Migracja genów

Materiał genetyczny może mieszać się w przyrodzie dzięki różnym mechanizmom. Jednym z najbardziej skutecznych jest rozmnażanie płciowe: dwie gamety, niosące różne zestawy genów, po połączeniu dają nowy, częściowo różny od rodziców organizm. Różnorodność genetyczna ułatwia osobnikom i całym populacjom radzenie sobie z zagrożeniami – dlatego płeć jest tak popularna w przyrodzie. Ale to nie jedyny sposób mieszania ­genów.

Wśród bakterii, których ewolucja nie wyposażyła w płeć, może dojść np. do wchłonięcia DNA współtowarzyszy, z którymi tworzą skomplikowaną, przestrzenną strukturę. Mowa o biofilmie – mikrobiologicznej twierdzy złożonej z bakterii oraz produkowanych przez nie substancji, ułatwiającej ochronę przed działaniem komórek układu odpornościowego i antybiotyków. Tego typu zachowanie obserwujemy m.in. u bakterii dwoinki zapalenia płuc.

Jednak co do zasady przepływ genów nie ma ograniczeń gatunkowych. Bakterie gronkowca złocistego żyją czasem w towarzystwie bakterii paciorkowca kałowego. Badania dowodzą, że drugi z tych mikrobów może przejąć od pierwszego plazmid – niewielką cząsteczkę DNA występującą poza jądrem komórkowym. W ten sposób paciorkowiec może uzyskać np. geny oporności na tetracyklinę, jeden z szeroko stosowanych antybiotyków. Proces przeniesienia plazmidu odbywa się poprzez specjalne wypustki.

Opisane zjawiska określane są jako poziomy transfer genów (transfer pionowy to przekaz informacji genetycznej z rodziców na potomstwo). Może on zachodzić nawet między gatunkami należącymi do różnych królestw. Np. drożdże piekarskie pozyskały od bakterii gen enzymu zwanego ­arylosulfatazą, który ułatwia tym grzybom przyswajanie siarki. Przepływ genów stwierdzono także na osi grzyby–owady. Mszyce grochowe uzyskały w ten sposób zdolność do wytwarzania torulenu – związku dającego im czerwony kolor – dzięki czemu łatwiej im unikać ataków pasożytniczych os (które ogłuszają swoje ofiary i składają w ich ciałach jaja).

Absolutnymi rekordzistkami gromadzenia „obcego” DNA są aseksualne wrotki – mikroskopijne organizmy zaliczane do zwierząt. Aż 8 proc. ich genomu pochodzi od bakterii. Jednak to nie one skupiają dziś na sobie największą uwagę badaczy, lecz pewien uciążliwy dla rolników owad, u którego odkryto gen pozyskany od rośliny – ­takiego transferu nigdy wcześniej nauka nie odnotowała.

Wyścig zbrojeń

Migrujący materiał genetyczny może odgrywać ważną rolę w wyścigu zbrojeń, jaki prowadzą między sobą, często od milionów lat, organizmy należące do różnych grup taksonomicznych. Taki wyścig obserwujemy np. między owadami i zjadanymi przez nie roślinami. Dobrym przykładem jest pozyskanie przez chrząszcza H. hampei genu jednego z drobnoustrojów, który zwiększył u tego owada możliwość wykorzystania składników odżywczych z trudno przyswajalnego źródła, jakim jest ściana komórkowa roślin.

Rośliny, by zabezpieczyć się przed zjedzeniem, tworzą toksyczne molekuły. Jedne z najważniejszych należą do związków fenolowych. W literaturze naukowej opisano dużo przykładów ich negatywnego wpływu na liczebność wielu grup owadów roślinożernych (m.in. motyli, chrząszczy, pluskwiaków czy muchówek) spotykanych na produkujących je roślinach. Należące do tej grupy związków glikozydy fenolowe oddziałują negatywnie na rozwój, wzrost i zachowanie insektów. Przykładowo, te obecne w liściach wierzby mają właściwości odstraszające chrząszcze – i są niebezpieczne zwłaszcza dla poczwarek.

Substancje z grupy glikozydów fenolowych nie wpływają jednak na komfort żerowania osobników należących do gatunku Bemisia tabaci – mączlika ostroskrzydłego, owada spokrewnionego z mszycami. Jest to dość niepozorny organizm. Samice mają około 1 mm długości, samce są jeszcze mniejsze. Po raz pierwszy zaobserwowano go w Grecji na liściach tytoniu – do czego nawiązuje jego łacińska nazwa – ale ma on znacznie więcej żywicieli. Znamy ich ponad 600 gatunków, a wśród nich są ważne dla ludzi rośliny uprawne – np. papryka, pomidor, ogórek, sałata czy hibiskus.

