Spårar växternas urtid

Hos alla växter där arvsmassan detaljstuderats finns gener som har dubblerats under evolutionens gång, ett fenomen som har befrämjat utvecklingen av helt nya gener och egenskaper. Genom jämförelser av gener som styr blomningstiden hos växten backtrav med besläktade gener hos en mossa har Harald Hedman från SLU lagt nya pusselbitar som belyser växtrikets molekylära historia.

Många växter är genetiskt programmerade att gå i blom vid en viss tid under året. Hos blåsippan sker det t.ex. tidigt på våren, medan blåklockan väntar betydligt längre. Mycket av det vi vet idag om gener som påverkar växters blomningstid rör dock växtgenetikernas favoritväxt, backtrav (Arabidopsis thaliana). Harald Hedman har i sitt doktorsarbete försökt spåra det evolutionära ursprunget till några av backtravens ”blomningstidsgener”. I detta arbete har han bland annat undersökt en mossa, hos vilken han hittat besläktade, ljuskänsliga gener som styr andra processer av betydelse för mossans förökning. Grunden för studierna är något som kan kallas gendubblering.   

Gendubblering
Redan på 1970-talet, långt innan vi hade dagens teknik för storskalig kartläggning av organismers arvsmassa, var det allmänt accepterat att evolution av nya gener kunde ske genom dubblering av befintliga gener. Denna dubblering kunde vara lokal och endast omfatta en extra genkopia på en kromosom, men den kunde också innebära att arvsmassan kompletterades med en helt ny extra genuppsättning – en process som kallas hybridisering.

Evolution genom dubblering har diskuterats ända sedan 1930-talet, men idén har fått ett starkt uppsving under 2000-talet, tack vare de tekniska framsteg som har gjort det möjligt att bestämma gensekvenserna i hela arvsmassor. Idag vet vi att arvsmassan hos alla växter som hittills undersökts innehåller många dubblerade gener och att det har skett minst tre dubbleringar av ”urväxtens” arvsmassa.

Ett öde efter dubblering är att de två generna behåller ungefär samma funktion. De kodar då för tillverkning av proteiner som ser nästan likadana ut, men generna är aktiva vid olika tidpunkter eller i olika vävnader. De två generna kan också tappa en del av sin ursprungliga funktion, så att båda två krävs för att den ursprungliga funktionen ska finnas kvar. Ett exempel kan vara om det måste tillverkas dubbelt så mycket av ett protein på grund av att det skett en dubblering av andra gener.

Konstruerar gensläktträd
Gener som evolverat på detta sätt återfinns i ”genfamiljer” där medlemmarna uppvisar stor likhet med varandra. Harald Hedman och hans kollegor har nu granskat en sådan genfamilj. Den mest kända genen i denna familj finns hos backtrav och kallas FT (flowering locus T). Det protein som denna gen kodar för fungerar troligtvis som en signal som transporteras från blad till skott och där stimulerar blomning. FT styrs i sin tur av genen CO (constans), som kontrollerar hur blomningstiden styrs av dagslängden¹.

Genom att samla in uppgifter om FT-lika gener från alla tillgängliga växtarter (från databaser och från egna studier av mossor, lummerväxter och levermossor) kunde forskarna konstruera ett ”släktträd” över genfamiljen med tre grenar. Den allra första (tidigaste) grenen innehåller den gen som finns hos alla landväxter (här återfinns mossor, levermossor, barrträd och blommande växter). De andra två grenarna innehåller gener som bara finns hos kärlväxter och som hos blommande växter (backtrav) har helt olika funktioner. Den ena (FT) stimulerar blomning medan den andra (TFL1) bromsar blomning. Barrträd har gener vars sekvenser tycks ligga mitt emellan FT och TFL1 .

Släktträdet visar också att det finns vissa mutationer som verkar ha inneburit evolutionära fördelar för kärlväxter. Bland annat just den viktiga mutationen som skiljer mellan FT och TFL1.

Mossor kan visa hur det började
En viktig fråga är vilken funktion som kom först, stimulering eller fördröjning av blomning? För att närma sig svaret på den frågan har Harald Hedman och hans kollegor tittat på den äldsta, och därmed mest ursprungliga, grenen i släktträdet. På denna gren finns den gen som hos backtrav kallas MFT (mor till FT och TFL1). Denna grupp utgörs av gener vars funktion vi vet mycket lite om, men som kan ha behållit den ursprungliga funktionen innan genfamiljen expanderade genom dubblering.

(texten fortsätter i spalten till höger)