Bitkiler kitlesel yok olma döneminde nasıl hayatta kaldı?
Dünya, 4,6 milyar yıllık jeolojik evrimin uzun tarihinde beş büyük ölçekli tür yok oluşu yaşadı. Bunlardan en ünlüsü ve en bilineni, en sonuncusu: Kretase-Paleojen sınırında (K-Pg) kitlesel yok olma olayı (Şekil 1), 66 milyon yıl önce, çünkü uzun bir süreyi işaret ediyordu. 160 milyon yıllık dinozor dönemi sona erdi.
Şekil 1. 66 milyon yıl önce Kretase-Paleosen (K-Pg) kitlesel yok oluş olayı
(Yukarıdaki resim, Shen Shuzhong ve diğerleri, 2017'den alınmıştır. Science Bulletin; aşağıdaki resim internetten alınmıştır)
Mevcut araştırmalar, kitlesel yok olma olayının ana sebebinin, yaklaşık on kilometre çapında bir asteroidin dünyaya çarpması ve ortalama 180 kilometre çapında bir çarpma krateri (Chicxulub krateri) bırakması olduğunu fark etti. Çok sayıda paleojeoloji, paleoçevre, paleontoloji ve diğer kanıtlar, bu yıkıcı olayın dünya ekosistemine büyük felaketler getirdiğini, küresel ölçekte toz bulutlarına yol açtığını, gökyüzünü kapladığını ve hatta birkaç yıldan fazla bir süre sonra olduğunu gösteriyor. Güneş yüz yıl boyunca izole edildi ve düşük ışık seviyeleri bitkilerin fotosentez yapmasını zorlaştırdı. Okyanustaki algler ve kara bitkileri yavaş yavaş ölüyor, tüm besin zinciri çöküyor ve büyük hayvanlar açlıktan ölüyor.
Aynı zamanda, küresel sıcaklık keskin bir şekilde düştü ve soğuk toprak sıcaklığı, tohumların filizlenmesini zorlaştırdı ve bu da birçok karasal bitkinin neslinin tükenmesine yol açtı. Bu dönemde bitki türlerinin beşte üçü, dinozor dönemine eşlik eden dev jimnospermler ve eğrelti otları gibi nesli tükendi. Şu anda, anjiyospermler (çiçekli bitkiler olarak da bilinir) dünyanın karasal ekosistemlerine hakimdir. 350.000'den fazla tür vardır, form bakımından zengin ve neredeyse tüm habitatlarda dağılmıştır.
Öyleyse, kapalı tohumlu bitkiler, kitlesel yok oluş döneminin felaket olaylarından nasıl kurtuldu?
2009'da, evrimsel genom bilimi bilimcisi Yves Van de Peer ekibi, K-Pg kitlesel yok oluş döneminde, anjiyospermlerin birçok dalının bağımsız olarak antik poliploidizasyon (veya tam genom ikiye katlanması olarak adlandırılır) olaylarına sahip olduğunu buldu ( şekil 2). Buna dayanarak, araştırmacılar, poliploidleşmenin, mevcut anjiyospermlerin atalarının çoğunun kitlesel yok olma olayından kurtulmasına yardımcı olan önemli bir neden olabileceğini düşünüyor. Bu keşif, rapor edildiği anda güçlü bir tepkiyi uyandırdı ve uluslararası üne sahip birçok bilim insanı buna yüksek not verdi. Dikkat Hatta bazı akademisyenler buna "son on yılda çarpma alanındaki en heyecan verici keşiflerden biri" diyorlar.
Şekil 2. Kapalı tohumlu bitkilerin birden fazla dalı, K-Pg kitlesel yok oluş döneminde eski poliploidi olayları yaşamıştır.
(Fawcett vd., 2009'dan resim. PNAS)
Poliploidleşmeden bahsetmişken, birçok insanın yabancı olmadığına inanıyorum, çünkü günlük hayatımızdaki birçok mahsul ve önemli nakit mahsul, poliploidizasyondan sonra yakın gelecekte pamuk gibi poliploid bitkiler, buğday , Tecavüz, şeker kamışı, muz ve karpuz. Aslında poliploidizasyon, organizmaların tüm genomu iki katına çıkararak daha fazla kromozom seti elde etme sürecini ifade eder. Poliploidizasyon, organizmanın genetik materyalinin ek bir "kopyasını" yaparak evrim için ilkel genetik materyal sağlar ve genellikle biyolojik evrimin "hızlandırıcısı" olarak kabul edilir. Poliploid oluşumundan sonra, özellikle biyokütle ve nakit mahsullerin yüksek verimi, güçlü stres direnci ve yüksek su ve gübre kullanım verimliliği gibi birçok açıdan bariz avantajları vardır.
