Dünyanın en büyük çiçeği olan Rafflesia arnoldii, hayatının büyük bir kısmını asma konukçularının içinde geçiren bir parazittir. Yeni genomik çalışma, bu bitki grubundaki parazitlerin genlerinin şaşırtıcı bir payını kaybettiğini öne sürüyor.
İlk başta görünmezler. Güneydoğu Asya’daki orman evlerinde, asma konakçılarının hayati dokularını dokuyarak onlardan besin sifonlayan, bazen 10 metreden uzun yabancı lifler olan ince hücre şeritleri olarak büyürler. Mikroskop altında bile, tek sıra hücre sıraları asmanın kendisininkinden neredeyse ayırt edilemez. Bitkiden çok mantara benzerler.
Ancak üreme dürtüsü onları uyandırdığında, Rafflesiaceae ailesinin üyeleri; tozlaşan leş sineklerini çekmek için tasarlanmış çürüyen et gibi kokuşmuş bir kokuya sahip, puantiyelerle kaplı, uçsuz bucaksız, sapsız, lastik gibi kırmızı “ceset çiçekleri” olarak patlar. Rafflesia arnoldii’nin çiçekleri dünyanın en büyük çiçekleridir – her biri bir metreden daha geniş olabilir ve kabaca bir yeni yürümeye başlayan çocuğun ağırlığı olan 10 kilo ağırlığında olabilir.
On yıldan uzun bir süre önce, Rafflesiaceae parazitleri; Brooklyn’deki Long Island Üniversitesi’nde evrimsel bir Bitki Biyoloğu olan Jeanmaire Molina’nın dikkatini çekti ve genomlarının dış biçimleri kadar tuhaf olup olmadığını merak etti. İlk araştırmaları öyle olduklarını öne sürdü. O ve meslektaşları, Molecular Biology and Evolution’daki 2014 tarihli bir makalelerinde tanımladıkları gibi, Filipinler’deki bir Rafflesia türünden mitokondriyal DNA’yı başarıyla bir araya getirdiler. Ancak kloroplastlarından herhangi bir fonksiyonel gen tespit edemediler. Bitkiler, tüm kloroplast genomlarını basitçe terk etmiş gibiydi.
Bu neredeyse düşünülemezdi. Kloroplastlar en çok besin yapmak için ışığı kullanmalarıyla tanınırlar ancak plastid adı verilen tüm besin üreten organeller gibi, birçok önemli hücresel süreçte yer alan genleri içerirler. Molina, sıtma parazitlerinin bile hala bir plastid genomu taşıdığını ve son fotosentetik atalarının yüz milyonlarca yıl önce yaşadığını belirtti.
Bu şok edici bulgu şimdi Harvard Üniversitesi’nden bağımsız bir araştırma ekibi tarafından doğrulandı. Yakın zamanda Current Biology’de yayınladıkları Rafflesiaceae familyasının başka bir üyesi için taslak genom, parazitlerin gereksiz genleri atmak ve konakçılarından faydalı yenilerini almak konusunda ne kadar ileri gidebileceğini gösteren sürprizlerle dolu. Aynı zamanda, proteinleri kodlamayan oldukça hareketli genetik elementlerin evrimsel değişiklikleri mümkün kılmadaki rolü hakkındaki gizemleri derinleştiriyor. Belki de çalışmanın en büyük dersi, özellikle bitkilerde ve bilinen tüm türlerin %40’ından fazlasını içeren bir organizma kategorisi olan parazitlerde genomik hakkında daha ne kadar öğrenmemiz gerektiğidir.
Kazanmak İçin Kaybetmek
Molina gibi, Harvard Üniversitesi’nde organizma ve evrimsel biyoloji profesörü ve Harvard Üniversitesi Herbaria’da vasküler bitkiler küratörü olan Charles Davis, Rafflesiaceae’yi incelemeye çekildi çünkü onlar, çeyrek milyon türün en karizmatik ve esrarengiz çiçekli bitkileriydi.
