Information

Spårbarhet av ett moget träd till dess ursprungliga frö via DNA

Spårbarhet av ett moget träd till dess ursprungliga frö via DNA


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Är det möjligt att spåra ett specifikt frö till ett fullt moget träd? Till exempel, kan ett frö spåras till den fullvuxna växten baserat på DNA? Skulle det vara möjligt för mig att katalogisera ett frö-DNA och sedan år senare kunna identifiera den fullvuxna växten till det frö som katalogiserades?


Eftersom embryot av ett frö vanligtvis innehåller många celler, bör det i teorin vara möjligt att erhålla DNA från ett frö utan att störa det (det kan finnas pragmatiska problem med protokoll, beroende på detaljerna i fröet).

Om du har DNA och varje frö har producerats av en separat befruktningshändelse, då skulle varje frö-DNA vara unikt och det borde verkligen vara möjligt att identifiera en individ genetiskt, precis som det är med djur.

Alla frön är dock inte genetiskt distinkta. Till exempel kommer många växter också att producera frön asexuellt under lämpliga förhållanden, en process som kallas apomixis. Om fröna produceras asexuellt, då skulle ditt enda hopp vara att identifiera olika mutationer i olika frön, vilket är en mycket svagare signal och sannolikt kommer att misslyckas för ditt avsedda syfte.


Involvering av DNA-metylering i trädutveckling och mikroförökning

Gener utgör bara en liten del av det totala genomet och att exakt kontrollera deras uttryck representerar ett stort problem för deras reglering. Dessutom kräver icke-kodande DNA, som innehåller introns repetitiva element och aktiva transposerbara element, effektiva mekanismer för att tysta det på lång sikt. Celldifferentiering och utveckling kontrolleras genom temporal och rumslig aktivering och tystnad av specifika gener. Dessa genuttrycksmönster måste förbli stabila under många cellgenerationer och bestå eller förändras när induktiva utvecklingssignaler har försvunnit eller nya inducerar nya program.

Vad sätter gener på och av? Bland annat styrs genreglering av epigenetiska mekanismer, definierade som varje genreglerande aktivitet som inte också involverar förändringar i DNA-koden och som kan bestå. Det har blivit uppenbart att epigenetisk kontroll av transkription förmedlas genom specifika tillstånd av kromatinstrukturen. Associationer av specifika kromosomala proteiner, posttranslationella histonmodifieringar och DNA-metylering är några av de epigenetiska mekanismer som är involverade i att kontrollera kromatintillstånd. DNA-metyleringsforskning kan närma sig från flera synpunkter, eftersom det finns ett brett utbud av tekniker tillgängliga för att studera förekomsten och lokaliseringen av metyldeoxycytosin i genomet. Flera studier som handlar om DNA-metylering i relation till trädutveckling, mikroproprogation och somaklonal variation kommer att presenteras, med det slutliga syftet att visa att DNA-metyleringsnivåer är kännetecknande för odlingsperioder och är relaterade till öppna kompetensfönster hos växter.


Introduktion

Växtympning, som en traditionell metod för asexuell förökning, åstadkoms oftast genom att sammankoppla två växtsegment, nämligen en skottbit som kallas "scion" och en rotbit som kallas "rotstocken" (Fig. 1). Denna teknik har praktiserats inom jordbruket i över 2500 år 1 . Ympning har använts i stor utsträckning i modern produktion av många trädgårdsgrödor och vissa skogsträd, såsom citrus 2,3 , päron 4,5 , druva 6 , kassava 7 och cederträ 8 . Ympning av växter är en uråldrig jordbruksmetod för förökning av enhetliga plantor för kommersiella fruktarter och för att undvika ett ungt tillstånd, eftersom en vuxen ättling ympad på en ung grundstam kommer att behålla sitt vuxna tillstånd och förmåga att bära frukt 9 . Dessutom kan ympning modulera växttillväxt 10, förbättra avkastningen och kvaliteten på grödorna 11,12 och förbättra grödans motståndskraft mot abiotiska och biotiska påfrestningar 10,13,14,15 i form av kombinationer av scion-rotstockar.

A Mogen söt orange gren med fulla knoppar, som kan användas som scion för ympning. B Årlig planta av Poncirus trifoliata, som kan användas som grundstam för ympning. C Klippning av knoppen. D Skär av grundstammen. E Att sätta knoppen på grundstammen. F Bindning av graftunionen med plastfilm. G Skär ut rotstocksskottet ovanför transplantatfacket efter transplantatunionens läkning. H Den levande knoppen ympad på grundstammen. jag Nytt skott kommer ut från den ympade knoppen. S scion, R grundstam

Nyligen har ökande ansträngningar gjorts för att dissekera de molekylära och fysiologiska mekanismerna bakom ympningen. Långdistanstransporten av signalmolekyler, såsom mobila proteiner, mRNA, små RNA och små molekyler, mellan scion och grundstammen har visat sig spela en central roll i ympningsfysiologi 16 . Dessutom har heterografting-inducerade DNA-metyleringspolymorfismer upptäckts i Hevea brasiliensis 17 , Solanaceae växter 18 , och Cucurbitaceae växter 19 . Vissa bevis tyder också på att epigenetisk modifiering av DNA-metyleringsmönster kan stå för vissa grafttransformationsfenomen 20,21,22. För närvarande ger framsteg inom genomiska resurser och molekylära tekniker viktiga möjligheter för att förbättra förståelsen för interaktioner mellan scion och rotstockar.

Citrusgrödor är bland de viktigaste fruktträdsgrödorna i världen, med en global produktion som översteg 147 miljoner ton 2017 (FAO, 2017). På grund av sin långa ungdom (tid till bärighet) och höga heterozygositet, reproduceras citrusväxter i allmänhet genom ympning för att bibehålla kultivarens fina egenskaper och minska ungdomligheten 23 . Inom citrusindustrin spelar användningen av lämpliga grundstammar en mycket viktig roll i kommersiell citrusproduktion. Grundstammen har en betydande inverkan på växtkraft, avkastning, fruktkvalitet och sjukdomsresistens 24,25,26,27. Dessutom kan grundstammen också påverka metabolomen av citrusfruktjuice, vilket bestämmer fruktens smak och näring 3,28. Dessutom kan grundstammen modulera det metaboliska svaret på Kandidat Liberibacter asiaticus i ympad söt apelsin 29 .

Med en djupare förståelse för samspelet mellan grundstammen och scion blir förädling av utmärkta citrusgrundstammar ett av de viktigaste sätten att förbättra effektiviteten i citrusproduktionen och klara av den allt hårdare planteringsmiljön och klimatet. I långvariga citrusproduktionsmetoder har några lämpliga grundstammar använts i stor utsträckning i olika citrustillväxtregioner, såsom Troyer citrange, Carrizo citrange och Swingle citrimelo i Amerika 30, Rangpur citron i Brasilien, sur apelsin i Italien och Mexiko, Palestina söt citron och lime i Israel och grov citron i Indien 31 . De gemensamma fördelarna med dessa grundstammar är förbättrad trädpotential och ökad tolerans mot miljöstress eller växtsjukdomar. Varje grundstam har dock fortfarande vissa nackdelar som hindrar den från att möta produktionskraven. Till exempel är Troyer citrange och Carrizo citrange känsliga för Citrus exocotis viroid 32 , och den grova citronen som grundstam ger dålig fruktkvalitet 33 . Därför pågår fortfarande uppfödning av utmärkta grundstammar för citrusindustrin.

Poncirus trifoliata, en vild art nära besläktad med Citrus tillhörande underfamiljen Aurantioideae av familjen Rutaceae, är en populär grundstam för citrusindustrin i Kina. Den är diploid och har samma antal kromosomer (2n = 18) som Citrus släkte 34. Den visar god ympningskompatibilitet med de flesta citrussorter och uppvisar gynnsam anpassning till en mängd olika miljöförhållanden, såsom köldhärdighet och tolerans mot biotiska stressfaktorer, inklusive den förödande Huanglongbing 35,36,37. Poncirusfrön är mycket polyembryonala och kan producera enhetliga plantor för enkel ympning och plantskola. Dessutom, P. trifoliata är också en värdefull förälder för grundstammsuppfödning på grund av dess gynnsamma egenskaper. Korsning av P. trifoliata med apelsin ger Carrizo och Troyer citrange, som används som de främsta kommersiella grundstammarna i många citrusproduktionsområden 30 . Utvinning av utmärkta genetiska resurser av P. trifoliata och att utforska växelverkan mellan grundstammar och scion kan främja förbättringen av citrusgrundstammar och utvecklingen av citrusindustrin.

