Duik mee in de opmerkelijke evolutie van zeegrassen
Een verhaal voor Internationale Darwin-dag
12 februari 2024
In 1859 werd 'Over de oorsprong der soorten' van Charles Darwin gepubliceerd. Dit wereldberoemde boek wordt gezien als de basis van de evolutionaire biologie. Het concept van evolutionaire aanpassingen door natuurlijke selectie zorgde niet alleen voor wetenschappelijk debat in de 19e eeuw, het inspireert onderzoekers nog steeds tot op de dag van vandaag. Yves Van de Peer, directeur van het VIB-UGent Centrum voor Planten Systeembiologie en groepsleider van het laboratorium voor Bio-informatica en Evolutionaire Genomica, doet onderzoek naar de evolutie van planten. In zijn laatste publicatie bestudeerde hij samen met een team van wetenschappers de evolutie van zeegras om te begrijpen hoe deze planten zich hebben aangepast aan een uiterst uitdagende omgeving. Om Darwin-dag te vieren, duiken we in dit onderzoek en leggen we uit waarom evolutionair onderzoek tot op de dag van vandaag belangrijk blijft.
De vreemde reis van zeegras
Je vraagt je misschien af waarom de evolutie van zeegras zo interessant is. Laten we hiervoor teruggaan in de tijd. Het leven op planeet Aarde begon in de zee, miljarden jaren geleden. Vanaf dat moment evolueerden organismen langzaam en migreerden naar zoetwater en land. Landplanten evolueerden ongeveer 450 miljoen jaar geleden uit zoetwateralgen, wat leidde tot de enorme diversiteit die we vandaag de dag zien: mossen, varens, coniferen, bloeiende planten en grassen.
Verbazingwekkend genoeg slaagden sommige planten zo'n 100 miljoen jaar geleden erin om, uit (slechts) drie onafhankelijke lijnen, terug naar de zee te migreren, wat uiteindelijk leidde tot de ongeveer 80 verschillende soorten zeegras die we vandaag de dag kennen. Om dit wat in perspectief te zetten: een migratie terug naar zoetwater vond meer dan 200 keer plaats, en tegenwoordig herkennen we duizenden zoetwaterplantensoorten. Dit betekent dat zeegras een uiterst zeldzame reeks aanpassingen moet hebben ondergaan om volledig ondergedompeld te kunnen overleven in uitdagende condities als een zeer zoute omgeving met chronische lichtbeperkingen, terwijl ze zich wortelen in grond met constant afnemend sediment onder aanzienlijke hydrodynamische krachten.
Hoe hebben ze dat gedaan?
Ondanks deze uitdagende nieuwe mariene omgeving, gedijen zeegrassen enorm goed! Tegenwoordig schatten we dat zeegras een gebied tussen de 600.000 km² en 1,6 miljoen km² bedekt, waardoor ze tot de meest wijdverspreide bloeiende planten behoren. Dit roept de vraag op: welke aanpassingen hebben deze planten ondergaan? En wat kunnen we hiervan leren?
Een team van 38 wetenschappers uit België, Nederland, Duitsland, de VS en Italië probeerde een antwoord te vinden op deze vragen. Professor Yves Van de Peer, directeur van het VIB-UGent Centrum voor Planten Systeembiologie, coördineerde de genoomsequenering en analyse van drie van de belangrijkste zeegrasoorten: het Mediterrane Neptunusgras (Posidonia oceanica), het wijdverspreide Kleine Neptunusgras (Cymodocea nodosa) en het Caribische Zeeschildpadgras (Thalassia testudinum). Ze bestudeerden het volledige genoom en bepaalden welke genenfamilies en biochemische pathways een rol spelen bij de structurele en fysiologische aanpassingen van zeegras aan mariene omgevingen. Ze vergeleken deze bevindingen met het genoom en de pathways van hun zoetwaterverwanten.
Het onderzoek onthulde dat de zeegras en zoetwaterzusterlijnen allemaal een voorouderlijke, complete genoomduplicatie ondergingen ongeveer 86 miljoen jaar geleden. Dit is interessant omdat genoomduplicaties worden beschouwd als macromutaties die de biologische complexiteit verhogen, aanpassing aan de omgeving vergemakkelijken, en het risico op uitsterven verminderen. Het werd ook duidelijk dat, in plaats van (extra) genen die volledig nieuwe functies ontwikkelden, de bestaande genen en pathways scherper op punt werden gezet, afgestemd op de nieuwe situatie. Zo vond er bijvoorbeeld een hogere genetische efficiëntie plaats voor de regulatie van zouttolerantie, wat nodig is om te overleven in de hoge zoutgehalten van de zee. Andere genenfuncties werden nutteloos en verdwenen. De huidmondjes bijvoorbeeld, de kleine openingen in het bladoppervlak die gasuitwisseling met de atmosfeer mogelijk maken, waren niet langer nodig bij zeegras en zijn verloren gegaan.
