De genetische variatie binnen een soort kan groot zijn, maar lang niet al die variatie leidt tot uiterlijke of andere fenotypische verschillen. Veel diversiteit blijft ‘onder de oppervlakte’ in gebufferde vorm verborgen. Dat blijkt uit onderzoek van wetenschappers van Wageningen UR (Universiteit en Researchcentrum), de Rijksuniversiteit Groningen en het Engelse onderzoekscentrum Rothamsted Research. Het onderzoek wordt deze week in het wetenschappelijk vakblad Nature Genetics gepubliceerd.
De onderzoekers kruisten twee typen zandraket en onderzochten de nakomelingen op moleculaire en fenotypische verschillen zoals de hoeveelheden eiwitten en metabolieten die werden gevormd, vatbaarheid voor ziekten en uiterlijke kenmerken. Het bleek dat van de honderdduizenden verschillen in het DNA er slechts zes ‘hotspots’ echt grote moleculaire en fenotypische effecten veroorzaken.
Variatie
Het DNA van de twee gekruiste typen zandraket (Arabidopsis thaliana, een plantje dat dient als modelorganisme in genetisch onderzoek) verschilt op niet minder dan 500.000 punten, een flinke genetische variatie dus. Van de nakomelingen van de kruising werden 162 plantjes onderzocht op 139 uiterlijke kenmerken (klassieke ‘traits’, fenotypische verschillen zoals de hoogte van de plant, bloeitijd of weerstand tegen ziekten) en op zo’n 40.000 moleculaire kenmerken. In die laatste categorie vallen bijvoorbeeld de expressie van genen, de hoeveelheden van verschillende soorten eiwit die in de plantencel worden gevormd en de hoeveelheden inhoudstoffen (bv kleur-, geur- of smaakstoffen) die dat eiwit op zijn beurt aanmaakt.
Clusters
De 500.000 mutaties in het DNA van de twee ouderplanten zijn gelijkmatig verdeeld over het hele genoom, dit geldt echter niet voor die mutaties die ook daadwerkelijk een effect sorteren – de genetische oorzaken van fenotypische verschillen. In het totale DNA konden precies zes gebieden aangewezen worden waarin de genetische oorzaken van duizenden verschillen zijn terug te vinden. Met andere woorden: de genetische oorzaken bleken geclusterd in zes hotspots. De meerderheid van de 500.000 mutaties in het genoom heeft dus blijkbaar maar een heel kleine invloed.
Buffering
De resultaten kunnen verklaard worden door een soort buffering: de 500.000 genetische verschillen beïnvloeden vaak wel de activiteit van duizenden genen, de gen-expressie, maar dit effect verdwijnt geleidelijk naar mate er meer biologische stappen tussen de bron (het DNA) en de gemeten eigenschap zitten. Het effect van de meeste mutaties wordt dus gebufferd en uiteindelijk blijft alleen een klein aantal hotspots over die fenotypische verschillen op de hoogste niveaus, bij metabolieten en klassieke kenmerken veroorzaakt. Hoewel de genetische variatie dus wel in grote mate in het DNA aanwezig is hebben de meeste verschillen maar weinig effect op het functioneren van de plant.
Evolutie
Hoewel buffering de biologische diversiteit lijkt te verminderen staat deze de evolutie van een soort zeker niet in de weg. Omdat planten zich vaak aan hun omgeving hebben aangepast is het niet wenselijk dat al de 500.000 verschillen meteen in de volgende generatie tot uitdrukking komen. Uit oogpunt van de “robuustheid” van een soort is het natuurlijk nodig dat de nakomelingen niet al te dramatisch van elkaar verschillen. Maar als er een verandering in de omgeving komt die een evolutionaire aanpassing vereist, dan ligt die genetische variatie die daarvoor nodig is wel al klaar.
Hotspots
In een eerdere publicatie in Nature Genetics (2006) hadden de onderzoekers al aangetoond dat het merendeel van de variatie in inhoudsstoffen is terug te voeren op een beperkt aantal hotspots, dit geldt nu dus blijkbaar voor veel meer eigenschappen. Voor levenswetenschappers betekent de ontdekking dat ze bij het zoeken naar de oorzaken van genetische afwijkingen vooral moeten kijken naar de hotspots in het genoom. Wat dat betreft komen de uitkomsten van het onderzoek overeen met resultaten uit de humane genetica waaruit blijkt dat slechts een beperkt aantal hotspot genen is betrokken bij de ontwikkeling van tal van immuungerelateerde ziekten. Net als de zandraket verschillen mensen op miljoenen plekken in hun genoom van elkaar, maar hun genotype in de hotspots doet er het meest toe. Uiteindelijk lijken we dus toch meer op elkaar dan de grote verschillen in genoomsequenties suggereren.
Het onderzoek werd gefinancierd door NWO en CBSG.