Υπάρχει εκπληκτική ποικιλομορφία στον αριθμό των λουλουδιών που παράγονται από καθένα από τα 2.800 περίπου είδη φυτών της οικογένειας των νυχτολιθικών, η οποία περιλαμβάνει οικονομικά σημαντικές καλλιέργειες όπως οι ντομάτες, οι πιπεριές και οι πατάτες. Ορισμένα νυχτολούλουδα, όπως το πιπέρι, παράγουν ένα μόνο λουλούδι, ενώ άλλα, όπως οι ντομάτες, δημιουργούν κλαδιά που φέρουν πολλαπλά άνθη.
Γιατί οι δραματικές διαφορές μεταξύ τέτοιων στενά συγγενών ειδών; Ενώ η ανάπτυξη μεμονωμένων λουλουδιών είναι καλά κατανοητή, δεν είναι σαφές ποιοι μηχανισμοί ελέγχουν πόσα κλαδιά θα παράγει ένα φυτό και πόσα άνθη θα αναπτυχθούν από κάθε κλαδί.
Ο αναπληρωτής καθηγητής Zachary Lippman και μια ομάδα επιστημόνων στο Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) χρησιμοποίησαν αλληλουχία RNA για να εντοπίσουν ένα δίκτυο εκατοντάδων γονιδίων που συνεργάζονται για να καθορίσουν τη διάρκεια ενός κρίσιμου παραθύρου για την ανάπτυξη του στελέχους κύτταρα στα φυτά που δημιουργούν άνθη. Όσο περισσότερο αυτό το παράθυρο παραμένει ανοιχτό, τόσο περισσότερα βλαστοκύτταρα αναπτύσσονται και τόσο περισσότερα άνθη και κλαδιά μπορούν να αναπτυχθούν.
Η ομάδα απέδειξε επίσης ότι η εξάλειψη της δραστηριότητας τριών συγκεκριμένων γονιδίων σε αυτό το δίκτυο από φυτά τομάτας -γονίδια των οποίων η ενεργοποίηση συνήθως οδηγεί στην παραγωγή πολλών λουλουδιών- έχει ως αποτέλεσμα φυτά που παράγουν μόνο ένα ή δύο άνθη.
"Η Evolution εκμεταλλεύτηκε την ευελιξία του προγράμματος ανάπτυξης του φυτού προκειμένου να δημιουργήσει μια αξιοσημείωτη ποικιλομορφία στην παραγωγή λουλουδιών", λέει ο Lippman.
Η παραγωγή λουλουδιών είναι εξαιρετικά σημαντική σε όλες τις καλλιέργειες, χρησιμεύοντας ως βάση για την παραγωγή φρούτων και σπόρων. Ωστόσο, υπάρχει σημαντική διακύμανση μεταξύ ακόμη και στενά συγγενών ειδών, τόσο στον αριθμό των διακλαδώσεων που παράγουν λουλούδια, γνωστές ως ταξιανθίες, όσο και στον αριθμό των λουλουδιών που φυτρώνουν από κάθε ταξιανθία.
Τα άνθη προέρχονται από βλαστοκύτταρα που βρίσκονται στις άκρες των βλαστών σε δομές που μοιάζουν με θόλο που ονομάζονται μεριστώματα. Μέχρι τώρα, οι μοριακές αλλαγές στο μερίστωμα που καθορίζουν το μοτίβο ανθοφορίας ενός φυτού παρέμεναν μυστήριο, κυρίως επειδή τα είδη που παρουσιάζουν δραματική ποικιλία ταξιανθίας, όπως τα νυχτοκάμαρα, δεν είναι διασταυρούμενα συμβατά μεταξύ τους. Αυτό σημαίνει ότι τα παραδοσιακά πειράματα διασταύρωσης δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον εντοπισμό των υπεύθυνων γονιδίων.
Για να ξεπεράσουν αυτό το εμπόδιο, ο Lippman και οι συνεργάτες του, συμπεριλαμβανομένου του αναπληρωτή καθηγητή της CSHL, Michael Schatz, χρησιμοποίησαν αλληλουχία RNA σε μια προσέγγιση συγκριτικής γονιδιωματικής για να εξετάσουν πώς αλλάζουν οι δραστηριότητες χιλιάδων γονιδίων κατά τη διάρκεια του κρίσιμου παραθύρου ωρίμανσης του μεριστώματος στο πέντε είδη νυχτολούλουδου.
Η ομάδα εξέτασε σχεδόν 20.000 γονίδια στα πέντε είδη. Από αυτά, ένα δίκτυο περίπου 300 γονιδίων ενεργοποιήθηκε και απενεργοποιήθηκε κατά τη διαδικασία ωρίμανσης. Στη συνέχεια, οι ερευνητές παρακολούθησαν τη δραστηριότητα αυτών των γονιδίων κατά τη διάρκεια διαφορετικών χρονικών περιόδων εντός του κρίσιμου παραθύρου.
Όπως αναφέρουν σήμερα στο περιοδικό Genome Research, σε φυτά με απλές ταξιανθίες που παράγουν ένα μοναχικό λουλούδι σε κάθε ταξιανθία, ένα υποσύνολο των 300 γονιδίων ενεργοποιείται κατά τα αρχικά στάδια στο κρίσιμο παράθυρο. Σε φυτά με πιο σύνθετες ταξιανθίες, το ίδιο σύνολο γονιδίων ενεργοποιείται λίγο αργότερα, επεκτείνοντας το παράθυρο και αφήνοντας περισσότερο χρόνο για να σχηματιστούν επιπλέον πληθυσμοί βλαστοκυττάρων. Αυτοί οι πληθυσμοί με τη σειρά τους δημιουργούν περισσότερα κλαδιά και περισσότερα άνθη. Σε ένα φυτό διατροφής όπως η ντομάτα που παράγει πολύανθες ταξιανθίες, αυτό έχει ως αποτέλεσμα υψηλότερη απόδοση.
