Opdagelse af ældgammelt plante-DNA fremtidssikrer afgrøder

I en skelsættende forskningsartikel udgivet i 2024 har et internationalt hold af genetikere kastet nyt lys over planters evolutionære historie. Forskere fra Cold Spring Harbor Laboratory har i samarbejde med flere globale institutioner opdaget et skjult genetisk system, der har overlevet i mere end 400 millioner år. Ved hjælp af moderne teknologier kan biologer nu spore biologiske forandringer meget længere tilbage i den dybe tid, end det hidtil har været muligt. Denne opdagelse besvarer et årtier gammelt spørgsmål, som har frustreret botanikere og evolutionsbiologer over hele verden.

Det har længe været et anerkendt faktum i den genetiske videnskab, at selve genernes funktioner ofte forbliver bemærkelsesværdigt ens på tværs af mange forskellige arter. Dette mønster kan observeres hos både dyr og planter, selv når arterne evolutionært set har udviklet sig i forskellige retninger for hundredvis af millioner af år siden. Imidlertid har samme konsistens tilsyneladende ikke gjort sig gældende for den del af arvematerialet, som styrer, hvornår disse gener aktiveres eller deaktiveres. Mange eksperter troede simpelthen ikke, at denne type regulatoriske DNA-sekvenser overlevede over lange tidsperioder i planteriget.

For at forstå dette komplekse system kan man forestille sig plantens genom som et enormt byggeprojekt styret af en central byggeleder. Selve generne er murstenene og cementen, som altid fungerer på samme måde, mens det regulatoriske DNA er de gule sedler, der fortæller håndværkerne, hvornår de præcist skal bygge fundamentet. Forskere har tidligere troet, at disse gule sedler blæste væk og blev erstattet af helt nye systemer under planternes udvikling. Nu viser det nye studie, som er publiceret i det videnskabelige tidsskrift Science, at naturen faktisk har gemt og genbrugt de samme instruktioner gennem utallige årtusinder.

Forskerholdet identificerede mere end to millioner af disse regulatoriske DNA-sekvenser, som kaldes bevarede ikke-kodende sekvenser, eller blot forkortet til CNS. Denne massive kortlægning blev muliggjort af et nyudviklet beregningsværktøj, der meget rammende er blevet navngivet Conservatory. Værktøjet fungerer ved at gennemgå og sammenligne 314 forskellige plantegenomer fra hele 284 adskilte plantearter. Nogle af de fundne sekvenser stammer endda fra en tidsperiode før de blomstrende planter overhovedet skilte sig ud fra deres ikke-blomstrende forfædre i urtiden.

Forskerne opnåede de banebrydende resultater ved at fokusere indgående på organiseringen af gen-grupper på en yderst mikroskopisk skala. Ved at analysere, hvordan disse klynger af gener var arrangeret på tværs af hundreder af genomer, kunne de spore mønstre fra oldtidens plantearter frem til moderne landbrugsafgrøder. Dette gjorde det muligt for dem at opdage elementer, som ældre og mindre fintfølende analysemetoder konsekvent havde overset i tidligere genetiske forskningsprojekter. “Picking apart and genetically editing these CNSs confirmed they’re essential for developmental function,” fortæller postdoc Anat Hendelman fra Cold Spring Harbor Laboratory.

Studiet har desuden afsløret tre afgørende mønstre, der beskriver, hvordan de regulatoriske DNA-sekvenser udvikler sig i planters genomer gennem historien. For det første forbliver deres rækkefølge langs kromosomet konsekvent, selvom den fysiske afstand mellem de forskellige sekvenser i nogle tilfælde kan ændre sig undervejs. For det andet kan disse kritiske sekvenser blive knyttet til helt andre gener, når et plantegenom bliver omstruktureret som følge af en længerevarende evolutionær proces. For det tredje har disse ældgamle sekvenser en stærk tendens til at blive bevaret, selv når selve generne bliver duplikeret i organismen i forbindelse med artsudvikling.

“This was actually one reason CNSs could not be discovered using the same approaches used in animals,” forklarer biolog Zachary Lippman. “We didn’t just find CNSs using this innovative approach.” “We found that new regulatory sequences often come from old CNSs that were modified after gene duplication.” “This helps explain how novel regulatory elements emerge.”

Siden det nu er påvist i dataene, at disse ældgamle regulatoriske sekvenser bevares på tværs af årmillioner trods massive strukturelle ændringer i plante-DNA’et, kan man udlede, at de er underlagt et intenst evolutionært selektionspres. Dette betyder fundamentalt set, at de funktioner, som de styrer, er absolut uundværlige for biologisk overlevelse og reproduktionsevne i barske omgivelser. Enhver tilfældig eller større genetisk afvigelse i disse mekanismer vil oftest resultere i den specifikke arts undergang ude i de vilde miljøer. Hvis disse sekvenser blot var passive eller udtjente rudimenter, ville den naturlige biologiske mutation for længst have udvisket deres ensartede mønster på tværs af de flere hundrede undersøgte arter.

Projektet har skabt et omfattende digitalt atlas over regulatorisk bevarelse i planteverdenen, som frit kan benyttes af biologer og agronomer kloden rundt. Det detaljerede opslagsværk indeholder genetiske data fra snesevis af vitale afgrøder samt deres vilde og fuldstændig utæmmede forfædre ude i den fri natur. Landbrugsforskere kan for eksempel bruge denne indsigt til specifikt at designe løsninger mod globale trusler som ekstrem tørke og en hastigt stigende fødevaremangel i verden. Yderligere information og detaljer om initiativerne bag den store genetiske forskningsindsats kan med fordel findes direkte hos Cold Spring Harbor Laboratory.

Opdagelsen af de utallige millioner genetiske kontakter har dog en overordnet videnskabelig betydning, der strækker sig utrolig langt ud over den gængse, traditionelle landbrugssektor. Den underliggende biologiske forståelse for selve det landbaserede livs udvikling har fået et væsentligt løft med introduktionen af de enorme og moderne genomiske databaser. Hele formålet er nemlig proaktivt at dechifrere de allermest komplicerede biologiske koder, der ligger til grund for naturens overlevelsesstrategier i dyb, ufattelig tid. For klart at understrege opdagelsens yderst langsigtede og banebrydende videnskabelige potentiale tilføjer eksperten Lippman i rapporten: “It’s a new window into the evolution of life across eons and a new opportunity to more efficiently engineer or fine-tune crop traits.”

Ofte stillede spørgsmål

Hvad er formålet med regulatorisk DNA?

Regulatorisk DNA fungerer som genetiske kontakter, der præcist styrer, hvornår og hvor i en organisme specifikke gener skal aktiveres eller deaktiveres.

Hvor gammelt er det ældste læsbare DNA, man kan finde direkte i naturen?

Forskere kan ikke udvinde direkte og læsbare DNA-molekyler fra fossiler, der er meget ældre end to millioner år, da de skrøbelige molekyler gradvist nedbrydes over tid i miljøet.

Hvorfor er genduplikation ofte en fordel for biologisk udvikling?

Genduplikation giver en organisme et ekstra og uafhængigt sæt af bestemte gener, som kan mutere frit og udvikle helt nye funktioner, uden at organismen mister den oprindelige biologiske egenskab.