Faders kloroplast | Eurek alert!

Tobaksväxter

bild: Tobaksplantor på tillväxtmedium med ett antibiotikum. Växter med kloroplaster som ärvs uteslutande från modern och mottagliga för antibiotika är bleka. Två plantor innehåller intakta gröna kloroplaster i bladen (röda pilar). Dessa kloroplaster är resistenta mot antibiotikan och har överförts från moderväxten.
att se Följande

Kredit: MPI-MP

Forskare vid Max Planck-institutet för molekylär växtfysiologi i Potsdam (Tyskland) har för första gången analyserat nedärvningen av kloroplaster under ett brett spektrum av miljöförhållanden. I motsats till den rådande uppfattningen att kloroplaster endast överförs från moderväxten, kan fädernes kloroplaster också överföras till avkomma i kallt väder. Moderns och faderns kloroplaster möts alltså i avkomma och kan kanske byta genetiskt material med varandra. De nya rönen kan göra det möjligt för växtförädlare att selektivt använda egenskaper hos genetiskt material från kloroplast för första gången.

En berättelse om blommor och bin är den klassiska introduktionen till ett ämne som fortfarande diskuteras för lite i vårt samhälle: sex i växter! När växter förökar sig smälter spermierna i pollenkornen samman med ägget i blomman som pollenet landade på. På så sätt kombineras det genetiska materialet från båda föräldrarnas cellkärnor i fröet. Detta är viktigt eftersom det hjälper till att eliminera skadliga mutationer som annars skulle ackumuleras i genetiskt material under generationer.

Organeller har sitt eget genom

Förutom genetiskt material i cellkärnan rymmer mitokondrier och kloroplaster även genetiskt material. Mitokondrier är cellers förbränningsmotorer. Djur- och växtceller använder dem för att bränna kolhydrater och använda den energi som frigörs för deras ämnesomsättning. Växter har också kloroplaster. De innehåller det gröna pigmentet klorofyll och är cellernas solkraftverk. Kloroplaster tillåter växter att skörda solenergi i en process som kallas fotosyntes för att producera kolhydrater.

Mitokondrier och kloroplaster har sitt eget genetiska material, eftersom de härstammar från bakterier som absorberades av förfäder till moderna djur- och växtceller för över en miljard år sedan. Mitokondrier och kloroplaster har etablerat en symbiotisk gemenskap inom cellen, och tidigare rumskamrater har nu blivit avgörande för växternas överlevnad.

Det är välkänt att arvsmassan hos mitokondrier och kloroplaster, till skillnad från cellkärnans genetiska material, inte ärvs lika från far och mor. Båda överförs nästan uteslutande av mamman, eftersom de antingen inte kommer in i spermierna alls, eller så bryts deras genetiska material ned i pollenet. Om mammans och pappas mitokondrier och kloroplaster aldrig möts kan de inte ha sex för att utbyta genetiskt material. Därför förväntas skadliga genetiska mutationer ackumuleras under generationer och så småningom leda till genomkollaps.

Forskare har bedömt nästan fyra miljoner växter

Forskare vid Max Planck Institute for Molecular Plant Physiology har nu upptäckt att, i motsats till vad många tror, ​​kan tobaksplantor regelbundet överföra kloroplaster från moderväxten under vissa miljöförhållanden. Forskarna skapade först moderväxter med antibiotikaresistenta kloroplaster. Dessa växter utsattes sedan för olika miljöförhållanden som värme, kyla, torka och starkt ljus under pollenmognaden. Pollen från dessa växter användes för att pollinera omodifierade föräldraväxter.

Fröna från denna korsning odlades på ett odlingsmedium innehållande det lämpliga antibiotikumet. Eftersom endast faderns kloroplaster överlever på detta medium, verkar celler som innehåller kloroplaster från faderväxten gröna, medan växter med endast kloroplaster som ärvts från modern verkar bleka, eftersom dessa kloroplaster bleker på grund av sin känslighet för ‘antibiotika. Eftersom paternalt ärvda kloroplaster är extremt sällsynta, var forskare tvungna att undersöka nästan fyra miljoner plantor för att visa att andelen faderligt ärvda kloroplaster var 150 gånger högre under kylbehandling än vid normal temperatur.

Kloroplastarv kan manipuleras

Efter denna första framgång gick forskarna in i detalj: “Vi vet att kyla bromsar enzymernas aktivitet. Vi misstänkte därför att ett enzym kunde vara inblandat i att blockera det paternala arvet av kloroplaster”, kommenterar Enrique Gonzalez-Duran, som också var involverade i studien. Forskarna odlade selektivt upp växter som bär på ett defekt enzym som normalt bryter ned kloroplastens genetiska material under pollenmognad. Växter med det defekta enzymet visade också signifikant ökad paternal arv av kloroplaster. När de kombinerades ledde enzymdefekten och appliceringen av kyla under pollenutvecklingen till en faderlig arvsgrad på två till tre procent. “Det kanske inte verkar så mycket, men det är gigantiskt jämfört med 1 på 100 000 chans att detta händer under normala förhållanden. Det ska bli väldigt intressant att veta om kloroplasterna som ärvts från mamman och pappan faktiskt utbyter genetiskt material mellan dem”, säger Kin Pan Chung, en annan författare till studien.

Upptäckten att nedärvningen av kloroplaster kan styras av temperatur och förändringar i enskilda växtenzymer öppnar helt nya möjligheter för växtförädling. “Eftersom man tidigare trodde att mitokondrier och kloroplaster alltid ärvdes tillsammans och endast från modern, fanns det inget sätt att separat föra de egenskaper som kodats i deras genetiska material vidare. Möjligheten att överföra kloroplaster även från fadern genom att helt enkelt sätta växter i kylan kan öppna dörren till helt nya avelsprogram, säger Ralph Bock, forskargruppens ledare.

Varför mitokondrier och kloroplaster till stor del ärvs från modern är fortfarande oklart. Det faktum att denna typ av arv kan reagera flexibelt på miljöförhållanden kommer sannolikt att få evolutionsbiologer att ompröva några av sina nuvarande teorier och modeller. “Det visar också hur viktigt det är att ta hänsyn till miljöförhållandena i genetisk forskning. Kloroplaster har fått oss att tro i årtionden att de lever sexuellt nykter, men nu kan vi inte vara så säkra”, säger Bock.


Varning: AAAS och EurekAlert! är inte ansvariga för riktigheten av pressmeddelanden som publiceras på EurekAlert! genom bidragande institutioner eller för användning av någon information genom EurekAlert-systemet.

Leave a Comment