunnen bieden om Darwin’s “verschrikkelijke mysterie” te kraken.
Anders gezegd, de plotselinge en drastische evolutionaire veranderingen tussen bloeiende planten ongeveer 125 miljoen jaar geleden hadden kunnen gebeuren vanwege de opkomst van de Shukr Gene en zijn vermogen om de pollenkwaliteit te beheersen, bepaald door de omstandigheden en behoeften van de grotere sporofytplant.
Deze aanpassingen dragen bij aan anderen in vele vormen van landplanten, waaronder die welke hen in staat stelden om op land te groeien en zich voort te planten zonder constante toegang tot overvloedig water. Deze vaardigheden omvatten een robuust wortelsysteem om water uit de grond te halen, een vaatstelsel waarmee water en mineralen van de wortels naar verschillende cellen van het plantenlichaam kunnen gaan, en de evolutie van vele vormen van bloemenbestrijdingsstrategieën.
Focus op voedselzekerheid
Als evolutionair succes onder planten een examen was, zouden bloeiende planten de topscorers zijn. Zaden in de vorm van granen, pulsen en oliehoudende zaden zijn de grootste voedselbron voor alle dieren op aarde. Ze dragen ook bij aan een wereldwijde voedingsindustrie van miljard dollar.
Klimaatverandering vormt vandaag een belangrijke bedreiging voor deze systemen en imperileert voedselzekerheid. Hogere temperatuur beïnvloedt de groei en reproductie van planten door metabole veranderingen in pollen te induceren en mannelijke steriliteit te veroorzaken.
De nieuwe studie en anderen zoals het kunnen onderzoekers helpen nieuwe mechanismen te identificeren die ervoor zorgen dat planten steeds hardere omgevingen kunnen overleven. Wetenschappers verkennen zelfs tegenwoordig genen die verantwoordelijk zijn voor de fysieke stevigheid, immuniteit en/of tolerantie van planten voor zoutgehalte en droogte. In deze geest, Shukr Opent een nieuw pad naar plantfitness.
Siddiqi en zijn teamleden hebben gespeculeerd dat wanneer blootgesteld aan een specifieke omgevingsconditie, de sporofyt van een eudicot pollen kan creëren die geschikt is voor die voorwaarden door de eiwitsamenstelling in het pollen te moduleren. Met behulp van het vooraf geconditioneerde pollen, kan het mogelijk zijn om de veerkracht van het milieu in planten op natuurlijke wijze te verbeteren.
SOMDatta Karak Heads Science Communication bij CSIR-CCMB.
Gepubliceerd – 03 juni 2025 05:30 AM IST