"Υπάρχει μια συνέχεια πολυπλοκότητας ταξιανθιών που προέρχεται από ανεπαίσθητες αλλαγές στα χρονοδιαγράμματα ωρίμανσης σε στενά συνδεδεμένα νυχτικά", λέει ο Lippman.
Αν και η ομάδα του μελέτησε φυτά νυχτολούλουδου, ο Λίπμαν πιστεύει ότι η ανακάλυψη θα είναι μια βασική αρχή που θα εξηγήσει την ποικιλομορφία σε διαφορετικές οικογένειες φυτών, συμπεριλαμβανομένων των χόρτων όπως το καλαμπόκι, το ρύζι και το σιτάρι. Δεδομένου ότι αυτά τα χόρτα αποτελούν πολλές από τις κορυφαίες βασικές τροφές στον κόσμο, η ανακάλυψη θα μπορούσε να έχει ιδιαίτερα ισχυρές επιπτώσεις.
Οι ερευνητές ήθελαν να μάθουν ποια συγκεκριμένα γονίδια εμπλέκονται σε αυτή τη διαδικασία. Η φύση της ανάλυσης γονιδιακής έκφρασης της ομάδας κατέστησε αδύνατο τον εντοπισμό ενός γονιδίου ή μιας ομάδας γονιδίων. Παρατήρησαν, ωστόσο, ότι μεταξύ των εκατοντάδων γονιδίων στο δίκτυο ήταν μια οικογένεια τριών γονιδίων, που ονομαζόταν BLADE-ON-PETIOLE (BOP), που η ομάδα είχε ανακαλύψει ότι συνεργαζόταν με ένα προηγουμένως μελετημένο γονίδιο ωρίμανσης που ονομάζεται TMF και διασφαλίζει τα φυτά τομάτας παράγει πολλά άνθη σε κάθε ταξιανθία. Αυτά τα γονίδια BOP ήταν από καιρό γνωστό ότι παίζουν ρόλο στην ανάπτυξη των φυτών, αλλά λίγα είχαν αποδειχθεί σχετικά με τη σημασία αυτών των γονιδίων στην παραγωγή λουλουδιών.
Όπως ανέφεραν στο Genes and Development τον Σεπτέμβριο, η ομάδα του Lippman χρησιμοποίησε μια ισχυρή και ακριβή τεχνική επεξεργασίας γονιδίων που ονομάζεται CRISPR για να δημιουργήσει μεταλλάξεις σε καθένα από τα γονίδια BOP από ένα φυτό ντομάτας. Αξιοσημείωτο είναι ότι όταν και τα τρία γονίδια μεταλλάχθηκαν, οι ταξιανθίες των φυτών τομάτας παρήχθησαν μόνο ένα ή δύο άνθη.
Τα γονίδια BOP κωδικοποιούν πρωτεΐνες που ονομάζονται μεταγραφικοί συμπαράγοντες που ελέγχουν την έκφραση άλλων γονιδίων. Ο Lippman λέει ότι αυτοί οι παράγοντες πιθανόν ενεργοποιούν συγκεκριμένα γονίδια κατά τη διάρκεια της φυσιολογικής ανάπτυξης για να καθυστερήσουν την ωρίμανση του μεριστώματος, επεκτείνοντας ουσιαστικά το κρίσιμο παράθυρο στο οποίο ένα φυτό μπορεί να παράγει λουλούδια.
Ο Lippman πιστεύει ότι μπορεί να είναι δυνατό να τροποποιηθεί το δίκτυο των 300 γονιδίων, συμπεριλαμβανομένων των γονιδίων BOP, για τον χειρισμό της διαδικασίας ωρίμανσης του μεριστώματος και ως εκ τούτου τον έλεγχο των μοτίβων ανθοφορίας πολλών τύπων φυτών.
"Θα μπορούσατε να συντονίσετε τη διαδικασία ωρίμανσης, ας πούμε έτσι, σαν ένα καντράν σε ένα ραδιόφωνο για έλεγχο της έντασης", λέει ο Lippman.
Αλλά το ανέβασμα του καντράν μέχρι το τέρμα για την παραγωγή όσο το δυνατόν περισσότερων λουλουδιών μπορεί να έχει μπούμερανγκ, προειδοποιεί. Ένα φυτό που μετατοπίζει ξαφνικά τους πόρους του για να δημιουργήσει σβώλους λουλουδιών θα έχει λίγη ενέργεια για να φτιάξει φύλλα, καρπούς και σπόρους, τα οποία είναι απαραίτητα για την ανάπτυξη και την αναπαραγωγή.
"Ένα ωραίο παράδειγμα αυτού που έχουμε ήδη δείξει είναι ότι μπορούμε να μεταλλάξουμε ένα γονίδιο σε φυτά τομάτας και να έχουμε εξαιρετικά διακλαδισμένες ταξιανθίες με εκατοντάδες λουλούδια", λέει ο Lippman. "Ωστόσο, αποδίδουν ελάχιστα επειδή αυτά τα λουλούδια απλώς δεν δίνουν καρπούς."
"Αν η εξέλιξη έχει δείξει ότι είναι δυνατό να βρεθεί το σημείο Goldilocks στα άγρια φυτά", προσθέτει ο Lippman, "τότε σημαίνει ότι θα πρέπει επίσης να είμαστε σε θέση να επιτύχουμε το ίδιο γλυκό σημείο στις καλλιέργειες και πιστεύουμε ότι η επεξεργασία γονιδίων είναι ο δρόμος για την επίτευξη αυτού του σημαντικού στόχου."