Yaklaşık 15 yıldır pek çok sırrını açığa çıkarmaya çalışıyor ancak bir nükleer genom dizisinin anlaşılması her zaman zordur. Son olarak, doktora öğrencisi Liming Cai (şimdi Riverside, California Üniversitesi’nde sistematik biyoloji alanında doktora sonrası araştırmacı) projeye öncülük etmek için adım attı ve üniversitenin bilişim grubu ve biyoinformatik direktörü Timothy Sackton’ın yardımıyla ekip, sonunda çiçek açan bir insan kafası büyüklüğünde bir tür olan Sapria himalaya için bir taslak genom oluşturmayı başardı.
Sapria‘nın genomu, diğer birçok parazitik bitkide (ve daha genel olarak parazitlerde) görülen birkaç eğilimi takip eder. Onlar gibi Sapria da özgür yaşayan akrabaları için gerekli olduğu düşünülen birçok geni ortadan kaldırmıştır. Parazitler, konakçılarından çaldıkları için, esasen metabolizma emeğini dışarıdan temin ederler, dolayısıyla bağımsız bir bitki hücresinin tüm hareketli biyokimyasal parçalarına ihtiyaç duymazlar.
Yine de Davis, bitki soylarında yaygın olarak korunan genlerin neredeyse yarısının Sapria‘dan kaybolduğunu görünce şok oldu. Bu, dodders (Cuscuta cinsi) adı verilen asalak bitkilerden kaybedilen genin iki katından ve tahıl öldüren cadı otlarındaki (Striga cinsi) kayıpların dört katından fazladır. “Kayıp olacağını biliyorduk,” dedi, “ancak genlerinin %44’ünde olacağını düşünmemiştik.”
Ve bu, Molina’nın Rafflesia üzerinde yaptığı çalışmanın öne sürdüğü tüm plastid genomunun hayret verici bir şekilde silinmesine ek olarak. Bu genomu bir kenara attığı bilinen diğer tek organizmalar, çevrelerindeki sulardan beslenmek için fotosentezden vazgeçen Polytomella cinsindeki tek hücreli alglerdir.
Molina, ekibinin bulgusunun onayını “rahatlatıcı” ama aynı zamanda kafa karıştırıcı bulduğunu çünkü Rafflesia‘nın plastid bölmelerini hâlâ yapıyor gibi göründüğünü söyledi. “Elektron mikroskobu çalışmaları yaptığımızda plastidler bulduk” dedi, “bu yüzden plastidlerin boş olması oldukça tuhaf.”
Sapria ayrıca diğer genetik köşeleri de kesmiş gibi görünüyor. Bitkiler, birçok gen içindeki DNA’nın kodlanmayan uzantılarını silmiştir. İntron adı verilen bu bölgeler, üretilen gerçek proteini kodlayan genlerin parçaları arasına serpiştirilmiştir.
Sapria ve akrabaları genomlarını basitçe daha küçük ve daha verimli hale getirmiş gibi gelebilir. Ancak paradoksal olarak, Sapria‘nın genomu büyüktür. Toplamda tahmini 3.2 ila 3.5 gigabaz DNA, kabaca bizimkiyle aynı boyutta. Peki genomunu ne dolduruyor?
Hırsızlık Hayatı
Yeni başlayanlar için, çalıntı genlerle dolu. Davis’in ekibi, bitkinin genlerinin en az %1.2’sinin diğer türlerden, özellikle de geçmişteki ve günümüzdeki konakçılarından geldiğini tahmin ediyor. Kulağa etkileyici gelmeyebilir ancak bu tür bir yatay gen aktarımı, bakteriler dışında son derece nadir görülür. Yani bu şekilde ortaya çıkan genlerin tek bir yüzdesi bile kaşları kaldırıyor.
