כמה צמחים טפילים גונבים חומר גנטי מהצמחים המארח שלהם ומשתמשים בגנים הגנובים כדי לשאוב בצורה יעילה יותר את חומרי המזון של המארח. מחקר חדש בראשות חוקרים מ-Penn State ו-Virginia Tech חושף כי הצמח הטפילי גנב כמות גדולה של חומר גנטי מהמארחים שלו, כולל למעלה מ-100 גנים פונקציונליים. הגנים הגנובים הללו תורמים ליכולתו של דודר להיצמד ולגנוב חומרים מזינים מהמארח ואפילו לשלוח נשק גנטי בחזרה אל הפונדקאי. המחקר החדש מופיע ב-22 ביולי 2019 בכתב העת Nature Plants.
"העברת גנים אופקית, תנועה של חומר גנטי מאורגניזם אחד לגנום של מין אחר, נפוצה מאוד בחיידקים והיא דרך מרכזית שבה חיידקים יכולים לרכוש עמידות לאנטיביוטיקה", אמר קלוד דפמפיליס, פרופסור לביולוגיה בפן סטייט ומחבר בכיר של המחקר. "איננו רואים הרבה דוגמאות להעברת גנים אופקית באורגניזמים מורכבים כמו צמחים, וכאשר אנו רואים זאת, לא נעשה שימוש בדרך כלל בחומר הגנטי המועבר. במחקר זה, אנו מציגים את המקרה הדרמטי ביותר הידוע של גן אופקי פונקציונלי. העברה שנמצאה אי פעם באורגניזמים מורכבים."
צמחים טפילים כמו השתמטות אינם יכולים לחיות בעצמם על ידי יצירת אנרגיה באמצעות פוטוסינתזה. במקום זאת, הם משתמשים במבנים הנקראים האוסטוריה כדי לנצל את אספקת המים וחומרי הזנה של צמח מארח. דודר עוטף את עצמו סביב הצמח המארח שלו, צומח לתוך רקמת כלי הדם שלו, ולעתים קרובות ניזון ממספר צמחים בו זמנית. הוא יכול לטפיל מינים רבים ושונים, צמחי בר וגם כאלה בעלי חשיבות חקלאית וגננית.
"צמחים טפילים חיים באופן אינטימי מאוד בקשר עם המארח שלהם, ומפיקים חומרים מזינים", אמר דפמפיליס. "אבל הם גם מקבלים חומר גנטי בתהליך, ולפעמים הם משלבים את החומר הזה בגנום שלהם. מחקרים קודמים התמקדו בגנים מועברים בודדים. כאן, השתמשנו במערך נתונים בקנה מידה של גנום על ביטוי גנים כדי לקבוע אם הכמות הגדולה של החומר הגנטי מגיעה למעשה נעשה שימוש בהעברת גנים אופקית."
צוות המחקר זיהה 108 גנים שנוספו לגנום של דודר על ידי העברת גנים אופקית וכעת נראה שהם מתפקדים בטפיל, תורמים למבנה האוסטוריה, לתגובות ההגנה ולמטבוליזם של חומצות אמינו. גן אחד גנוב אפילו מייצר מקטעים קטנים של RNA הידועים כמיקרו RNAs הנשלחים חזרה לצמח המארח, ופועלים ככלי נשק שעשוי למלא תפקיד בהשתקת גנים להגנה מארח.
הצוות השתמש בקריטריונים קפדניים כדי לקבוע אם החומר הגנטי הגנוב עשוי להיות פונקציונלי: הגנים היו צריכים להיות באורך מלא, הם היו צריכים להכיל את כל החלקים הדרושים של גן, הם היו צריכים להיות משועתקים לתוך רצף RNA שמאוחר יותר בונה חלבונים, והם היו צריכים לבוא לידי ביטוי במבנים רלוונטיים.הצוות גם חקר את האבולוציה של הגנים המועברים האלה כתמיכה נוספת בפונקציונליות.
"אנחנו משווים רצף גנטי של גן עם גנים קרובים, ומחפשים חתימה מיוחדת כיצד הרצף הזה מתפתח כדי לדעת אם סביר שהוא יתפקד", אמר דפמפיליס. "סוגים מסוימים של מוטציות בגן אינם משפיעים על החלבון שהגן מקודד לו ולכן אינם משפיעים על תפקוד הגן. כאשר אנו רואים כמויות גדולות של מוטציות מסוג זה, בניגוד למוטציות שעלולות לשנות או לשבש את תפקוד הגן., זוהי עדות חזקה לכך שהברירה הטבעית פועלת כדי לשמור על החלבונים שלמים ושימושיים."
שמונה עשר מתוך 108 הגנים מופיעים בכל מיני המשתמטים, מה שמצביע על כך שגנים אלה נגנבו במקור על ידי הצורה האבותית של השתמטות והם נשמרים במינים מודרניים.
"זו הפעם הראשונה שמחקר כלשהו ראה ראיות לכך שהעברת גנים אופקית התרחשה בשלב מוקדם של האבולוציה של קבוצה טפילית", אמר דפמפיליס."במקרה זה, 18 מהגנים הללו היו נוכחים באב הקדמון המשותף של כל המינים החיים, מה שאולי תרם להפצה מוצלחת של טפילים אלה."
הצוות זיהה גם 42 אזורים בגנום המשתמט שנראה שהם נובעים מהעברת גנים אופקית, אך אין להם גנים פונקציונליים כלשהם.
"מכיוון שכמות כה עצומה של חומר גנטי הגיעה דרך העברת גנים אופקית, אנו חושדים שהצמחים הטפילים אינם יכולים לסנן את מה שנכנס", אמר דפמפיליס. "אבל הברירה הטבעית עוזרת לשמור על הגנים השימושיים ולסנן את המקטעים הפחות שימושיים."
החוקרים חוקרים כעת כיצד בדיוק מועבר חומר גנטי ממארח לטפיל. הם גם רוצים לבדוק אם ההעברה הזו היא רחוב חד-סטרי, או אם המארח יכול להשיג חומר גנטי מהטפיל שלו.
"נשמח לדעת עד כמה העברת גנים אופקית נרחבת באמת," אמר דפמפיליס."הסתכלנו על רק אחד ממינים של משתמטים, שהוא רק אחד מתוך למעלה מ-4000 מינים של צמחים טפילים. האם העברת גנים אופקית של גנים פונקציונליים מתרחשת באותה מידה במינים אחרים? האם זה אפשרי בצמחים שאינם טפילים? בצמחים אחרים? אורגניזמים מורכבים? זה עשוי להיות קצה הקרחון."
בנוסף ל-dePamphilis, צוות המחקר כולל את הסופר הראשון Zhenzhen Yang, סטודנט לתואר שני בתכנית לתואר שני בביולוגיה צמחית בפן סטייט בזמן המחקר, וכן את חוקרי פן סטייט אריק וופולה, סאימה שהיד, פאולה ראלף, פראקש טימילסינה, וון-בין יו, אליזבת קלי, הוויטינג ג'אנג, תומס נייט פרסונאי, נעמי אלטמן ומיכל אקסטל; ג'ואל מקניל באוניברסיטת קנסאו סטייט; וחוקרי וירג'יניה טק גונג'ון קים והסופר המתכתב ג'יימס ווסטווד. עבודה זו מומנה בחלקה על ידי הקרן הלאומית למדע וארצות הברית ומשרד החקלאות. תמיכה נוספת ניתנה על ידי המכון הלאומי למזון וחקלאות, המחלקה לביולוגיה של פן סטייט ומכוני פן סטייט האק למדעי החיים.