Poliploidizasyon, anjiyospermlerin kitlesel yok oluştan kaçmasına yardımcı olmanın ana nedeni midir? Mevcut araştırma, esas olarak ikisinin zaman içinde birleşmesine odaklanıyor ve poliploidizasyonun anjiyospermlerin şiddetli çevresel değişikliklere uyum sağlamasına nasıl yardımcı olabileceğine dair kanıt henüz ortaya çıkmadı. Farklı araştırmacı akademisyenler bu konuda farklı hipotezler öne sürmüşlerdir.
Örneğin, 2017'de Profesör Yves Van de Peer, "uyarlanabilirlik" görüşünü ortaya koydu, yani poliploidinin, elverişsiz ortamda diploide göre uyarlanabilir bir avantajı vardır; ayrıca 2017'de, Kaliforniya Üniversitesi'nden Profesör Michael Freeling eşeysiz üreme önerdi Ortam büyük ölçüde değiştiğinde poliploidi için bir geçiş tamponu görevi görebilir ve ortam normal olduğunda, poliploidi tekrar ikiye katlanacak ve doğru mayoz oluşturacaktır; daha sonra 2018'de Profesör Donald Levin ve Profesör Douglas Soltis ortaklaşa önerdi Niş hipotezi, yani şiddetli çevresel değişiklikler ekosistemdeki diploid türlerin sayısını önemli ölçüde azaltır ve poliploid türlerin hayatta kalması için ekolojik fırsatlar sağlar. Bununla birlikte, bu görüşler poliploidi üzerine yapılan son araştırmalara dayanıyor ve daha sonra çevresel değişikliklerdeki antik poliploidinin olası adaptasyon stratejileri üzerine spekülasyon yapıyor. Kısacası, yukarıdaki görüşlerin tümü spekülasyondur ve henüz net bir kanıt yoktur.
Kasım 2019'da, Çin Bilimler Akademisi Botanik Enstitüsü'nden Jiao Yuannian'ın araştırma ekibi, antik poliploidizasyonun anjiyospermlerin ciddi çevresel değişikliklere uyum sağlamasına nasıl yardımcı olduğuna dair yeni bir yorum yaptı. Poliploidizasyonun genomdaki tüm genleri kopyalayabileceğini hepimiz biliyoruz, bu da genetik materyalin bileşimini büyük ölçüde değiştirir. Öyleyse, K-Pg kitlesel yok oluşu sırasında poliploidleşme olayının neden olduğu genetik materyal değişiklikleri, bitkilerin o zamandaki şiddetli çevresel değişikliklere uyum sağlamasına yardımcı oldu mu?
Yukarıdaki varsayımlara dayanarak, araştırma ekibi, anjiyosperm evriminin farklı dallarını ve ekzogruplarını temsil eden genom çapında verilere sahip 25 bitki türünü seçti (Şekil 3) ve titiz ve ayrıntılı biyoinformatik analizler gerçekleştirerek bulmaya çalışıyor. Genetik temel seviyesi, poliploidleşmenin bitkilerin kitlesel yok olma olaylarına uyum sağlamasına yardımcı olduğuna dair net kanıtlar ortaya koymaktadır.
Şekil 3. Kapalı tohumlu bitkilerin evrimsel tarihindeki poliploidi olayları ve bunların muhafaza edilen tekrarlayan genleri
(Wu ve diğerlerinden resim, 2019. Molecular Plant)
Antik poliploidizasyon olayı uzun süredir gerçekleştiğinden, geride bırakılan ipuçları karmaşıktır ve poliploidizasyondan sonra kalan çift genleri doğru bir şekilde tanımlamak kolay değildir. Bu amaçla, araştırma ekibi, anjiyospermlerin evrimsel tarihinde meydana gelen eski poliploidizasyon olaylarından sonra kalan tekrarlayan genleri doğru bir şekilde tanımlamak için eksiksiz bir analiz prosedürleri seti oluşturmak için çeşitli yöntemler kullandı.