Cai, bu parazitlerin binlerce yıldır genleri çaldığı için genomlarının “kocaman bir DNA mezarlığı” gibi olduğunu belirtti. Cai ve meslektaşları, o mezarlığı dikkatlice kazarak ve içindekileri potansiyel konakçı gibi görünen 10 asma türünün genomlarıyla karşılaştırarak zamanda geriye bakmayı başardılar. “Yatay olarak aktarılan bu genler, DNA fosili görevi görüyor” dedi.
Bu fosillerden, “belki Kretase’nin ortalarına kadar uzanan, soyu tükenmiş bir konukçu-parazit birlikteliği” ortaya çıkardılar. Bugün, kabaca dört düzine bilinen Rafflesiaceae türünün tümü, tek bir cins olan Tetrastigma‘nın sarmaşıklarını istila ediyor. Ancak parazitler Tetrastigma‘yı istila etmeden çok önce, biber asmalarını istila etmiş ve onlardan çalmış gibi görünüyorlar (Ampelopsis cinsi). Bu tür bir ekolojik tarihçeyi taş fosillerden çıkarmak neredeyse imkansızdır. Parazitin çiçekleri uzun sürmez ve bitkisel vücudunun ince, ipliksi kalıntılarının fosilleşmesi pek olası değildir.
Tekrarlanan Evrim
Yine de çalınan genler, Sapria‘nın devasa genomunun yalnızca önemsiz bir kısmını temsil ediyor. Büyük çoğunluğu, yer değiştirebilir öğeler (transpozonlar veya “zıplayan genler” olarak da bilinir) adı verilen DNA dizilerinin kopyalarından oluşur. Sackton, “Bu bitkinin genomunun %90’ı tekrar eden elementlerden oluşuyor” dedi.
Davis’in Sapria için bir taslak genom oluşturmak için bu kadar uzun süre mücadele etmesinin nedeni, aslında bu yüksek tekrar düzeyidir. Son on yıla kadar, genom dizileme teknolojileri, çok fazla ayırt edilemez, tekrarlayan dizili DNA tarafından kolayca engellendi. Sackton, “Her parçanın tamamen aynı şekilde olduğu, tamamen açık mavi bir gökyüzü bulmacası yapmaya çalışmak gibi,” dedi. “Bunu yapmanın bir yolu yok.”
Ancak Cai ve meslektaşları, çok daha uzun (ve dolayısıyla daha belirgin) DNA uzantılarını işleyebilen mevcut dizileme teknolojilerinden yararlanmayı başardılar. Buna rağmen, Sapria genomunun yalnızca %40’ı olduğunu tahmin ettiklerini yeniden oluşturabildiler – geri kalanı hala çok tekrarlıydı.
Louis’deki Donald Danforth Bitki Bilim Merkezi’nde Bitki Biyoloğu olan ve bitkilerde yer değiştirebilir elementlerin işlevlerini inceleyen Saima Shahid, yer değiştirebilir elementlerin bu bolluğunun çarpıcı olduğunu söylüyor. Dodderlerde görülenin yaklaşık iki katı. Ve bugüne kadar dizilenen diğer bitki parazitlerinde baskın elementler, önce RNA’ya kopyalanarak genom içinde hareket eden “retrotranspozonlar”dır. Bununla birlikte, Sapria çoğunlukla kendilerini tekrar tekrar kopyalayıp doğrudan genomun içine yapıştıran DNA transpozonlarıyla doludur. Shahid, “Bu çok ilginç ve sıra dışı bir şey,” dedi.
Ama neden Sapria‘da bu zıplama genlerinden bu kadar çok var? Henüz kimse emin değil ancak cevap parazit genomik anlayışımızı değiştirebilir.