I denna studie syftade vi till att förstå den genetiska grunden för P. trifoliata som en citrusgrundstam. Vi de novo monterade ett högkvalitativt genom av P. trifoliata genom enkelmolekylssekvensering och helgenom-DNA-metyleringskartor över P. trifoliata och söt apelsin ritades. Heterografting-inducerade förändringar i helgenomets DNA-metylering och sRNA-överflöd utvärderades. Denna studie ger ett viktigt citrusgrundstammsgenom för att förstå ympningens unika biologi och bör underlätta bättre tillämpning av ympning i citrusindustrin.


DNA-streckkodning för mindre grödor och spårbarhet för livsmedel

Detta outlook paper tar upp problemet med spårbarheten av mindre grödor. Sådana odlingar består av ett stort antal växter lokalt fördelade med en blygsam produktion vad gäller odlad areal och kvantitet slutprodukt. På grund av globaliseringen ökar spridningen av mindre grödor på grund av deras fördelar för människors hälsa eller deras användning som kosttillskott. Ett sådant fenomen innebär en stor risk för artersättning eller okontrollerad inblandning av tillverkade växtprodukter med allvarliga konsekvenser för konsumenternas hälsa. Behovet av ett tillförlitligt identifieringssystem är därför väsentligt för att utvärdera kvaliteten och härkomsten av mindre jordbruksprodukter. DNA-baserade tekniker kan hjälpa till att uppnå detta uppdrag. I synnerhet har DNA-streckkodningsmetoden fått en viktig roll tack vare dess universalitet och mångsidighet. Här presenterar vi fördelarna med användningen av DNA-streckkodning för karakterisering och spårbarhet av mindre grödor baserat på våra tidigare eller pågående studier vid ZooPlantLab (Milano, Italien). Vi diskuterar också hur DNA-streckkodning potentiellt kan överföras från laboratoriet till livsmedelskedjan, från fält till bord.

1. DNA-streckkodning för växtidentifiering

Växter som primärproducenter är grunden för mänsklig näring sedan urminnes tider. Det uppskattas att cirka 7 000 arter av växter har odlats för konsumtion i mänsklighetens historia (FAO-data) och ett stort antal sorter och sorter är också erkända. Commission on Genetic Resources for Food and Agriculture (http://www.fao.org/nr/cgrfa/cthemes/plants/en/) uppskattade att 30 grödor för närvarande vanligtvis kallas stora jordbruksprodukter eftersom de står för 95 % av mänskligheten matens energibehov (t.ex. ris, vete, majs och potatis). Dessa resurser är allmänt övervakade och väl karakteriserade med analys av DNA-markörer som är specifikt utvecklade för varje sort (se t.ex. [1–3]). Tvärtom är tillförlitliga karaktäriseringsverktyg för de mindre sorterna långt ifrån definierade. Mindre grödor inkluderar växter för livsmedel, farmaceutiska, kosmetiska och prydnadsändamål med en blygsam produktion i termer av odlad areal och kvantitet slutprodukt [4]. Det finns inga fasta standardvärden för att definiera en mindre gröda, men konventionellt kan alla lokala sorter placeras i denna kategori. De flesta av dessa arter eller sorter uppvisar speciella egenskaper ur matsmältnings-, läkemedels- eller prydnadssynpunkt. Några exempel på mindre grödor som nu är allmänt odlade och spridda över hela världen är Goji (Lycium barbarum L. [5]), Chokeberry (Aronia melanocarpa (Michx.), [6]), Peach Palm (Bactris gasipaes Kunth [7]), Teff (Eragrostis tef (Zucc.) [8]), och Okra (Abelmoschus esculentus (L.) Moench [9]). Ett stort antal mindre grödor producerades och konsumerades vanligtvis lokalt [10], men nuförtiden har utvecklade länders kontinuerliga efterfrågan på att identifiera nya aktiva metaboliter för människors hälsa och näring ökat deras spridning på global nivå [11–14]. Detta fenomen innebär en stor risk för artsubstitution eller okontrollerad inblandning av tillverkade växtprodukter. Substitution eller förfalskning kan vara avsiktlig (t.ex. för att maximera ekonomiska vinster) eller oavsiktlig (t.ex. på grund av otillräcklig kunskap hos jordbrukare) men de kan ha allvarliga konsekvenser för konsumenterna i alla fall [14–19].

Med tanke på dessa premisser är det tydligt att definitionen av ett tillförlitligt spårbarhetssystem är en aspekt av stor oro när växter, växtdelar eller växtextrakt används i livsmedelsindustrin. Behovet av en otvetydig identifiering är också väsentligt för att inleda kvalitetssäkringsförfaranden för jordbruksprodukter, för att verifiera deras geografiska härkomst (vid skyddad ursprungsbeteckning) och för att förhindra kommersiella bedrägerier och förfalskning.

Jordbruksprodukter utsätts för stark bearbetning och tillverkning innan de släpps ut som slutprodukter till konsumenten. Dessa processer förändrar växtstrukturen och hindrar därigenom användningen av morfologiska karaktärer för att identifiera de flesta jordbruksprodukter. För att övervinna denna gräns används numera analys av proteiner och/eller DNA som huvudverktyget för växtspårbarhet. Men även om kemiska eller proteinbaserade tillvägagångssätt är användbara för att karakterisera sammansättningen av färska produkter, kan dessa metoder påverkas av flera faktorer såsom de starka livsmedelstillverkningsprocesserna, det begränsade antalet påvisbara isozymer eller den höga specificiteten för vävnad och utvecklingsstadium av markörerna [20]. DNA-markörer är mer informativa än protein- eller kemikaliebaserade metoder eftersom DNA bättre motstår industriella processer som rivning, kokning, tryckkokning eller transformationer som medieras av kemiska medel (se t.ex. [18, 21, 22]). Denna egenskap möjliggör en framgångsrik identifiering av växtmaterial, även när det finns i små spår [23, 24]. Dessutom tillåter tillgången på avancerad teknik och effektiva kommersiella kit för DNA-extraktion ett acceptabelt utbyte av genetiskt material från bearbetat eller nedbrutet växtmaterial [25].

Som en konsekvens av detta har DNA-markörer snabbt blivit det mest använda verktyget i genetiska analyser av grödor och sorter, såväl som vid spårning och certifiering av råvaror i livsmedelsindustrins processer [26–32]. PCR-baserade metoder är känsligare och snabbare än andra teknologier för att karakterisera jordbruksprodukter [1–3]. Bland dessa har diskontinuerliga molekylära markörer som RAPDs, AFLPs och deras varianter (t.ex. ISSR, SSAP) framgångsrikt antagits för karakterisering av grödor [24]. Dessutom används sekvenseringsbaserade system som singelnukleotidpolymorfismer (SNP) och enkla sekvensupprepningar (SSRs) också på grund av deras höga nivå av polymorfism och höga reproducerbarhet [30]. Men eftersom dessa tillvägagångssätt är mycket artspecifika kräver de tillgång till den korrekta DNA-sekvensen för organismerna och deras tillämpning är ofta begränsad till en enda art.

Under det senaste decenniet föreslogs DNA-streckkodning som ett universellt DNA-baserat verktyg för artidentifiering [33]. Namnet "DNA-streckkodning" syftar bildligt på hur en infraröd skanner entydigt identifierar en produkt genom att använda ränderna i den universella produktkoden (UPC). Samtidigt är detta tillvägagångssätt baserat på analysen av variabiliteten inom en eller några få standardregioner av genomet som kallas "DNA streckkoder" [33]. Grunden för metoden är att DNA-streckkodningssekvensen/-erna entydigt motsvarar varje art (dvs låg intraspecifik variabilitet) men skiljer sig till stor del mellan taxa (dvs hög interspecifik variabilitet) [33, 34]. DNA-streckkodning har fördelen av att kombinera tre viktiga innovationer: molekylarisering av identifieringsmetoden (dvs. undersökningen av DNA-variabilitet för att differentiera taxa), standardisering av processen (från provtagning till analys av molekylära resultat) och datorisering (dvs. inte redundant införlivande av data med hjälp av informatik) [34].

