Der Ursprung der weltweit begehrtesten Pflanze

Es gibt wenige Pflanzen, die einen so großen Einfluss auf die Menschheitsgeschichte hatten wie der Schlafmohn, Papaver Somniferium. Es wurde seit Tausenden von Jahren kultiviert und angebaut, und die Pflanze war Mitte des 19. Jahrhunderts der Auslöser eines ganzen Krieges. Hunderttausende Menschen nutzen die Pflanze wegen ihrer schmerzstillenden Eigenschaften, und einige sind der Suchtgefahr erlegen. [1] Eine gute Frage wäre jedoch, warum der Schlafmohn diese schmerzstillenden Chemikalien produziert. Welchen Zweck hat es und wie kam es dazu? Derzeit gibt es keine bio-synthetischen Alternativen zu den in der Mohnblume gefundenen Benzylisochinolin-Alkaloiden (BIAs). Daher könnten weitere Informationen zu deren Herstellung hilfreich sein. [2] Vor kurzem wurde im Science Magazine ein neuer Artikel veröffentlicht, der diese Frage beleuchtet und eine evolutionäre Antwort liefert.

Die Studie ergab, dass die Umlagerung des Genoms für die Entwicklung des BIO-Metabolismus im Schlafmohn von entscheidender Bedeutung war. Es gibt einen komplexen Gencluster, der für viele der für die Produktion von Morphin und Noscapin benötigten Enzyme kodiert, und es gibt Hinweise darauf, dass Genduplikation, Fusion und Umlagerung zur Bildung dieses Clusters führten. Aber welche Schritte waren notwendig, um diese Ergebnisse abzuleiten? Sie mussten das Genom sequenzieren.

Das Genom von Papaver Somniferium ist sehr groß und recht komplex, so dass verschiedene Strategien zur Analyse des Genoms einbezogen wurden. Es wurden die Sequenzierungstechnologien Illuminated Paired End und Mate-Pair, genomisch verknüpfte Reads und pazifische Biosciences Long Read-Sequenzierung verwendet. [2] Oxford Nanopore und Illumina Sequenzierung bakterieller künstlicher Chromosomen wurden ebenfalls zur Qualitätsprüfung eingesetzt. [2] Die Ergebnisse dieser Sequenzierungsmethoden sind in der nachstehenden Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1 [2]

Aus den Sequenzierungsdaten konnten die Wissenschaftler mithilfe einer Synteny-Analyse feststellen, dass ein relativ neues genomweites Duplizierungsereignis aufgetreten ist. [2] Die Synteny-Analyse ist im Grunde die, wenn beobachtet wird, wenn die Gene in verschiedenen verwandten Arten beide gleichzeitig lokalisiert sind, und dann diese Beobachtungen verwenden kann, um Informationen über die Art zu ermitteln. [3] In diesem Fall wurde die Synteny-Analyse zwischen P. somniferium und einer Vielzahl anderer Spezies durchgeführt, deren Ergebnisse in Abbildung 1 zu sehen sind. Die Abbildung zeigt einen großen Genom-Duplikationspeak und einen geringfügigen segmentalen Duplikationspeak weist darauf hin, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt ein genomweiter Duplizierungsereignis stattgefunden hat. [2]

Abbildung 1 [2]

Wann kam es dann zu einem Duplizieren des gesamten Genoms? War es neu oder ist es mit einigen Pflanzenarten der Vorfahren passiert, die nicht P. somniferium waren? Um dies herauszufinden, verwendeten die Wissenschaftler OrthoFinder und BEAST zur Analyse von 48 Orthologen über 11 eng verwandte Angiosperm-Arten. [2] Diese Analyse ermöglichte es ihnen, eine Phylogenese zu erstellen, die feststellte, wann die Angiosperm-Spezies auseinander zogen und wo wahrscheinlich das gesamte Genom-Duplikationsereignis stattgefunden hatte. Diese erzeugte Phylogenie ist in Abbildung 2 zu sehen und zeigt, dass das gesamte Genomvervielfältigungsereignis vor etwa 7,8 Millionen Jahren lag, nachdem P. somniferium von den anderen Spezies abweicht.

Abbildung 2. [2]

Welcher Teil des P. somniferium-Genoms ist für die BIA-Produktion verantwortlich? Dies wurde durch einfaches Betrachten der zuvor durchgeführten Genomanalyse festgestellt, und sie konnten alle Gene finden, die mit der BIA-Produktion assoziiert waren. Sie fanden heraus, dass der Noscapin-Gencluster, die Gene, die für die Produktion des Morphinan-Alkaloid Thebain verantwortlich sind, und die Gen-Fusion von (S) mit (R) -Reticulin (STORR) auf Chromosom 11 in derselben Region lagen. [2 ] Diese Region wird als BIA-Gencluster bezeichnet. Dieses Gencluster enthält keines der anderen Gene, die mit der BIA-Produktion assoziiert sind, und keines dieser anderen Gene befindet sich in anderen Clustern. [2] Der Mechanismus der BIA-Produktion ist in Abbildung 3 zu sehen, die grün hervorgehobenen sind im BIA-Cluster zu finden.

