Az óriásvirágfélék fajai életük kezdetén szinte észrevehetetlenek. Hajszálvékony, olykor 10 méternél hosszabb fonalakkal szövik be a gazdanövény szöveteit, hogy megcsapolják annak erőforrásait. Ezek az fonalak mikroszkóp alatt vizsgálva is szinte beleolvadnak a gazdaszövetekbe, hiszen gyakran csak egyetlen sejtsorból állnak, és inkább emlékeztetnek valamiféle gombára, mint virágos növényre.
Amikor azonban eljön a szaporodás ideje, a Rafflesiaceae család tagjai méretes, bűzös virágot növesztenek, amely döghúsra emlékeztető szagával magához vonzza a döglegyeket, amelyek a beporzásáért felelnek. A növénycsalád legnagyobb képviselője az óriás bűzvirág (vagy raflézia) virága 1 méternél is nagyobbra nőhet, és a 10 kilogrammot is elérheti, amivel a legnagyobb ismert virág a Földön.
Hiányos genomok
Jeanmaire Molina, a brooklyni Long Island University növényevolúció kutatója több mint egy évtizeddel ezelőtt kezdte el tanulmányozni az óriásvirágfélék genomját, mivel kíváncsi volt arra, hogy a növényeknek a DNS-e is annyira furcsa-e, mint a kinézetük. Hamar kiderült, hogy a parazitikus életformák génállománya valóban kiemelkedően érdekesnek tűnik. Molina és kollégái egy 2014-es tanulmányban arról számoltak be, hogy sikeresen szekvenálták egy fülöp-szigeteki rafléziafaj mitokondriális DNS-ét, arra ugyanakkor nem találtak bizonyítékot, hogy a növény működő kloroplasztisz-génekkel rendelkezne. Úgy tűnt, mintha a raflézia a fotoszintézist lehetővé tevő sejtszervecske teljes genomjától megszabadult volna.
Ez egészen hihetetlennek látszott, hiszen bár a kloroplasztiszok kulcsszerepet játszanak a fotoszintézisben, olyan géneket is tartalmaznak, amelyek más sejtszintű folyamatokban fontosak, hasonlóan a többi plasztisznak nevezett sejtszervecskéhez. Még a parazita életmódot magas szinten művelő maláriakórokozóban is megtalálható egy plasztiszgenom, pedig ennek elődei több százmillió éve fotoszintetizáltak utoljára, mondja Molina.
A meglepő felfedezést nemrégiben egy harvardi kutatócsoport is megerősítette. A szakértők egy másik rafléziafaj genomját tették közzé, amely amellett, hogy nem tartalmazza a kloroplasztisz génjeit, egy sor más meglepő jelenségre is rávilágít. A rafléziák genomja a vizsgálatok alapján előszeretettel szabadul meg a feleslegesnek ítélt génektől és szerez be új, hasznos DNS-szakaszokat a gazdaszervezettől. A különös génállomány új kérdéseket vet fel a genomok bizonyos, különösen mozgékony, fehérjét nem kódoló elemeinek szerepével kapcsolatban is.
Az eredmények talán legfőbb tanulsága pedig az, hogy még mindig rendkívül keveset tudunk a genomikai folyamatokról, különösen ami a parazita életformákat illeti, amelyek az ismert fajok több mint 40 százalékát teszik ki.
Hasznos veszteségek
Az új tanulmányt jegyző Charles Davis és harvardi kollégái Molinához hasonló okokból kezdték tanulmányozni a rafléziákat majdnem másfél évtizeddel ezelőtt. A kutatók éveket dolgoztak sikertelenül a sejtmagi genom szekvenálásán, míg Liming Cai rendszerbiológus és Timothy Sackton bioinformatikus hathatós közreműködésével részben sikerrel jártak, és sikerült összeállítaniuk a Sapria himalayana nevű faj sejtmagi genomjának vázlatát.
Az emberfejnyi virágokat növesztő növény sok tekintetben hasonlít a többi parazita növényfajra. Mivel a paraziták a gazdaszervezettől szerzik be tápanyagaikat, anyagcseréjük javát gyakorlatilag „kiszervezik”, vagyis egy sor olyan mechanizmusra és biokémiai összetevőre nincs szükségük, ami a legtöbb növényi sejtben megvan. Így ezek génjeitől is gyakran megszabadulnak, minimalizálva genomjuk méretét.
Davist ennek ellenére nagyon meglepte, amikor kiderült, hogy a növényekben általában jelenlevő gének közel fele hiányzik a Sapria genomjából. Ez több mint duplája az arankák (Cuscuta) génveszteségének és négyszerese a boszorkánygyomokénak (Striga). A genom 44 százalékának hiánya mellett ráadásul a teljes plasztiszgenom is hiányzott, ahogy azt már Molina megmutatta. Az egyetlen ismert organizmus, amely megszabadult a teljes kloroplasztisz-genomtól egy egysejtű alga, amely fotoszintézis helyett a környező vízből nyeli el a tápanyagokat.