Flera plastidial- och nukleära regioner har föreslagits som streckkodsregioner för växter [35–37] och några av dem används nu för identifiering av grödor, som nyligen granskats av [38]. Under 2009 definierade Plant Working Group av CBOL (konsortium för livets streckkod) en standardpanel för kärn-streckkod av markörer baserad på kombinationen av delar av två kodande plastidialområden: matK och rbcL [39, 40]. Trots deras höga universalitet när det gäller amplifiering och sekvenseringsframgång misslyckas analysen av dessa kodande regioner i vissa fall på grund av interspecifik delning av sekvenser [41]. Interna transkriberade spacerregioner av nukleärt ribosomalt DNA (ITS) rekommenderades som ytterligare markör som var mycket varierande i angiospermer [40]. ITS fungerar bra i många växtgrupper men i vissa fall gör ofullständig samordnad utveckling och intraindividuell variation den olämplig som universell växtstreckkod [40]. Men kombinationen av matK och rbcL med den plastidiala intergena icke-kodande regionen trnH-psbA ökar identifieringsprestandan för DNA-streckkodning. Som en konsekvens kan användningen av trnH-psbA växer på grund av dess lätta amplifiering och dess höga genetiska variation bland närbesläktade taxa [15, 35, 42].

Vid universitetet i Milano-Bicocca (Milano, Italien) är ZooPlantLab-gruppen (http://www.zooplantlab.btbs.unimib.it/) ett av de mest aktiva centra där DNA-streckkodning används som ett universellt spårbarhetssystem. Forskargruppen från ZooPlantLab undersöker konkreta problem som handlar om jordbruksproduktion av mindre grödor genom att överföra den analytiska pipelinen från laboratoriet till livsmedelsförsörjningskedjan. Detta tillvägagångssätt syftar till att övervinna tekniska spårbarhetsproblem för att erbjuda solida lösningar till marknaden.

I följande avsnitt presenterar vi några av de potentiella tillämpningarna och fördelarna med DNA-streckkodning för identifiering och spårbarhet längs livsmedelskedjan för mindre grödor. Vi undersöker också de mest innovativa metoderna för DNA-streckkodning som nyligen har antagits för att karakterisera dessa typer av jordbruksprodukter.

2. Spårbarhet av mindre grödor i försörjningskedjan: The Case of Spices

Kryddor representerar ett tydligt exempel på mindre grödor. De flesta av dessa tillhör Lamiaceae, en stor familj med 264 släkten och nästan 7 000 beskrivna arter [78] som kännetecknas av aromatiska oljor och sekundära metaboliter. Tack vare deras speciella kemiska profiler används dessa växter ofta som smakämnen för matlagning, essenser för kosmetika och aktiva komponenter i läkemedel. Med tanke på deras ekonomiska betydelse har många medlemmar av Lamiaceae undersökts brett med olika tillvägagångssätt, allt från morfologi till kemi och genetik för att karakterisera deras variabilitet och förbättra kvaliteten på odlade sorter [25, 26, 79, 80].

Även om vissa arter visade distinkta morfologiska drag, omfattar denna familj många kritiska släkten som t.ex Bräss [43], där skillnader mellan närbesläktade taxa är begränsade till några mindre morfologiska karaktärer. Morfologin kan dock vara ineffektiv för att spåra kryddor längs försörjningskedjan (d.v.s. från odlingsplatserna för grödor till slutprodukterna) som vanligtvis omfattar starka tillverkningsprocesser som krossning, pulverisering eller vattenhaltig/alkoholisk extraktion av växtmaterial.

Internationella organ som American Spice Trade Association (ASTA, http://www.astaspice.org) och European Spice Association (ESA, http://www.esa-spices.org/) stödjer karakteriseringen av den fytokemiska profilen att bedöma kvaliteten på örter och kryddor. Utvärderingen av kemiska egenskaper är väsentlig för att standardisera den industriella produktionen av produkter som härrör från kryddor, men i de flesta fall kan analysen av kemiska föreningar inte entydigt identifiera de ursprungliga växterna på artnivå [26]. Av denna anledning föreslog vi DNA-streckkodningsmetoden som ett universellt och lämpligt verktyg för att karakterisera och spåra aromatiska arter. DNA-analyser utfördes med utgångspunkt från olika växtdelar [22] eller deras härledda produkter (t.ex. oljor, extrakt) lagrade vid olika förhållanden (dvs torkade, frysta). I vår studie [22] undersökte vi 6 huvudgrupper av matlagningskryddor (d.v.s. mynta, basilika, oregano, salvia, timjan och rosmarin) inklusive deras mest relevanta sorter och hybrider. Vi samlade in prover i olika stadier av den industriella försörjningskedjan, från frön och växter odlade av privata jordbrukare eller i trädgårdscenter till kommersiella torkade kryddor eller andra tillverkade produkter. Vi testade också prestandan för DNA-streckkodning med utgångspunkt från växtextrakt. Ett bra utbyte av högkvalitativt DNA erhölls genom extraktionsprotokoll från alla övervägda prover och användes sedan för nästa steg i analysen (d.v.s. PCR och sekvensering). En tillräcklig mängd DNA extraherades också från flera av växtextrakten (Labra M., opublicerade data) genom att använda kommersiella kit. Detta första resultat bekräftade att de industriella processerna för att omvandla det råa växtmaterialet såsom torkning, krossning och vattenhaltiga eller alkoholhaltiga extraktioner inte överdrivet bryter ner DNA. Bland de fyra testade DNA-streckkodningsregionerna (dvs. rbcL, matK, trnH-psbA, och rpoB), den trnH-psbA rankad först i genetiska divergensvärden bland arter, följt av matK och rbcL. Tvärtom, rpoB visade den lägsta sekvensdivergensen bland de testade taxa (se [22] för ytterligare detaljer).

Våra resultat stödde delvis riktlinjerna från CBOL [40]. Faktum är att de två kärnstreckkodsmarkörerna (dvs. matK + rbcL) korrekt tilldelade de testade kryddorna till det förväntade släktet och i de flesta fall nådde de också artnivån. De högsta identifieringsprestanda uppnåddes dock genom att använda tillägget trnH-psbA streckkodsregion. Ett tydligt exempel är basilika (genus Ocimum), en grupp bestående av 30–160 arter med många erkända sorter [81]. I vår studie, exklusiv trnH-psbA haplotyper, hittades för nästan alla testade sorter, vilket ger ett tillförlitligt system för deras identifiering. Detta resultat förtjänar att lyftas fram eftersom det är ett av de första bevisen som stöder användbarheten av DNA-streckkodning för att urskilja organismer på en taxonomisk nivå som är lägre än arten.

Andra viktiga data som avslöjades av våra analyser gällde förmågan hos DNA-streckkodning för att identifiera föräldra- och hybridarter i vissa medlemmar av Lamiaceae. Ett exempel representeras av fallet med pepparmynta (M. piperita L.), en steril hybrid mellan M. aquatica L. × M. spicata L. [82, 83]. De plastidialmarkörer som användes i denna studie bekräftade det M. spicata L. är moders förälder till M. piperita L. eftersom båda taxa visade samma DNA-profil. Men för att definitivt bekräfta hybrid ursprunget M. piperita L. och för att identifiera det exakta föräldraarvet sekvenserades den ITS2-kodominanta markören (Labra M., opublicerade data).

