Het genoom van de bloeiende plant die naar zee ging

Zeegrassen zijn de enige bloeiende planten die teruggekeerd zijn naar de zee. Die stap is vermoedelijk de meest extreme aanpassing die een op land (of in zoet water) levende soort kan ondergaan. Zeegrassen bieden daarom een unieke mogelijkheid om die aanpassingen te bestuderen. Een internationaal consortium onder leiding van RUG-hoogleraar mariene biologie Jeanine Olsen heeft een beschrijving van het genoom van het zeegras Zostera marina gepubliceerd in het tijdschrift Nature van 27 januari 2016.

Het Zostera marina-genoom biedt allerlei mogelijkheden tot verder onderzoek, van aanpassing van ecosystemen in de zee aan klimaatverandering tot de rol die de planten spelen in het wegvangen van kooldioxide of het ontrafelen van het mechanisme achter zouttolerantie, wat belangrijk kan zijn voor de veredeling van landbouwgewassen.

Nut voor de mensheid

Zeegrassen vormen de ruggengraat van een van de meest productieve en diverse ecosystemen op aarde, een ecosysteem dat zich kan meten met koraalriffen en het tropisch regenwoud als het gaat om nut voor de mensheid. Zeegrasvelden zijn onderdeel van het ecosysteem van zanderige kustgebieden rond alle continenten, met uitzondering van Antarctica. Het zijn niet alleen kraamkamers voor jonge vissen en andere organismen, maar de velden beschermen de kust ook tegen erosie en houden het water helder. ‘En ze nemen meer kooldioxide op dan de tropische regenwouden’, zegt Jeanine Olsen.

Genetische netwerken

Zostera marina of Groot zeegras is de soort die het meest verspreid is over het Noordelijk halfrond, van de warme kust van Portugal tot in het koude water van Noorwegen. Groot zeegras heeft zich aangepast aan het hoge zoutgehalte van zeewater. ‘Dit alles maakt zeegras interessant voor onderzoek naar de relaties binnen de complexe genetische netwerken die bijdragen aan de tolerantie voor temperatuurverschillen, klimaatverandering en zout’, legt Olsen uit.

De eerste stap die nodig is om genetische netwerken te bestuderen, en hun interactie met de ecologie en evolutie van deze planten, is het maken van een nauwkeurige kaart van de DNA volgorde.

Huidmondjes

Olsen: ‘Zo’n genoom lijkt misschien saai, iets als een telefoonboek, maar ons heeft het al een boel interessante aanpassingen laten zien.’ Groot zeegras is bijvoorbeeld niet alleen de huidmondjes kwijtgeraakt, waarmee landplanten ‘ademen’, maar ook alle genen die betrokken zijn bij de vorming van die huidmondjes. ‘Die zijn er gewoon niet meer, dus zeegras kan niet meer terug naar het land’, zegt Olsen.

Afwijkende celwand

Een unieke aanpassing is te vinden in de celwand, die sterk afwijkt van die van een gewone plant maar meer lijkt op de celwand van algen. Olsen: ‘Hoewel we al jaren weten wat de biochemie van deze celwand is, begrijpen we nu ook het onderliggende genetische netwerk dat de zwavelhoudende polysachariden voor deze celwand produceert.’ Zeegrassen hebben hun stofwisseling aangepast om deze polysachariden te maken of, zoals Olsen uitlegt: ‘zij hebben hun stofwisseling compleet verbouwd!’

Geen insecten

Ook de mechanismen waarmee planten insecten lokken of zichzelf beschermen tegen vraat zijn bij Groot zeegras afwijkend: de genen om vluchtige signaalstoffen maken ontbreken. Er zijn natuurlijk ook geen insecten in de zee die bloemen bestuiven of bladeren aanvreten. Seksuele voortplanting gebeurt bij zeegras helemaal onder water. De pollen zijn lange filamenten die zijn aangepast om via de kleine bloemen onder water een plant te bevruchten.

Slechts een begin

Deze eerste analyse van het Zostera marina-genoom is slechts het begin. ‘Behalve het genoom hebben we ook uitgebreide informatie over het transcriptoom dat laat zien welke genen actief zijn in verschillende weefsels en onder verschillende omstandigheden,’ zegt Olsen. Een overkoepelende vraag voor haar team is hoe snel en hoe Groot zeegras zich kan aanpassen aan de klimaatverandering. Het feit dat Zostera marina groeit van Portugal tot Scandinavië is te gebruiken als ‘natuurlijk experiment’ om de aanpassing te onderzoeken aan verschillen in watertemperatuur, zoutgehaltes, zuurgraad of licht. ‘Zijn die verschillen gecodeerd in de DNA-volgorde, lopen ze via epigenetische aanpassingen van het DNA of is het een vorm van plasticiteit van de genregulatie?’

Natuurbeheerders

Op een dieper niveau willen de wetenschappers begrijpen hoe de interactie verloopt tussen ecologische en evolutionaire processen. Dit is ook het centrale thema van het Groningen Institute for Evolutionary Life Sciences (GELIFES), waar de groep van Olsen onderdeel van is.

Kennis over de wisselwerking tussen ecologie en evolutie zal helpen bij het zoeken naar indicatoren die iets zeggen over de gezondheid van het ecosysteem van zeegrasvelden, die wereldwijd worden bedreigd. Initiatieven om velden te herstellen of te herplanten hebben nog weinig succes, maar studie van het aanpassingsvermogen van zeegras zal natuurbeheerders in de toekomst kunnen helpen.

Noot voor de redactie

• Contact: prof.dr. J.L. (Jeanine) Olsen, Groningen Institute for Evolutionary Life Sciences, RUGl.
• Referentie: The genome of the seagrass Zostera marina reveals angiosperm adaptation to the sea , Jeanine Olsen e.a., Nature, 27 januari 2016. DOI 10.1038/nature16548
• Video: Jeanine Olsen publiceert genoom zeegras in Nature.