A rafléziák kapcsán a plasztiszgenom hiánya azért is meglepő, mert a növény legyártja a sejtszervecskéket. Amikor a kutatók elektronmikroszkóppal vizsgálták a sejteket, azokban láttak plasztiszokat, csak ezek üresek és nem működnek. A Sapria kapcsán további érdekesség, hogy a genomból számos nemkódoló régió is hiányzik.
A növény genomja ennek ellenére óriási, 3,2–3,5 gigabázisos, vagyis nagyjából akkora, mint az emberi genom. De mit tartalmaz ez a génállomány, ha nem a megszokott növényi géneket?
Tolvajélet
A kérdésre részben elég egyértelmű a válasz: lopott géneket. Davis csapatának becslése szerint a növény genomjának legalább 1,2%-a más fajoktól származik, főleg múltbéli és jelenlegi gazdanövényektől. Ez első hallásra nem tűnik soknak, de legutóbbi időkig úgy hitték a kutatók, hogy ez a fajta horizontális génátadás a bakteriális fajokon kívül rendkívül ritka. Az utóbbi években aztán egyre több magasabb rendű szervezetben találták nyomát a jelenségnek, amely valószínűleg sokkal elterjedtebb, mint ahogy azt a szakértők sokáig gondolták.
Több mint 1 százaléknyi más fajtól beszerzett génmennyiség azonban még ennek tudatában is nagyon jelentősnek számít.
Mivel a paraziták évmilliók óta lopkodják a géneket, a genomjuk olyan, mint egy gigantikus DNS-temető. Cai, Davis, és kollégáik 10 különböző típusú raflézia genomját hasonlították össze, és ilyen módon érdekes betekintést nyertek a múltba. A módszerrel olyan gazdanövény-parazita interakcióknak akadtak nyomára, amelyek a kréta időszak közepéig nyúlnak vissza.
Napjainkban a rafléziák négy tucat ismert fajának mindegyike a szőlőfélék egyik nemzetségén, a gesztenyeszőlőkön élősködik. Korábban azonban kifejezetten a borostyánszőlőket preferálták a lopott gének alapján. Ez a fajta evolúciós múlt fosszilis leletek alapján felderíthetetlen lenne, hiszen a virágok és vegetatív fonalak fosszilizálódása sem valószínű. De a ma élő paraziták genomjában ott rejtőznek az egykori gazdanövények részei.
A lopott gének azonban csak egy kis részét teszik ki a Sapria gigantikus genomjának. A növényi DNS java transzpozonokból, olyan ismétlődő szekvenciákból áll, amelyek képesek helyet változtatni a genomon belül.
A Sapria esetében a genom 90 százalékban ilyen elemekből áll,
mondja Sackton.
Pontosan ez volt az oka annak, hogy Davis és kollégái oly sokáig sikertelenül próbálkoztak a sejtmagi genom összeállításával. A DNS-szekvenállási technológiák, amelyek a genom feldarabolásán, felcímkézésén és újbóli összeállításán alapulnak, az utóbbi évekig nem voltak képesek megbirkózni ilyen fokú ismétlődéssel.
„Olyan volt, mintha egy jobbára tiszta eget ábrázoló puzzle-t kellett volna kiraknunk teljesen egyforma darabokból”
– mondja Sackton.
Az új generációs módszerekkel azonban már hosszabb, és ezért megkülönböztethetőbb szekvenciákat lehet kezelni, így sikerült összerakniuk a Sapria genomjának nagyjából 40 százalékát. A maradék annyira ismétlődő jellegű, hogy azzal továbbra sem boldogulnak.
Ugráló gének
A transzpozonok mennyisége mellett azok minőség is meglepőnek bizonyult a genomban. Míg a többi növényi parazitában a retrotranszpozonok dominálnak, amelyek RNS-sé átíródva mozognak a genomban, a Sapria génállományában DNS-transzpozonokból van a legtöbb, amelyek közvetlenül másolódnak le, és illesztődnek bele a genomba. Ez pedig kifejezetten szokatlan.
Hogy a Sapriának miért van ennyi transzpozonja, az még most is kérdés, de a kutatóknak vannak ötleteik a válasszal kapcsolatban. A transzpozonokat önző szekvenciának is szokták nevezni, mivel replikációjuk látszólagos haszon nélkül terheli le a genomot, amelyben helyet foglalnak. A legtöbb genomban ezért korlátozott a kifejeződésük. A rafléziákban azonban ez a szabályozás nem működik, vagy azért, mert elromlott, vagy mert a parazita profitált abból, hogy a genom elemei ide-oda ugrálnak.