På det hela taget bestod det mest relevanta resultatet av vårt arbete i bedömningen av universaliteten av DNA-streckkodning i ett sammanhang med spårbarhet av mindre grödor. Genom att använda en enda primerkombination för var och en av de få DNA-streckkodningsmarkörerna och följa standardlaboratorieprotokoll, är det möjligt att känna igen den ursprungliga arten med utgångspunkt från olika växtdelar eller härledda bearbetade material. Samma tillvägagångssätt är också användbart för att validera flera andra växtbaserade produkter som vanligtvis distribueras på marknaden såsom te [50], saffran [44, 84], ginseng [69], svartpeppar [59] och många andra (se även tabell 1 ). Dessa fall betonar tydligt den höga mångsidigheten hos DNA-streckkodning. Det är ett autentiskt funktionellt verktyg för molekylär spårbarhet av jordbruksprodukter, eftersom de flesta av de mindre grödorna ännu inte har karakteriserats med privata markörer som SSR eller SNP för att möjliggöra ett tillförlitligt DNA-fingeravtryckssystem. Dessutom kräver DNA-streckkodning ingen tidigare kunskap om växtgenomet för den undersökta arten och de analytiska procedurerna kan lätt antas av vilket laboratorium som helst utrustat för molekylärbiologi.

3. Kommersiella bedrägerier och farliga ersättningar

Nuförtiden leder den globala spridningen av flera mindre grödor i avsaknad av lämpliga spårbarhetsprotokoll till frekventa fall av växtersättning och oavsiktlig eller avsiktlig förfalskning. Det finns flera dokumenterade exempel på kommersiella bedrägerier där mindre grödor ersatts med relaterade taxa som visar en högre produktivitet eller biomassa men utan de agronomiska och näringsmässiga egenskaperna hos de ursprungliga arterna/sorterna [27, 85, 86] (se även tabell 1). Häpnadsväckande fall av detta fenomen observerades för några av de vanligaste kryddorna som Medelhavets oregano förvanskat med Cistus incanus L., Rubus caesius L. [87–89] och saffran ersatt med Krokus vernus (L.) Hill, Carthamus, och Gurkmeja [19, 44, 84]. I detta sammanhang kan användningen av DNA-streckkodning vara avgörande eftersom den inte bara kan verifiera närvaron/frånvaron av den ursprungliga arten, utan också identifiera arten av den ersatta arten. Ett av de mest slående ersättningsfallen som någonsin avslöjats av våra undersökningar hänvisar till fiskkött (t.ex. säljs som skivor, filéer, block, surimi, fiskpinnar och fenor). I denna produktkategori leder tillverkningsprocesserna ofta till förlust av alla morfologiska diagnostiska egenskaper som kan korrekt identifiera den ursprungliga arten. I vår molekylära undersökning [90] dokumenterade vi de frekventa ersättningarna av Palombo (dvs det italienska folkspråksnamnet för Mustelus mustelus och Mustelus asterias) med andra mindre värdefulla hajarter. Vårt test visade att cirka 80 % av de sållade fiskprodukterna inte motsvarade dessa två arter utan mot andra arter eller släkten, varav några fiskas eller marknadsförs illegalt. Med utgångspunkt från denna erfarenhet testade vi användbarheten av DNA-streckkodning för att utvärdera kontamineringen av växtbaserade produkter. Till exempel, i en pilotstudie på kryddor utförd av vår grupp, upptäckte vi förorenande DNA i kommersiella prover av salvia (dvs. Salvia) produceras av lokala bönder. Detta DNA motsvarade arter som tillhör familjen Poaceae (dvs. Festuca sp.). Vi antog att dessa förorenande växter oavsiktligt odlades tillsammans med salvian och fragment av dem samlades felaktigt in, strimlades och blandades följaktligen i de slutliga kommersiella produkterna (Labra M., opublicerade data). Dessa tillstånd är farliga om föroreningstaxonen är giftig eller allergiframkallande för människor. Ett typiskt exempel är nötter och mandel som orsakar allergier hos många människor [91]. Flera kommersiella livsmedel (t.ex. bageri, bakverk och snacks) visade kontaminering av dessa växter (se t.ex. [76, 92]). Även i det här fallet fungerar DNA-streckkodning som ett mycket mångsidigt verktyg, vilket möjliggör detektering av båda arterna (och många andra allergiframkallande taxa) även när de förekom i spår [76].

På liknande sätt kan DNA-streckkodning vara effektiv för att identifiera de växtarter som orsakar förgiftning eller förgiftning hos konsumenter. De senaste åren har växtexponeringar hört till de vanligaste förgiftningsfallen som rapporterats av giftkontrollcentraler [15, 93, 94]. Många av dessa beror på oavsiktlig felaktig identifiering som rapporterats i [95] där författarna dokumenterade utbytet av spontan sallad (Lactuca alpin (L.) Wallr.) med Aconitum spp. och vild vitlök (Allium ursinum L.) med Colchicum sp. Både Aconitum och Colchicum innehåller giftiga metaboliter med allvarliga konsekvenser för människors hälsa efter intag [96, 97]. Vår analys visade att DNA-streckkodning gjorde det möjligt för oss att upptäcka närvaron av giftiga växter och identifiera specifika sekvenskarakteriserade amplifierade regioner (SCAR) användbara i en realtids-PCR-metod för snabb diagnos i giftcentra [60].

4. Växtmolekylär identifiering i komplexa matriser

De flesta livsmedel och kosmetiska produkter består av en pool av växtarter, större och mindre grödor och spontana arter. Dessa anses vara komplexa matriser [31] och för att fastställa spårbarhet behövs tillgången till universella verktyg som entydigt kan identifiera varje växtart. Vi understryker att antagandena för vilka DNA-streckkodningsregion(er) och de använda primrarna är universella [33] innebär att när metoden tillämpas på komplexa matriser kommer PCR-amplifieringar att producera flera DNA-streckkodningsamplikoner, motsvarande olika arter. Av denna anledning testade vi denna diagnostiska metod för att identifiera växtsammansättningen på olika blandade produkter såsom kommersiell potpurris [14] och flerblommig honung (Bruni et al., inlämnat). För de flesta av dessa växtbaserade produkter finns inte en detaljerad förteckning över ingredienser rapporterad på etiketten som en konsekvens, det är svårt att förstå vilka arter som används för deras framställning och särskilt hur säkra dessa är för människors hälsa. När det gäller potpurris visade våra resultat att de huvudsakliga ingredienserna är enkla aromatiska växter (t.ex. arter av Lamiaceae) som ibland är ätbara (t.ex. Salvia officinalis L. Ocimum basilicum L.) eller prydnadsväxter (t.ex. Salvia splendens Sellow ex J.A. Schultes, Lavandula angustifolia Miller) utan negativa effekter på människors hälsa. I andra fall avslöjade dessa produkter närvaron av växter som producerar naturliga giftiga metaboliter, såsom alkaloider som är farliga för människors hälsa [14, 98–100]. Men det viktigaste kritiska elementet för identifiering av växtbaserade komplexa matriser är tillgängligheten av DNA-streckkodningsreferensdatabaser [101, 102]. Hittills innehåller Barcode of Life Data System (dvs BOLD, http://www.boldsystems.org/ [103]) 52 767 växt-DNA-sekvenser även om flera mindre grödor och lokala sorter saknas. Nya arbeten, redigerade av vårt laboratorium och andra grupper, lyfte fram behovet av dedikerade referensarkiv med DNA-streckkodningsdata för dessa typer av växter [31, 67, 101, 102, 104, 105]. I en annan studie visade vi att, med utgångspunkt från en robust lokal databas, är det möjligt att karakterisera pollensammansättningen hos flerblommig honung, en av de mest komplexa matriserna. Våra tester, utförda på honungsprover producerade i de italienska alperna, visade den iögonfallande närvaron av endemiska taxa. Detta resultat gjorde det möjligt för oss att bedöma inte bara sammansättningen av honung, utan också deras geografiska ursprung (Bruni et al., inlämnat). Se även Tabell 1 för ytterligare exempel.