Problem niewrażliwości mączlika na toksyny tak wielu roślin od dawna interesuje naukowców. W opisanych na początku kwietnia w „Cell” badaniach ­Jixing Xia i współpracownicy porównali materiał genetyczny mączlika oraz innych, wrażliwych na glikozydy owadów i znaleźli interesującą różnicę. Był nią gen BtPMaT1, który posiadały wyłącznie odporne na glikozydy insekty. Stwierdzono, że umożliwia on produkcję enzymu prowadzącego do specyficznej modyfikacji toksyn, zwanej malonylacją. Polega ona na dodaniu do glikozydu odpowiedniej grupy chemicznej, za sprawą czego dochodzi do jego inaktywacji.

Dzięki skomplikowanym analizom badaczom udało się wykazać, że ten gen musi pochodzić od roślin – u których znajdujemy pokrewne geny. Nie jest jasne, w jaki sposób doszło do transferu. Prawdopodobnie zdarzyło się to ok. 35 mln lat temu i – jak w wielu przypadkach – transporterem genu był jakiś wirus, który posłużył jako bezpieczna kapsuła dla DNA. Gdy wirus namnażał się w komórkach rośliny, przypadkowo „zabrał” ze sobą wspomniany gen. Do praprzodka owada mógł trafić, gdy insekt posilał się zakażoną rośliną.

Zamiana ról

B. tabaci szkodzi roślinom na kilka sposobów. Po pierwsze, żywi się ich sokami. Po drugie, produkuje lepką substancję, która staje się wylęgarnią pleśni. A ona z kolei sprawia, że rośliny tracą liście. Ponadto sam owad może przenosić ponad sto wirusów roślinnych. W dodatku szybko uzyskuje odporność na stosowane opryski, dlatego trudno z nim walczyć.

Z ekonomicznego punktu widzenia mączlik jest niebezpiecznym szkodnikiem. Jego zdolności do lotu są ograniczone, ale wiatr pomaga mu się przemieszczać na duże obszary. Obecnie spotyka się go najliczniej w Afryce, Brazylii, Indiach oraz na południu Europy. Ok. 30 lat temu dotarł także do Polski. Ale pomimo jego udanych przystosowań, wkrótce mogą zacząć się dla niego ciężkie czasy. Chińscy badacze znaleźli bowiem sposób na to, by zdobytą wiedzę wykorzystać w praktyce – i ponownie uwrażliwić mączlika na toksyny.

Naukowcom udało się zademonstrować, że zmodyfikowane genetycznie rośliny produkują cząsteczkę, która zaburza produkcję „neutralizatora” toksyny u mączlika. Do przeprowadzenia tej modyfikacji wykorzystano bakterię ­Agrobacterium tumefaciens.

W normalnych warunkach wnika ona do uszkodzonych organów rośliny i przestawia jej metabolizm tak, żeby produkowała nieprzydatne dla rośliny, a cenne dla samej bakterii substancje. Bakterii ta sztuczka się udaje, ponieważ jest w stanie wprowadzić do rośliny fragment swojego materiału genetycznego. Naukowcy nauczyli się zastępować tę informację cząsteczką wyprodukowaną w laboratorium. Swój eksperyment przeprowadzili na pomidorach. Po ich zmodyfikowaniu wpuszczono na nie mączliki – większość z nich w krótkim czasie śmiertelnie się otruła. ©

STAROŻYTNY SOJUSZ

DO NAJWAŻNIEJSZEJ w dziejach migracji genów mogło dojść u zarania życia. Według powszechnie dziś uznawanej teorii endosymbiozy 2-3 mld lat temu przodkowie współczesnych eukariontów (organizmów posiadających materiał genetyczny w jądrze komórkowym) wchłonęli znacznie od nich mniejsze bakterie. Nie zostały one strawione, lecz zaczęły żyć ze swoimi gospodarzami w symbiozie. W nowym środowisku mogły się swobodnie rozmnażać, a za bezpieczeństwo płaciły produktami swojego metabolizmu, z których zaczęli korzystać gospodarze. Właśnie w ten sposób miało dojść do powstania organelli, takich jak ­mitochondria (będące ­komórkowymi „elektrowniami”) czy ­występujące u roślin ­chloroplasty (umożliwiające ­fotosyntezę).

KORZENIE TEJ TEORII sięgają przełomu XIX i XX w., ale na dobre do nauki wprowadziła ją biolożka Lynn ­Margulis, która w latach 60. przedstawiła przekonującą ­argumentację. Zwróciła uwagę m.in. na to, że wspomniane organelle swoim wyglądem ­przypominają specyficzne bakterie i wyposażone są we własny materiał ­genetyczny – podobny do bakteryjnego. Te geny dziedziczone są niezależnie od DNA jądrowego (u organizmów płciowych zdecydowana ich większość pochodzi od matki).

NIEWYKLUCZONE, że także inne organelle miały podobne początki, a w toku ewolucji ­przeniosły swoje geny do jądra komórkowego. Niektórzy badacze ­twierdzą, że samo jądro pojawiło się u ­eukariontów na drodze ­endosymbiozy. ©℗ ŁK