Cai, Davis és Sackton sejtése szerint a transzpozonok nagy száma a paraziták izolációjának következménye. Mivel a rafléziák csak gesztenyeszőlőkön élősködnek és kis létszámú populációkban léteznek, nagyon mérsékelt a génáramlás a gazdanövény és más rafléziák irányából is. Ilyen körülmények között pedig idővel a legkevésbé hasznos genetikai jellemzők is nagyon elterjedtté válnak.
Vagyis lehetséges, hogy a transzpozonok egyszerűen felgyűltek az évmilliók alatt, és így váltak dominánssá a szokatlan genomban.
A másik lehetőség, hogy a paraziták nem képesek szabályozni a transzpozonok sokszorozódását. Egyes „ugráló” elemek a gazdanövényből származnak, így lehet, hogy a Sapria saját genetikai mechanizmusai nem tudták időben felismerni és elnémítani ezeket. Ebben az esetben a gazdanövénytől származó szekvenciák „belső parazitaként” terjedhettek el a genomban.
Azt sem lehet kizárni, hogy a paraziták egyszerűen adaptálódtak a nagy mennyiségű, haszontalan DNS-hez, és nincs okuk megszabadulni ezektől a részektől. A szakértők többsége azonban ez utóbbi lehetőséget kevéssé tartja valószínűnek annak fényében, hogy a más régiók milyen módszeresen lettek „kimetszve” a növény genomjából. A haszontalan gének, a plasztiszgenom és a nem kódoló intronok módszeres elhagyása mellett furcsának tűnik, hogy ilyen mennyiségű genetikai szeméttel terhelje le magát egy szervezet, ugyanis a transzpozonok jelenléte még komoly adaptálódás mellett is terhes, főleg, ha ilyen mennyiségben vannak.
Saima Shahid, a Donald Danforth Növénytudományi Központ biológusa szerint sokkal valószínűbb, hogy a transzpozonoknak hasznos funkciójuk van, és ezért tűri meg őket a parazita.
Amikor egy ilyen szekvencia helyet vált, gyakran a közelében levő DNS-ből is magával visz valamennyit. Lehetséges, hogy ezen fragmentumok hasznosulnak valamiképpen, véli a szakértők. És a transzpozonok hasznosak lehetnek a horizontális génátadásban is, ami a parazita túlélésének egyik záloga.
Génszabályozás mesterfokon
Shahid és kollégái egy 2018-ban megjelent tanulmányukban arról számolnak be, hogy a nagy aranka nevű növényfaj sejtjei mikroRNS-eket bocsátanak ki magukból a gazdanövény szomszédos sejtjeibe, és ezek révén képesek lekapcsolni a gazdanövény egyes génjeit. Ezek egy része vélhetően a paraziták elleni védelemben játszhat szerepet. Könnyen lehetséges, hogy a mikroRNS-ek termelése horizontális génátadással, transzpozonok révén vált lehetségessé a parazita számára. A Sapria kapcsán még senki nem vizsgálta, hogy van-e hasonló aktivitás, de kétségtelenül érdekes a felvetés.
A transzpozonok más módokon is hathatnak a génszabályozásra. Ha intronokba, vagyis gének belsejében levő nem kódoló szakaszokba illesztődnek bele, fokozhatják vagy gátolhatják a gén kifejeződését. A Sapria genomjában ez több helyen is előfordul: a kutatók több olyan intront is észleltek, amely nem kivágódott az evolúció során, hanem hosszabbá vált, és olykor megközelíti a 100 ezer bázist.
Ezen hosszabbodások 74 százalékáért transzpozonok felelnek.
Ezek az ismétlődő elemek ráadásul a genomon belül is segíthetnek a hozzájuk közeli szakaszok mozgatásában. Ez olykor veszélyes lehet, hiszen tönkreteheti egy-egy gén működését, de a duplikáció új funkciók kialakulásával is együtt járhat, mondja Shahid. Molina pedig úgy sejti, hogy valamiképpen a transzpozok állhatnak a rafléziák szokatlanul nagyméretű virágainak kialakulása hátterében is, de azt egyelőre nem tudja, hogy hogyan.
Egyelőre lehetetlen megállapítani, hogy az óriási mennyiségű transzpozonból mennyi lát el ténylegesen feladatot. Ennek meghatározásához alaposabb elemzésekre lenne szükség, amihez viszont jó lenne ismerni a genom teljes szerkezetét. Ezt azonban a szekvenálás nehézsége mellett a növények ritkasága is nehezíti, hiszen a kérdéses fajok közt súlyosan veszélyeztetettek is vannak. A kutatás megkönnyítése érdekében Molina és kollégái a washingtoni botanikuskert munkatársaival együttműködve nagyobb számban szeretnék termeszteni a rafléziákat, a nekik otthont adó szőlőindákkal együtt.