I jämförelse med jordbruksprodukter tillverkade av en enda växt kräver molekylär karakterisering av komplexa matriser vissa tekniska framsteg, särskilt när det gäller sekvenseringssteget. Den traditionella DNA-sekvenseringsmetoden [106] kan endast användas för direkt sekvensering av amplikoner som härrör från ett enda taxon. Komplexa matriser innehåller ofta blandningar av DNA från många individer som tillhör en viss taxonomisk grupp (t.ex. angiospermer) och DNA-amplifiering kan generera amplikoner av samma storlek för ett visst lokus (t.ex. en DNA-streckkodsregion för växtidentifiering), vilket hindrar direkt sekvensering med Sanger-metoden. En möjlig lösning skulle kunna vara antagandet av ett preliminärt kloningssteg för att separera enstaka DNA-mallar, men denna strategi har sina egna begränsningar (t.ex. höga kostnader) och kan införa fördomar (t.ex. låg representation av de sekvenserade kolonierna i fallet med mycket komplexa matriser [107, 108]). Att återvinna DNA-sekvenser från de tiotusentals till tusentals prover som finns i en komplex matris kräver förmågan att läsa DNA från flera mallar parallellt. Sedan 2005 har framsteg inom området för nästa generations sekvenseringsteknik (NGS) [109] hjälpt till att lösa detta problem med ständigt lägre kostnader. Hittills har flera modeller av sekvenseringsenheter med hög genomströmning introducerats kommersiellt baserat på olika kemi och detektionstekniker [108]. NGS-tekniker kan generera upp till tiotals miljoner sekvensläsningar parallellt och dessa tillvägagångssätt används i en mängd olika tillämpningar, inklusive spårbarheten av matmatriser som innehåller jordbruksprodukter [73, 74, 110].

Sammanfattningsvis, med tanke på den snabba utvecklingen och standardiseringen av NGS-framsteg, tror vi att ett universellt tillvägagångssätt som DNA-streckkodning i kombination med dem kan erbjuda en ny möjlighet för spårbarhet av mindre grödor från åker till bord.

Intressekonflikt

Författarna förklarar att det inte finns någon intressekonflikt när det gäller publiceringen av detta dokument.