"In de evolutionaire biologie spreken we vaak van ‘Use it, or Lose it’. De evolutie van deze zeegrassen is een zeer overtuigend voorbeeld hiervan. Functies die niet langer nodig zijn, gingen verloren tijdens de evolutie, terwijl nieuwe ecologisch belangrijke functies ontstonden of verbeterden" - Professor Yves Van de Peer.
Inzichten voor natuurbehoud
Het belang van zeegrassen mag niet worden onderschat. Ze vervullen cruciale functies binnen een ecosysteem, zoals bescherming tegen erosie en koolstofopslag. Ondanks dat ze slechts 0,1% van het oceaanoppervlak bezetten, wordt geschat dat zeegrassen wereldwijd jaarlijks 27 tot 44 teragram organische koolstof begraven, wat 10 tot 18% van de totale koolstofopslag in de oceanen vertegenwoordigt. Dit is tot 40 keer efficiënter is dan het vastleggen van organische koolstof in bossen op het land. Samen met mangroves en koraalriffen behoren zeegrasweiden tot de meest biologisch productieve ecosystemen op aarde. Ze dienen als broedplaatsen voor een enorme verscheidenheid aan zeedieren waaronder vissen, weekdieren, krabben en garnalen. Ook voor mariene megafauna, zoals zeeschildpadden en zeekoeien, is het belang van zeegrassen ongeëvenaard.
Door de opwarming van de aarde verdwijnen zeegrasweiden op globale schaal, wat leidt tot een crisis in de mariene biodiversiteit en een verlies van koolstofopslag. Begrijpen hoe zeegrassen zich aanpassen aan veranderende omgevingen is cruciaal voor het herstel en de overleving van zeegrasweiden en dus voor de overleving van hele mariene ecosystemen.
"De aanpassing van zeegrassen aan een nieuwe omgeving was enkel mogelijk door de interacties van veel genen die rollen spelen in verscheidene pathways. Door hun evolutie te begrijpen, en de genen die belangrijk zijn voor overleving in kaart te brengen, kunnen we ze nu beginnen te testen en experimenteel te verbeteren. Op deze manier kunnen we helpen bij de overleving van planten onder veranderende omstandigheden, natuurbeheer verbeteren en hele ecosystemen herstellen" - Professor Yves Van de Peer.
.png)
Het erfgoed van Darwin is vandaag de dag nog steeds van enorm belang. Evolutionaire biologie richt zich op de principes van aanpassing en overleving. Deze kennis leert ons meer over onze levende planeet en kan worden toegepast om fragiele ecosystemen te behouden en te beschermen. In het licht van een veranderend klimaat blijft de publicatie van Darwin, nu 165 jaar later, even relevant.
Geïnspireerd door deze blog? Wil je meer lezen over dit onderzoek? De originele, Engelstalige publicatie vind je hier. Nature plants, doi: https://doi.org/10.1038/s41477-023-01608-5
Over het VIB-UGent Centrum voor Planten Systeembiologie
Het VIB-UGent Centrum voor Planten Systeembiologie wil inzicht krijgen in hoe planten groeien en reageren op de omgeving. Hun wetenschappers bestuderen hoe bladeren en wortels worden gevormd, welke micro-organismen er op en rond de plant leven en welke stoffen planten aanmaken. Ze brengen de genetische verscheidenheid van het plantenrijk in kaart. Deze kennis kan leiden tot duurzame innovaties in landbouw en voeding.
Over VIB
Basisonderzoek in de levenswetenschappen, dat is de kernactiviteit van VIB. Enerzijds de grenzen verleggen van wat we weten over moleculaire mechanismen, hoe deze mechanismen levende wezens zoals mensen, dieren, planten en micro-organismen regelen, en anderzijds zorgen voor tastbare resultaten die bijdragen aan een betere samenleving. Gestoeld op een partnerschap met vijf Vlaamse universiteiten - UGent, KU Leuven, Universiteit Antwerpen, Vrije Universiteit Brussel en Universiteit Hasselt – en een stevig investeringsprogramma, bundelt VIB de expertise van 81 onderzoeksgroepen in één instituut. Het techtransfer-team van VIB vertaalt proactief biologische inzichten in nieuwe economische activiteiten die op hun beurt weer kunnen leiden tot nieuwe producten, medicijnen e.d. die kunnen gebruikt worden in de geneeskunde, landbouw en tal van andere toepassingen. VIB neemt ook actief deel aan het publieke debat over biotechnologie door het ontwikkelen en verspreiden van een breed scala aan wetenschappelijk onderbouwde informatie over alle aspecten van de biotechnologie. Meer info op www.vib.be.