Transpoze edilebilir öğeler “bencil” genler olarak kabul edilir; işgal ettikleri genom pahasına bile çoğalırlar. Bu nedenle, konak genomları genellikle ekspresyonlarını dizginler. Shahid, “Çoğu zaman susturulmak için hedef alınırlar” dedi. Görünüşe göre ya düzenleme Rafflesiaceae’de bir şekilde ters gitti ya da parazitler bu elementlerin etrafta dolaşmasına izin vererek bir miktar fayda sağlıyor.
Cai, Davis ve Sackton; transpozonların aşırı bolluğunun, bu parazitlerin yol açtığı izole yaşamların bir sonucu olduğuna dair bir önseziye sahipler. Rafflesiaceae yalnızca Tetrastigma asmalarını istila ettiğinden, her bir asma yaması pratik olarak parazit sakinlerini izole eden bir çöl adasıdır. Kısıtlı büyümeye ve dışarıdan çok az gen akışına sahip küçük popülasyonlarda, daha az yararlı olan genetik özellikler, tamamen şans eseri daha yaygın hale gelebilir. Cai; “Bu, yer değiştirebilir öğelerin zararlı kopyalarının bile ‘zaman içinde biriktiği’ anlamına gelebilir, ta ki siz bu son derece atipik gen yapılarına sahip olana kadar” dedi.
Başka bir olasılık da parazitlerin zıplayan genlerinin zıplamasını engelleyememesidir. Bu elementlerden bazıları ev sahiplerinden geldi ve parazitin genetik mekanizması onları hemen tanıyıp susturamayacak kadar farklı olabilir. Sackton, “Temelde istilacı bir tür gibi,” dedi.
Ayrıca, parazitlerin ne kadar genetik materyal elde ettikleri göz önüne alındığında, gereksiz DNA’nın ekstra yüküne karşı toleranslarını artıran adaptasyonlar geliştirmiş olabilirler. Bu nedenle onları bu zıplayan genlerden kurtarmak için yeterli seçilim baskısı yoktur.
Ancak Shahid’e göre, bu kadar çok düzene girme belirtisi gösteren bir genomun – genlerin kaybı, genler içindeki kodlamayan diziler ve tüm bir plastid genomu ile – genomik ölü ağırlık konusunda bıkmış olması mantıklı değil. Daha da kötüsü, yeri değiştirilebilir öğeler tehlikelidir: “Onları susturmak için çok fazla enerji harcamanız gerekir,” dedi, “yoksa her şeyi yerle bir ederler.” Bu transpozonların parazit için bir şeyler yapma olasılığının daha yüksek olduğunu düşünüyor. Peki soru ne?
Varlıkları, çalınan tüm bu genlere bağlı olabilir. Shahid, transpozonların sıçradığında, genellikle yanlarında yakındaki DNA parçalarını getirdiklerini açıkladı. “Bu yer değiştirebilir elementler, gen parçalarını taşımalarına ve sonra onları kendi genomlarına yerleştirmelerine yardımcı olabilir” dedi.
Transpozonlar, parazitin hayatta kalması için ihtiyaç duyduğu yatay gen transferlerini yürüten motorlar olabilir. Örneğin, parazitlerin konağın bazı önemli gen düzenleyicilerini çalmasına yardımcı olabilirler.
Nature’da 2018’de yayınlanan bir makalede, Shahid ve meslektaşları; tarla dodderleri olarak adlandırılan parazitik bitkilerin, küçük mikroRNA moleküllerini, konakçının bazı genleri için “kapalı” sinyaller olarak çevreleyen konakçı hücrelere ihraç ettiğini gösterdi – muhtemelen, müdahale edecek savunmaları kapatmak için. Bu mikroRNA kontrolleri, sıçrayan bir genin yardımıyla parazite girmiş olabilir. (Bununla birlikte, Sapria ve akrabalarının uyku evrelerinde mikroRNA ihraç edip etmediklerini henüz kimse araştırmadı.)