Referenser

  1. J.S.C. Smith, E.C.L. Chin, H. Shu et al., "En utvärdering av användbarheten av SSR-loci som molekylära markörer i majs (Zea mays L.): jämförelser med data från RFLPS och stamtavla,” Teoretisk och tillämpad genetikvol. 95, nej. 1-2, s. 163–173, 1997. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  2. F. De Mattia, G. Lovicu, J. Tardaguila et al., "Genetiska förhållanden mellan sardinsk och spansk vinodling: fallet med �nnonau” och‘Garnacha’," Journal of Horticultural Science and Biotechnologyvol. 84, nr. 1, s. 65–71, 2009. Se på: Google Scholar
  3. S.R. McCouch, K. Zhao, M. Wright et al., "Utveckling av genomomfattande SNP-analyser för ris," Avelsvetenskapvol. 60, nej. 5, s. 524–535, 2010. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  4. J. Womach, Jordbruk: En ordlista över villkor, program och lagar, Congressional Research Service, Library of Congress, Washington, DC, USA, 2005.
  5. H. Amagase och N. R. Farnsworth, "En översyn av botaniska egenskaper, fytokemi, klinisk relevans för effektivitet och säkerhet för Lycium barbarum frukt (Goji), Food Research Internationalvol. 44, nej. 7, s. 1702–1717, 2011. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  6. S. E. Kulling och H. M. Rawel, "Chokeberry (Aronia melanocarpa)-en genomgång av de karakteristiska komponenterna och potentiella hälsoeffekter,” Planta Medicavol. 74, nej. 13, s. 1625–1634, 2008. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  7. J.M. Urpí, J.C. Weber och C.R. Clement, Peach Palm, Bactris Gasipaes Kunthvol. 20, Bioversity international, Rom, Italien, 1997.
  8. S. Ketema, Tef-Eragrostis tef (Zucc.)vol. 12, Bioversity international, Rom, Italien, 1997.
  9. M. Camciuc, M. Deplagne, G. Vilarem och A. Gaset, "Okra—Abelmoschus esculentus L. (Moench.) en gröda med ekonomisk potential för avsatt areal i Frankrike.” Industrigrödor och produktervol. 7, nej. 2-3, s. 257–264, 1998. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  10. K. T. Moe, S. Kwon och Y. Park, "Trender inom genomik och molekylära markörsystem för utveckling av vissa underutnyttjade grödor," Gener och genomikvol. 34, nr. 5, s. 451–466, 2012. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  11. E. Ernst, "Effekten av örtmedicin - en översikt", Grundläggande och klinisk farmakologivol. 19, nr. 4, s. 405–409, 2005. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  12. H. A. Tindle, R. B. Davis, R. S. Phillips och D. M. Eisenberg, "Trender i användning av komplementär och alternativ medicin av oss vuxna: 1997�," Alternativa terapier inom hälsa och medicinvol. 11, nr. 1, s. 42–49, 2005. Se på: Google Scholar
  13. G. Heubl, "Nya aspekter av DNA-baserad autentisering av kinesiska medicinalväxter med molekylärbiologiska tekniker," Planta Medicavol. 76, nr. 17, s. 1963–1974, 2010. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  14. L. Cornara, B. Borghesi, C. Canali et al., "Smarta droger: grön skyttel eller riktig drog?" International Journal of Legal Medicinevol. 127, nr. 6, s. 1109–1123, 2013. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  15. I. Bruni, F. De Mattia, A.Galimberti et al., "Identifiering av giftiga växter genom DNA-streckkodningsmetod," International Journal of Legal Medicinevol. 124, nej. 6, s. 595–603, 2010. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  16. S. L. Taylor och J. L. Baumert, "Korskontaminering av livsmedel och konsekvenser för matallergiska patienter," Aktuella allergi- och astmarapportervol. 10, nr. 4, s. 265–270, 2010. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  17. Z.P. Zeng och J.G. Jiang, "Analys av de biverkningar som induceras av naturliga produkthärledda läkemedel," British Journal of Pharmacologyvol. 159, nr. 7, s. 1374–1391, 2010. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  18. J. Costa, I. Mafra, J.S. Amaral och M.B.P.P. Oliveira, "Detektion av genetiskt modifierad sojaböns-DNA i raffinerade vegetabiliska oljor," Europeisk livsmedelsforskning och -teknikvol. 230, nr. 6, s. 915–923, 2010. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  19. S. Babaei, M. Talebi och M. Bahar, "Utveckla en SCAR och ITS tillförlitlig multiplex PCR-baserad analys för detektering av safflorförfalskning i saffransprover," Livsmedelskontrollvol. 35, nej. 1, s. 323–328, 2014. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  20. Y. J. Park, J. K. Lee och N. S. Kim, "Simple sequence repeat polymorphisms (SSRP) för utvärdering av molekylär mångfald och könsplasmaklassificering av mindre grödor," Molekylervol. 14, nr. 11, s. 4546–4569, 2009. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  21. S. Soares, I. Mafra, J.S. Amaral och M.B.P.P. Oliveira, "En PCR-analys för att detektera spårmängder av sojabönor i köttkorvar," International Journal of Food Science and Technologyvol. 45, nej. 12, s. 2581–2588, 2010. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  22. F. De Mattia, I. Bruni, A. Galimberti, F. Cattaneo, M. Casiraghi och M. Labra, "En jämförande studie av olika DNA-streckkodningsmarkörer för identifiering av vissa medlemmar av Lamiacaea," Food Research Internationalvol. 44, nej. 3, s. 693–702, 2011. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  23. A.K. Lockley och R.G. Bardsley, "DNA-baserade metoder för matautentisering," Trender inom livsmedelsvetenskap och -teknikvol. 11, nr. 2, s. 67–77, 2000. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  24. I. Mafra, I. M. Ferreira och M. B. P. Oliveira, "Matautentisering med PCR-baserade metoder," Europeisk livsmedelsforskning och -teknikvol. 227, nr. 3, s. 649–665, 2008. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  25. J. Novak, S. Grausgruber-Gröger och B. Lukas, "DNA-baserad autentisering av växtextrakt," Food Research Internationalvol. 40, nej. 3, s. 388–392, 2007. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  26. M. Labra, M. Miele, B. Ledda, F. Grassi, M. Mazzei och F. Sala, "Morfologisk karakterisering, eterisk oljesammansättning och DNA-genotypning av Ocimum basilicum L. cultivars," Växtvetenskapvol. 167, nr. 4, s. 725–731, 2004. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  27. M. Woolfe och S. Primrose, "Food forensics: using DNA-teknologi för att bekämpa felaktig beskrivning och bedrägeri," Trender inom bioteknikvol. 22, nr. 5, s. 222–226, 2004. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  28. S. Imazio, M. Labra, F. Grassi, A. Scienza och O. Failla, "Kloroplastmikrosatelliter för att undersöka vinrankas ursprung," Genetiska resurser och växtutvecklingvol. 53, nej. 5, s. 1003–1011, 2006. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  29. F. De Mattia, F. Grassi, S. Imazio och M. Labra, "Kloroplast och nukleära DNA-markörer för att karakterisera odlade och spontana Ribes,” Växtbiosystemvol. 142, nr. 2, s. 204–212, 2008. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  30. P. Kumar, V. K. Gupta, A. K. Misra, D. R. Modi och B. K. Pandey, "Potential för molekylära markörer i växtbioteknik," Plant Omics: Journal of Plant Molecular Biology & Omicsvol. 2, nr. 4, s. 141–162, 2009. Se på: Google Scholar
  31. A. Galimberti, F. De Mattia, A. Losa et al., "DNA-streckkodning som ett nytt verktyg för spårbarhet av livsmedel," Food Research Internationalvol. 50, nej. 1, s. 55–63, 2013. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  32. H. Chuang, H. Lur, K. Hwu och M. Chang, "Autentisering av inhemska taiwanesiska rissorter baserad på fingeravtrycksanalys av mikrosatellit-DNA-markörer," Botaniska studiervol. 52, nej. 4, s. 393–405, 2011. Se på: Google Scholar
  33. P.D. Hebert, S. Ratnasingham och J.R. de Waard, "Streckkodande djurliv: cytokrom c-oxidassubenhet 1 skiljer sig mellan närbesläktade arter." Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciencesvol. 270, bilaga 1, s. S96–S99, 2003. Se på: Google Scholar
  34. M. Casiraghi, M. Labra, E. Ferri, A. Galimberti och F. de Mattia, "DNA-streckkodning: en rundtur med sex frågor för att förbättra användarnas medvetenhet om metoden," Briefings i bioinformatikvol. 11, nr. 4, Artikel-ID bbq003, s. 440–453, 2010. Visa på: Utgivarwebbplats | Google Scholar
  35. J. Shaw, E. B. Lickey, E. E. Schilling och R. L. Small, "Jämförelse av hela kloroplastgenomsekvenser för att välja icke-kodande regioner för fylogenetiska studier i angiospermer: sköldpaddan och haren III." American Journal of Botanyvol. 94, nr. 3, s. 275–288, 2007. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  36. A. J. Fazekas, K. S. Burgess, P. R. Kesanakurti et al., "Flera multilocus DNA-streckkoder från plastidgenomet diskriminerar växtarter lika bra." PLoS ETTvol. 3, nej. 7, Artikel-ID e2802, 2008. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  37. A. J. Fazekas, P. R. Kesanakurti, K. S. Burgess et al., "Är växtarter i sig svårare att särskilja än djurarter som använder DNA-streckkodningsmarkörer?" Molekylära ekologiska resurservol. 9, nej. 1, s. 130–139, 2009. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  38. D. Mathew, "Bioteknologi," i Trädgårdsodling: Metoder och tillämpningar, K. V. Peter, Ed., kapitel 2, s. 25–50, New India Publishing Agency, New Delhi, Indien, 1:a upplagan, 2014. Se på: Google Scholar