Abbildung 3 [2]

Nun, da wir den BIA-Cluster identifiziert haben, wie sieht seine Entwicklungsgeschichte aus? Um diese Frage zu beantworten, verwendeten die Wissenschaftler MCScanX, um eine Synteny-Analyse durchzuführen, um Orte zu finden, die eine enge Homologie zum BIA-Cluster aufweisen. [2] Diese Analyse ergab, dass die Blöcke mit dem höchsten Rang für die Noscapin-Zweiggene nur eine entfernte Homologie aufwiesen, während die Blöcke mit dem höchsten Rang für den Morphinan-Pfad eine enge Homologie aufwiesen und sich auf dem nicht platzierten Gerüst 21 befanden Der syntenische Block beruht auf einer Duplikation, die gleichzeitig mit dem Duplizierungsereignis des gesamten Genoms auftritt. [2] Dies wurde durch Ks und Aminosäureidentität von syntenischen Genpaaren gefunden. [2]

Die Genfamilienanalyse im STORR-Teil des BIA-Clusters ergab weitere interessante Informationen. Sie fanden heraus, dass die nächstgelegenen Paralogs für die beiden Teile der STORR auf Chromosom 2 lagen und einen Abstand von 865 bp hatten. [2] Was zeigt diese Trennung an? Dies bedeutet höchstwahrscheinlich, dass das STORR-Gen durch die Fusion der beiden Teile gebildet wurde. Wie konnte das passieren? Die wahrscheinlichste Erklärung ist, dass das Gen dupliziert wurde und dann ein Deletionsereignis auftrat, bei dem 865 bp entfernt wurden, wodurch die beiden Teile des Gens getrennt wurden.

Wann bildete sich der BIA-Gencluster? Durch eine phylogenetische Analyse konnte gezeigt werden, dass STORR und die anderen Teile des BIA-Clusters vor der Verdoppelung des gesamten Genoms auftauchten. [2] Die wahrscheinliche Reihenfolge der Ereignisse ist also, dass der BIA-Cluster aufgebaut wurde und dann das Genomverdopplungsereignis eintrat. Sobald dies geschehen war, wurden die beiden Teile der STORR durch eine Art Deletion miteinander verbunden. Dennoch stellt sich die Frage, warum sich der BIA-Gencluster gebildet hat. Die plausibelste Erklärung ist, dass es einen starken Selektionsdruck gab, der die am Prozess der Clusterbildung der BIA-Produktion beteiligten Gene begünstigte.

Warum sind nicht auch die anderen Gene, die an der BIA-Produktion beteiligt sind, Teil des Clusters? Im Fall der Gene, die für das Berberin-Brückenenzym (BBE) und Tetrahydroprotoberberin-N-Methyltransferase (TNMT), Proteine, die an der Biosynthese von Noscapin beteiligt sind, kodieren, gibt es eine Antwort. [2] BBE und TNMT werden auch für die Sanguinarin-Biosynthese verwendet und nicht nur für die Noscapin-Biosynthese. [2] Dieser Weg ist in Abbildung 4 dargestellt. Sanguinarin wird vorwiegend in Wurzelgeweben verwendet, während die Noscapin-Biosynthese in Wurzelgeweben verwendet wird. [2] Möglicherweise gab es bei den für BBE und TNMT kodierenden Genen Selektionsdrücke, aufgrund der Verwendung des Sanguinarin-Signalwegs in anderen Anlagenteilen nicht zum Gencluster zu gehören.

Abbildung 4 [4]

Zusammenfassend hat diese kürzlich durchgeführte Studie gezeigt, dass die Umlagerung des Genoms für die Entwicklung des BIA-Metabolismus im Schlafmohn von Bedeutung ist. Bei der Bildung dieses Stoffwechsels spielten viele Faktoren eine Rolle, und die Daten deuten darauf hin, dass in der Geschichte des Schlafmohns in letzter Zeit mindestens ein Duplikat des gesamten Genoms vorlag.

ZITATIONEN

  1. "Cannabis, Coca & Poppy: Die süchtig machenden Pflanzen der Natur." DEA Museum. N.p., n. D. Netz.
  2. Guo, Li, Thilo Winzer, Xiaofei Yang, Yi Li, Zemin Ning, Roxana Teodor, Ying Lu, Tim Bowser, Ian A. Graham und Kai Ye "Opium Poppy Genome und Morphinan Production". Wissenschaft. Amerikanische Vereinigung zur Förderung der Wissenschaft, 19. Oktober 2018. Web.
  3. Liu, Dang, Martin Hunt und Isheng J. Tsai. „Synteny zwischen Genomassemblies ableiten: eine systematische Bewertung.“ BMC Bioinformatics. BioMed Central, 30. Januar 2018. Web.
  4. Desgagné-Penix, Isabel, Morgan F. Khan, David C. Schriemer, Dustin Cram, Jacek Nowak und Peter J. Facchini. "Die Integration von tiefen Transkriptom- und Proteomanalysen zeigt die Komponenten des Alkaloid-Metabolismus in Opiummohnzellkulturen." BioMed Central, 18. November 2010. Web.