Transpozonlar, gen düzenlemesini başka şekillerde etkileyebilir. Örneğin, intronlara yerleştirildiklerinde, bir genin ifadesini geliştirebilirler veya inhibitörlere geni kapatmaları için rehberlik edebilirler. Sapria‘da, tüm intronların uzunluğu azaltılmadı. Bazıları yaklaşık 100 kilobaza genişletildi. Bu da onları herhangi bir bitkiden bilinen en uzun intronlar yapıyor. Ve tüm genişletmelerin %74’ünden yeri değiştirilebilen öğeler sorumludur.
Shahid, yer değiştirebilen elementlerin genom parçalarının da hareket etmesine neden olabileceğini ve bunun da tehlikeli bir şekilde istikrarı bozabileceğini – ancak aynı zamanda gen kopyalanmasına ve yeniliğe yol açabileceğini söyledi. Bu, parazitlerin ev sahiplerinin savunmalarından bir adım önde olmalarına yardımcı olabilir. Transpozonlar, Rafflesiaceae’nin bazı benzersiz özelliklerinden de sorumlu olabilir. Molina, “büyük çiçeklerle bir ilgileri” olup olmadığını merak etmeye başladı.
Daha fazla bilgi olmadan, Rafflesiaceae’deki yer değiştirebilir elementlerin büyük önbelleğinin ne kadarının işlevsel olduğunu ve ne kadarının sadece genomik karmaşa olduğunu söylemek imkansız. Shahid, tüm bunların temeline inmenin bir yolunun, farklı türden yer değiştirebilir elementlerin diğer genomik özelliklerle ilişkili olarak nerede oturduklarına daha yakından bakmak olabileceğini söyledi. Bu, elementlerin gen ifadesinde önemli roller oynayıp oynamadığını ortaya çıkarmaya yardımcı olabilir. Ayrıca, genomdaki potansiyel işlevlerine dair ipuçları da verebileceğinden, bu yer değiştirebilir öğelerin ifade edilip edilmediğini (veya daha büyük olasılıkla ne zaman) görmek istiyor.
Merak Geliştirmek
Bu çiçek tuhaflıkları hakkında daha fazla araştırma, bize plastidlerden sıçrayan genlere kadar her şey hakkında çok şey öğretebilir ancak bitkilerin kıtlığı, bu soruları araştırmayı çok daha zorlaştırıyor. Molina, onları bulmanın genellikle tehlikeli ormanların derinliklerinde saatlerce yürüyüş yapmayı gerektirdiğini açıkladı. Filipinler’de, silahlı isyancıların sık sık saklandığı ormanlarda bulunuyorlar – “Güvenli olduğundan emin olmak için bir belediye başkanıyla koordinasyon yapmalıyız” dedi. Zahmetli saha çalışmaları bir yana, bu çiçeklerin yetiştiği ülkeler, kısmen bitkilerin kritik derecede tehlike altında olması nedeniyle, genellikle ihracatlarını kısıtlıyor.
Nadir bulunmaları nedeniyle Molina, bu parazitleri ve ev sahibi sarmaşıkları yurt içinde yetiştirmek için Washington, D.C.’deki Birleşik Devletler Botanik Bahçesi ile birlikte çalışıyor. Onları Washington’da büyümeleri ve çiçek açmaları için ikna etmek onları halkın gözüne sokacaktır ve insanların onları şahsen görmelerine izin vermenin koruma çabalarına yardımcı olacağını ve çok daha ayrıntılı araştırmalara olanak sağlayacağını düşünüyor. Ancak şimdilik, bitkilerin ne olabileceği tanımını genişleten bu parazitler sırlarını saklıyorlar. [1]DNA of Giant ‘Corpse Flower’ Parasite Surprises Biologists[2]Öne çıkarılan görsel
[cite]
Kaynaklar ve İleri Okuma
| ↑1 | DNA of Giant ‘Corpse Flower’ Parasite Surprises Biologists |
|---|---|
| ↑2 | Öne çıkarılan görsel |