  39. M. L. Hollingsworth, A. Andra Clark, L. L. Forrest et al., "Att välja streckkodsställen för växter: utvärdering av sju kandidatloki med provtagning på artnivå i tre olika grupper av landväxter." Molekylära ekologiska resurservol. 9, nej. 2, s. 439–457, 2009. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  40. P. M. Hollingsworth, S. W. Graham och D. P. Little, "Välja och använda en streckkod för växt-DNA," PLoS ETTvol. 6, nr. 5, Artikel-ID e19254, 2011. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  41. I. Bruni, F. De Mattia, S. Martellos et al., "DNA-streckkodning som ett effektivt verktyg för att förbättra ett digitalt anläggningsidentifieringssystem: en fallstudie för området Mt. Valerio, Trieste (NE Italien)," PloS ettvol. 7, nej. 9, artikel-ID e43256, 2012. Visa på: Google Scholar
  42. W. J. Kress, D. L. Erickson, N. G. Swenson, J. Thompson, M. Uriarte och J. K. Zimmerman, "Framsteg i användningen av DNA-streckkoder för att bygga en gemenskapsfylogeni för tropiska träd i en puertoricansk skogsdynamikplot." PLoS ETTvol. 5, nej. 11, Artikel-ID e15409, 2010. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  43. S. Federici, A. Galimberti, F. Bartolucci et al., "DNA-streckkodning för att analysera taxonomiskt komplexa grupper i växter: fallet med Thymus (Lamiaceae)," Botanical Journal of the Linnean Societyvol. 171, nr. 4, s. 687–699, 2013. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  44. A. Gismondi, F. Fanali, J. M. M. Labarga, M. G. Caiola och A. Canini, "Crocus sativus L. genomics och olika DNA-streckkodstillämpningar,” Växtsystematik och evolutionvol. 299, nr. 10, s. 1859–1863, 2013. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  45. S. Theodoridis, A. Stefanaki, M. Tezcan, C. Aki, S. Kokkini och KE Vlachonasios, "DNA-streckkodning i inhemska växter av familjen Labiatae (Lamiaceae) från Chios Island (Grekland) och den intilliggande ౾&# x15fme-Karaburun Peninsula (Turkiet), Molekylära ekologiska resurservol. 12, nej. 4, s. 620–633, 2012. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  46. M. Kojoma, K. Kurihara, K. Yamada, S. Sekita, M. Satake och O. Iida, "Genetisk identifiering av kanel (Kanel spp.) baserat på trnL-trnF kloroplast-DNA." Planta Medicavol. 68, nej. 1, s. 94–96, 2002. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  47. M. Wang, H. Zhao, L. Wang et al., "Potentiell användning av DNA-streckkodning för identifiering av Salvia baserat på cpDNA- och nrDNA-sekvenser," Genvol. 528, nr. 2, s. 206–215, 2013. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  48. I. Ganopoulos, P. Madesis, N. Darzentas, A. Argiriou och A. Tsaftaris, "Barcode High Resolution Melting (Bar-HRM) analys för detektion och kvantifiering av PDO �va Santorinis” (Lathyrus clymenum) äktenskapsbrott", Matkemivol. 133, nr. 2, s. 505–512, 2012. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  49. P. Madesis, I. Ganopoulos, A. Anagnostis och A. Tsaftaris, "Tillämpningen av Bar-HRM (Barcode DNA-High Resolution Melting) analys för äkthetstestning och kvantitativ detektion av böngrödor (Leguminosae) utan föregående DNA-rening, ” Livsmedelskontrollvol. 25, nej. 2, s. 576–582, 2012. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  50. M. Y. Stoeckle, C. C. Gamble, R. Kirpekar, G. Young, S. Ahmed och D. P. Little, "Kommersiella teer lyfter fram framgångar och hinder för identifiering av växt-DNA-streckkoder." Vetenskapliga rapportervol. 1, sid. 42, 2011. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  51. T. Hidayat, A. Pancoro och D. Kusumawaty, "Användningen av matK-genen för att bedöma evolutionärt förhållande mellan släktet Mangifera (anacardiaceae) i Indonesien och Thailand." Biotropiavol. 18, nr. 2, s. 74–80, 2011. Se på: Google Scholar
  52. J. Yu, H. X. Yan, Z. H. Lu och Z. Q. Zhou, "Screening av potentiella DNA-streckkodsregioner av kloroplastkodande genom för citrus- och dess relaterade släkten", Scientia Agricultura Sinicavol. 44, nej. 2, s. 341–348, 2011. Se på: Google Scholar
  53. T. Xin, H. Yao, H. Gao et al., "Supermat Lycium barbarum (Solanaceae) spårbarhet via en intern transkriberad spacer 2 streckkod," Food Research Internationalvol. 54, nej. 2, s. 1699–1704, 2013. Se på: Google Scholar
  54. L. Jaakola, M. Suokas och H. Häggman, "Nya tillvägagångssätt baserade på DNA-streckkodning och högupplöst smältning av amplikoner för autenticitetsanalyser av bärarter." Matkemivol. 123, nej. 2, s. 494–500, 2010. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  55. R. L. Jarret, "DNA-streckkodning i en grödgenbank: artkomplexet Capsicum annuum," Open Biology Journalvol. 1, s. 35–42, 2008. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  56. S. Chen, H. Yao, J. Han et al., "Validering av ITS2-regionen som en ny DNA-streckkod för identifiering av medicinska växtarter," PLoS ETTvol. 5, nej. 1, artikel-ID e8613, 2010. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  57. T. Gao, H. Yao, J. Song et al., "Identifiering av medicinalväxter i familjen Fabaceae med hjälp av en potentiell DNA-streckkod ITS2," Journal of Ethnopharmacologyvol. 130, nej. 1, s. 116–121, 2010. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  58. Y. Zuo, Z. Chen, K. Kondo, T. Funamoto, J. Wen och S. Zhou, "DNA-streckkodning av panax-arter," Planta Medicavol. 77, nej. 2, s. 182–187, 2011. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  59. V. A. Parvathy, V. P. Swetha, T. E. Sheeja, N. K. Leela, B. Chempakam och B. Sasikumar, "DNA-streckkodning för att upptäcka chiliförfalskning i handlat svartpepparpulver," Livsmedelsbioteknikvol. 28, nej. 1, s. 25–40, 2014. Se på: Google Scholar
  60. S. Federici, D. Fontana, A. Galimberti et al., "En snabb diagnostisk metod för att identifiera giftiga växter med hjälp av DNA-streckkodningsdata," Växtbiosystem. I pressen. Visa på: Google Scholar
  61. T. Hirao, S. Imai, H. Sawada, N. Shiomi, S. Hachimura och H. Kato, "PCR-metod för att detektera spårmängder av bovete (Fagopyrum spp.) i mat," Biovetenskap, bioteknik och biokemivol. 69, nej. 4, s. 724–731, 2005. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  62. I. Ganopoulos, P. Madesis och A. Tsaftaris, "Universal ITS2 Barcoding DNA Region Coupled with High-Resolution Melting (HRM) Analysis for Seed Authentication and Adulteration Testing in Leguminous Forage and Pasture Species," Plant Molecular Biology Reportervol. 30, nej. 6, s. 1322–1328, 2012. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  63. I. Bosmali, I. Ganopoulos, P. Madesis och A. Tsaftaris, "Typning av mikrosatelliter och DNA-streckkodsregioner kombinerat med högupplöst smältning (HRM) analys för livsmedelskriminaltekniska användningar: en fallstudie på linser (Lens culinaris),” Food Research Internationalvol. 46, nr. 1, s. 141–147, 2012. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  64. C. C. Ng, C. Y. Lin, W. S. Tzeng, C. C. Chang och Y. T. Shyu, "Etablering av en intern transkriberad spacer (ITS) sekvensbaserad differentieringsidentifieringsprocedur för mei (Prunus mume) och plommon (Prunus salicina) och dess användning för att upptäcka förfalskning i konserverade frukter, Food Research Internationalvol. 38, nr. 1, s. 95–101, 2005. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  65. I. Ganopoulos, C. Bazakos, P. Madesis, P. Kalaitzis och A. Tsaftaris, "Barcode DNA high-resolution melting (Bar-HRM) analys som ett nytt, tätt och noggrant verktyg för rättsmedicinsk användning av olivolja," Journal of the Science of Food and Agriculturevol. 93, nr. 9, s. 2281–2286, 2013. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  66. M. Li, K. Au, H. Lam et al., "Identifiering av Baiying (Herba Solani Lyrati)-vara och dess giftiga ersättning Xungufeng (Herba Aristolochiae Mollissimae) med hjälp av DNA-streckkodning och kemiska profileringstekniker," Matkemivol. 135, nr. 3, s. 1653–1658, 2012. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  67. S. G. Newmaster, M. Grguric, D. Shanmughanandhan, S. Ramalingam och S. Ragupathy, "DNA-streckkodning upptäcker kontaminering och substitution i nordamerikanska örtprodukter." BMC Medicinvol. 11, nr. 1, sid. 222, 2013. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  68. B. Dhiman och M. Singh, "Molecular detection of Cashew Husk (Anacardium occidentale) förfalskning i marknadsprover av torrt te (Camellia sinensis),” Planta Medicavol. 69, nej. 9, s. 882–884, 2003. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  69. L. J. Wallace, S. M. A. L. Boilard, S. H. C. Eagle, J. L. Spall, S. Shokralla och M. Hajibabaei, "DNA-streckkoder för vardagen: rutinmässig autentisering av naturliga hälsoprodukter," Food Research Internationalvol. 49, nej. 1, s. 446–452, 2012. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  70. M. A. Faria, A. Magalh฾s, M. E. Nunes och M. B. P. P. Oliveira, "Högupplöst smältning av trnL amplikoner i fruktjuicer autentisering," Livsmedelskontrollvol. 33, nej. 1, s. 136–141, 2013. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  71. M. Li, K. Wong, W. Chan et al., "Etablering av DNA-streckkoder för identifiering av de botaniska källorna till den kinesiska 𠇌ooling”-drycken," Livsmedelskontrollvol. 25, nej. 2, s. 758–766, 2012. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  72. J. Han, Y. Wu, W. Huang et al., "PCR- och DHPLC-metoder som används för att upptäcka juiceingrediens från 7 frukter," Livsmedelskontrollvol. 25, nej. 2, s. 696–703, 2012. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  73. A. Valentini, C. Miquel och P. Taberlet, "DNA-streckkodning för biologisk mångfald av honung," Mångfaldvol. 2, nr. 4, s. 610–617, 2010. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  74. A. Ortola-Vidal, H. Schnerr, M. Rojmyr, F. Lysholm och A. Knight, "Kvantitativ identifiering av växtsläkten i livsmedelsprodukter med hjälp av PCR och Pyrosequencing-teknologi," Livsmedelskontrollvol. 18, nr. 8, s. 921–927, 2007. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  75. M. Arleo, F. Ruibal, J. Pereyra, E. Miquel, M. Fernández och C. Martínez, "En DNA-baserad metod för att skilja mellan kvitten och äpple i kvitten sylt," International Food Research Journalvol. 19, nr. 4, s. 1471–1477, 2012. Se på: Google Scholar