İkinci olarak, kitlesel yok olma döneminde K-Pg organizmasının farklı dallarında meydana gelen poliploidizasyon olaylarından sonra ortaklaşa tutulan tekrarlanan genlerin fonksiyonları analiz edilerek, bu dönemde meydana gelen poliploidizasyon olaylarının, kitlesel yok olma döneminde çevredeki şiddetli değişikliklere uyum sağlayan tekrarı birlikte koruduğu bulunmuştur. Genler, bu genlerin bitkilerin o sıradaki stres ortamının seçim baskısıyla başa çıkmalarına yardımcı olmasının muhtemel olduğunu gösterir (Şekil 4).
Araştırma ekibi, K-Pg kitlesel yok oluş dönemine (~ 66 milyon yıl) ek olarak, diğer iki tarihi dönemi de (~ 120 milyon yıl önce ve < Aynı zamanda, çalışma, bu iki periyotta ikiye katlandıktan sonra tutulan tekrarlayan genlerin, belirli bir tarihsel dönemdeki çevresel seçim baskısı ile işlevsel olarak tutarlı olduğunu buldu (Şekil 4).
Şekil 4. Üç tarihsel periyotta poliploidizasyondan sonra birlikte muhafaza edilen tekrarlanan genler, stres tepkisine dahil olur.
(Turuncu: kitlesel yok oluş dönemi; yeşil: ~ 120 milyon yıl, mavi: < 20 Ma dönemi)
Araştırma ekibi ayrıca adaptif bağlantılı gen düzenleyici ağını ayrıntılı olarak analiz etti ve bir gen ortak ekspresyon ağı oluşturmak için transkriptom verilerini kullandı ve Kretase-Paleosen kitlesel yok oluş döneminde meydana gelen genom çapında ikiye katlanma olayının birlikte korunduğunu buldu. Anahtar düzenleyici genler, bitkilerin çevresel strese uyum sağlama yeteneğini artırabilecek şiddetli çevresel değişikliklere (soğuk ve karanlık) uyum sağlayan gen düzenleme ağını yeniden şekillendirmiş ve karmaşıklaştırmıştır (Şekil 5).
Bu çalışmanın sonuçları, eski poliploidizasyonun bitkilerin eski çevresel seçilim baskısıyla başa çıkmasına yardımcı olduğunu gen düzenleme ağı düzeyinden ortaya koymaktadır. Ek olarak, çalışma, transkripsiyon faktör ailelerinde yinelenen genlerin tutulmasını ayrıntılı olarak analiz etti ve poliploidizasyondan sonra farklı transkripsiyon faktör ailelerinin tutulmasının önyargılı olduğunu buldu. Poliploidizasyon olayından sonra yüksek oranda tutulma eğiliminde olan transkripsiyon faktörü gen ailesi, bitkilerin çevresel strese tepkisinde önemli bir rol oynar, düşük retansiyonlu veya hiç tutulmayan transkripsiyon faktör gen ailesi esas olarak koruyucu biyolojik süreçlerde bir rol oynar.
Şekil 5. Kitlesel yok olma döneminde poliploidizasyondan sonra soğuk stres düzenleyici ağın evrimsel modeli
Poliploidizasyondan sonra spesifik stresle ilişkili tekrarlayan genlerin tutulması, anjiyosperm düzenleyici ağın ciddi çevresel değişikliklere yanıt verme karmaşıklığını teşvik eder ve böylece anjiyospermlerin adaptasyonunu arttırır. Bu çalışmanın sonuçları yalnızca önceki spekülasyonları doğrulamakla kalmadı ve poliploidizasyonun, anjiyospermlerin kitlesel yok olma döneminde çevredeki şiddetli değişikliklere uyum sağlamasına yardımcı olduğunu ve aynı zamanda poliploidleşmenin bitkilerin adaptif evrimini nasıl artırabileceğine dair net genetik kanıtlar sağladığını doğruladı.
Kısacası, K-Pg kitlesel yok oluş döneminin zorlu ortamında, poliploid bitkiler hala hayatta kalabilir ve "inatla" çoğalabilirken, bu da büyük ölçüde poliploidinin uyarlanabilir evrimini yansıtırken, dinozorların bile soyu tükenmiştir. İçinde büyük önem taşıyor. Özellikle günümüzün küresel iklim değişikliğinde, çoklu adaptasyon avantajlarının genetik mekanizmasını anlamak, biyolojik evrim, türlerin korunması ve genetik ıslah için önemli teorik rehberlik önemine ve pratik uygulama değerine sahiptir.
kaynak: Botanik Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi
