ompetitie is een deel van het leven. Alle levende organismen die je om je heen ziet, stammen af van hun voorouders, die miljoenen jaren lang met succes streden om voedsel, water en ruimte. Als ik je zou vertellen dat de meeste landplanten dezelfde voorouders hebben, dan zou je geloven dat die voorouders iets opmerkelijks bereikt moeten hebben, toch? Dit is de situatie met de “angiospermen”, een grote groep planten die 80% uitmaakt van alle planten die op aarde voorkomen. Angiospermen, in tegenstelling tot gymnospermen (met naalden bedekte planten zoals dennenbomen), beheersen heel goed de aarde.
Er zijn ongeveer 300.000 erkende soorten angiospermen, waartoe alle vruchten, grassen en bloemen op aarde behoren. Angiospermen kunnen overleven in de zinderende woestijn of op het ijskoude Antarctica, en ze zijn evolutionair gezien nog betrekkelijk jong. Waar zijn deze angiospermen ontstaan en hoe hebben zij zich verspreid van een kleine groep soorten tot een van ‘s werelds meest alomtegenwoordige en gediversifieerde groepen van levende wezens?
Onderzoekers probeerden uit te zoeken wat deze planten zo uitzonderlijk maakte in het PLOS Biology artikel “Genome Downsizing, Physiological Novelty, and the Global Dominance of Flowering Plants(link is external).”
Een korte geschiedenis van planten…
Laten we doen alsof je terug bent gebracht naar de Krijt periode. Je zou mossen, varens, met naalden bedekte bomen, en zelfs enkele van de eerste bloemen zien als je een wandeling zou maken. Nu, 40 miljoen jaar later, zijn er overal bloemen en de met naalden bedekte gymnospermen die vroeger het land bedekten, zijn niet langer de meest voorkomende verschijning. In plaats daarvan hebben we bomen die lijken op eiken of esdoorns, de grote, bladhoudende verwanten van onze bloemplanten.
Oké, 40 miljoen jaar lijkt misschien een lange periode, maar belangrijke veranderingen in het leven op aarde vergen vaak honderden miljoenen jaren. De angiospermen hadden minder dan 50 miljoen jaar nodig om de gymnospermen te verdringen en een van de meest voorkomende levensvormen op aarde te worden.
Planten en voedsel voor planten
Voor bijna alles zijn levende wezens afhankelijk van voeding. Planten hebben voeding nodig om te gedijen en zaden voort te brengen die op een dag een nieuwe plant zullen worden. Planten kunnen, in tegenstelling tot dieren, fotosynthese, oftewel hun eigen voeding (suiker) produceren door zonlicht en kooldioxide te combineren.
Planten hebben huidmondjes, dat zijn openingen waardoor kooldioxide kan binnendringen. De huidmondjes zijn de poriën (gaatjes) die op deze foto omringd worden door glanzend groene wachtcellen. Angiospermen hebben een groter aantal huidmondjes en nerven per plantweefseldeel. AioftheStorm heeft deze afbeelding gemaakt.
Omdat deze beweging binnenin de bladeren plaatsvindt, hebben planten huidmondjes die kooldioxide (CO2) binnenlaten, vergelijkbaar met de manier waarop wij via onze lippen inademen. Suikers worden in de cellen van de bladeren geproduceerd en via aderen door de plant verdeeld.
Onze angiosperme neven hebben een kolossaal aantal huidmondjes (meervoud van stoma) en aderen, waardoor ze de fotosynthese kunnen maximaliseren. Deze huidmondjes nemen veel CO2 op, en de aderen brengen gemakkelijk suikers over. Hierdoor kunnen angiospermen veel sneller groeien en zich verspreiden dan andere planten, waardoor ze de wereld domineren!
Waarom is iets dergelijks niet gebeurd in andere planten?
Waarom is dit niet geëvolueerd in andere planten als het hebben van meer aderen en huidmondjes zo gunstig is? Omdat al deze structuren zijn opgebouwd uit cellen, om precies te zijn. Er zijn meer cellen nodig om meer transportsystemen in een blad te krijgen, maar daarvoor zou een groter blad nodig zijn, waardoor nog meer nerven en huidmondjes nodig zouden zijn – zie je het probleem? Het is een cyclus die normaliter resulteert in grotere planten, tenzij je een techniek kunt bedenken om kleinere cellen te fabriceren. Kleine cellen van angiospermen kunnen een dicht netwerk van aderen en huidmondjes vormen, vergelijkbaar met een serie parallelle metrolijnen! Dus, wat is de volgende stap? Hoe kun je kleinere cellen krijgen?
Op schaal, componenten van plantencellen
Deze illustratie laat zien hoeveel ruimte een celkern (en het daarin aanwezige DNA) in een cel kan innemen. Voor meer informatie, zie hier.
Wanneer we in microscopisch kleine cellen werken, lijkt DNA misschien een piepklein kettinkje, maar het kan veel ruimte innemen. Bijna elk van de microscopische cellen van een organisme bevat de hele DNA-code (het volledige genoom van het organisme). Je zou kleinere cellen kunnen hebben als je je van een hoop DNA zou kunnen ontdoen. Meer aders tussen cellen en meer gespecialiseerde celkenmerken, zoals huidmondjes, kunnen worden ondergebracht in kleinere cellen.
De wetenschappers kwamen tot deze theorie na bestudering van het genoom van een groot aantal plantensoorten (niet alleen angiospermen). Ze keken welke plantensoorten de kortste genomen hadden, en dus de minste hoeveelheid DNA in elke cel. Gelukkig hoefden ze deze metingen niet allemaal zelf te doen. Er zijn al heel wat gegevens over planten-DNA verzameld.
Hoe bepaal je de grootte van een genoom?
De dichtheid van huidmondjes neemt toe naarmate de genoomgrootte afneemt, zoals te zien is in deze grafiek. Voor meer informatie, zie hier.
Hoe zou een wetenschapper dingen als de grootte van een genoom kunnen kwantificeren als we het DNA niet gemakkelijk kunnen zien? Er zijn een paar mogelijkheden. Ze kunnen gesofisticeerde microscopen gebruiken om specifieke celbeelden te onderzoeken en de fysieke grootte te meten. Omdat fosfaat een belangrijk bestanddeel van DNA-moleculen is, kunnen zij het fosfaatgehalte in een geteld aantal cellen bepalen. Zij kunnen ook de concentratie bepalen van één enkel gen dat gekleurd is (dit kunnen zij doen door te kijken hoe licht wordt geabsorbeerd door een monster waarin al die specifieke genen geverfd zijn). Dit zijn slechts enkele methoden waarmee wetenschappers de omvang van een genoom kunnen bepalen.
De wetenschappers die aan dit project werkten, verzamelden al deze informatie van andere onderzoekers en onderzochten plantenfossielen om hun begrip van de evolutie van angiospermen te vergroten. Zij ontdekten dat de angiospermen de enige plantengroep waren waarvan het genoom in die periode is gekrompen. Daarom zijn ze zo succesvol geweest.