  76. T. Yano, Y. Sakai, K. Uchida et al., "Detektion av valnötsrester i bearbetade livsmedel genom polymeraskedjereaktion," Biovetenskap, bioteknik och biokemivol. 71, nr. 7, s. 1793–1796, 2007. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  77. P. Madesis, I. Ganopoulos, I. Bosmali och A.Tsaftaris, "Barcode High Resolution Melting-analys för rättsmedicinska användningar i nötter: en fallstudie om allergiframkallande hasselnötter (Corylus avellana),” Food Research Internationalvol. 50, nej. 1, s. 351–360, 2013. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  78. G. Singh, Växtsystematik: ett integrerat tillvägagångssätt, Science Publishers, New York, NY, USA, 2004.
  79. H. Trindade, "Molekylärbiologi av aromatiska växter och kryddor. En recension," Smak- och dofttidningvol. 25, nej. 5, s. 272–281, 2010. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  80. M. Viuda-Martos, Y. Ruiz-Navajas, J. Fernández-López och J. A. Pérez-Álvarez, "Kryddor som funktionell mat," Kritiska recensioner inom livsmedelsvetenskap och nutritionvol. 51, nr. 1, s. 13–28, 2011. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  81. A. Paton, M. R. Harley och M. M. Harley, "Ocimum: en översikt över klassificering och relationer,” i Basilika: Släktet Ocimum, s. 1–38, 1999. Se på: Google Scholar
  82. A. O. Tucker, "Sanningen om myntverk", Örtsällskapvol. 4, s. 51–52, 1992. Se på: Google Scholar
  83. V. Gobert, S. Moja, M. Colson och P. Taberlet, “Hybridization in the section Mentha (Lamiaceae) härledd från AFLP-markörer," American Journal of Botanyvol. 89, nr. 12, s. 2017–2023, 2002. Se på: Google Scholar
  84. A. Torelli, M. Marieschi och R. Bruni, "Authentication of saffron (Crocus sativus L.) i olika bearbetade detaljhandelsprodukter med hjälp av SCAR-markörer,” Livsmedelskontrollvol. 36, nej. 1, s. 126–131, 2014. Se på: Google Scholar
  85. K. Dhanya och B. Sasikumar, "Molekylär markörbaserad förfalskningsdetektering i handlade livsmedel och jordbruksprodukter av vegetabiliskt ursprung med särskild hänvisning till kryddor," Aktuella trender inom bioteknik och farmacivol. 4, nr. 1, s. 454–489, 2010. Se på: Google Scholar
  86. P. Posadzki, L. Watson och E. Ernst, "Kontamination och förfalskning av växtbaserade läkemedel (HMPs): en översikt över systematiska översikter," European Journal of Clinical Pharmacologyvol. 69, nej. 3, s. 295–307, 2013. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  87. M. Marieschi, A. Torelli, F. Poli, A. Bianchi och R. Bruni, "Kvalitetskontroll av kommersiell medelhavsoregano: utveckling av SCAR-markörer för detektion av äktenskapsförbrytare Cistus incanus L., Rubus caesius L. och Rhus coriaria L., ” Livsmedelskontrollvol. 21, nr. 7, s. 998–1003, 2010. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  88. M. Marieschi, A. Torelli, A. Bianchi och R. Bruni, "Detecting Satureja montana L. och Origanum majorana L. med hjälp av SCAR-PCR i kommersiella prover av Medelhavsoregano,” Livsmedelskontrollvol. 22, nr. 3-4, s. 542–548, 2011. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  89. M. Marieschi, A. Torelli, A. Bianchi och R. Bruni, "Utveckling av en SCAR-markör för identifiering av Olea europaea L.: en nyupptäckt äktenskapsförbrytare i kommersiell medelhavsoregano." Matkemivol. 126, nr. 2, s. 705–709, 2011. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  90. M. Barbuto, A. Galimberti, E. Ferri et al., "DNA-streckkodning avslöjar bedrägliga ersättningar i skaldjursprodukter från haj: det italienska fallet med “palombo” (Mustelus spp.)", Food Research Internationalvol. 43, nr. 1, s. 376–381, 2010. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  91. Z. Hubalkova och E. Rencova, "Enstegs multiplex PCR-metod för bestämning av pekannötter och paranötsallergener i livsmedelsprodukter," Journal of the Science of Food and Agriculturevol. 91, nr. 13, s. 2407–2411, 2011. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  92. J. Costa, I. Mafra, I. Carrapatoso och M.B.P.P. Oliveira, "Mandelallergener: molekylär karakterisering, detektion och klinisk relevans." Journal of Agricultural and Food Chemistryvol. 60, nej. 6, s. 1337–1349, 2012. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  93. F. M. Hammouda, A. M. Rizk, M. M. El-Missiry et al., "Giftiga växter som förorenar ätbara och giftiga ämnen i vegetabiliska livsmedel. IV. Fytokemi och toxicitet av Lolium temulentum,” International Journal of Crude Drug Researchvol. 26, nr. 4, s. 240–245, 1988. Se på: Google Scholar
  94. R. Walker, "Kriterier för riskbedömning av botaniska kosttillskott," Toxikologi bokstävervol. 149, nej. 1𠄳, s. 187–195, 2004. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  95. M. L. Colombo, F. Assisi, T. D. Puppa et al., "Oftast växtexponeringar och förgiftningar från giftiga växter utomhus," Journal of Pharmaceutical Sciences and Researchvol. 2, nr. 7, s. 417–425, 2010. Se på: Google Scholar
  96. Y. Finkelstein, S.E. Aks, J.R. Hutson et al., "Colchicin poisoning: the dark side of an old drug," Klinisk toxikologivol. 48, nej. 5, s. 407–414, 2010. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  97. M.A. Berdai, S. Labib, K. Chetouani och M. Harandou, "Atropa Belladonna berusning: en fallrapport.” Pan African Medical Journalvol. 11, sid. 72, 2012. Se på: Google Scholar
  98. E. Rr, "Läkeväxter i Europa som innehåller pyrrolizidinalkaloider," Pharmazievol. 50, nej. 2, s. 83–98, 1995. Se på: Google Scholar
  99. C. Franz, R. Chizzola, J. Novak och S. Sponza, "Botaniska arter som används för tillverkning av växtkosttillskott (PFS) och relaterade produkter i EU:s medlemsländer och utvalda tredjeländer," Mat och funktionvol. 2, nr. 12, s. 720–730, 2011. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  100. H. Wiedenfeld och J. Edgar, "Toxicitet av pyrrolizidinalkaloider för människor och idisslare," Fytokemi recensionervol. 10, nr. 1, s. 137–151, 2011. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  101. K.S. Burgess, A.J. Fazekas, P.R. Kesanakurti et al., "Diskriminering av växtarter i en lokal tempererad flora med hjälp av rbcL+matK DNA-streckkoden," Metoder i ekologi och evolutionvol. 2, nr. 4, s. 333–340, 2011. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  102. A. Sandionigi, A. Galimberti, M. Labra et al., "Analytiska tillvägagångssätt för DNA-streckkodningsdata - hur hittar man ett sätt för växter?" Växtbiosystemvol. 146, nr. 4, s. 805–813, 2012. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  103. S. Ratnasingham och P. D. N. Hebert, "BOLD: the streckcode of life data system: barcoding," Molekylära ekologinotervol. 7, nej. 3, s. 355–364, 2007. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  104. F. De Mattia, R. Gentili, I. Bruni et al., "A multi-marker DNA barcoding approach to save time and resources in vegetation surveys," Botanical Journal of the Linnean Societyvol. 169, nej. 3, s. 518–529, 2012. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  105. M. L. Kuzmina, K. L. Johnson, H. R. Barron och P. D. N. Hebert, "Identifiering av kärlväxterna i Churchill, Manitoba, med hjälp av ett DNA-streckkodsbibliotek," BMC Ekologivol. 12, sid. 25, 2012. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  106. F. Sanger, S. Nicklen och A. R. Coulson, "DNA-sekvensering med kedjeavslutande inhibitorer," Förfaranden vid National Academy of Sciences i USAvol. 74, nej. 12, s. 5463–5467, 1977. Se på: Google Scholar
  107. M. Hajibabaei, S. Shokralla, X. Zhou, G. A. C. Singer och D. J. Baird, "Environmental barcoding: a next-generation sequencing approach for biomonitoring applications using river benthos," PLoS ETTvol. 6, nr. 4, artikel-ID e17497, 2011. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  108. S. Shokralla, J.L. Spall, J.F. Gibson och M. Hajibabaei, "Nästa generations sekvenseringsteknologier för miljö-DNA-forskning," Molekylär ekologivol. 21, nr. 8, s. 1794–1805, 2012. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  109. M. L. Metzker, "Sekvenseringsteknologier #x2014nästa generation", Naturrecensioner Genetikvol. 11, nr. 1, s. 31–46, 2010. Visa på: Publisher Site | Google Scholar
  110. M. L. Coghlan, J. Haile, J. Houston et al., "Djup sekvensering av växt- och djur-DNA som ingår i traditionell kinesisk medicin avslöjar laglighetsproblem och hälsosäkerhetsproblem." PLoS Genetikvol. 8, nej. 4, Artikel-ID e1002657, 2012. Visa på: Publisher Site | Google Scholar

Upphovsrätt

Copyright © 2014 Andrea Galimberti et al. Detta är en artikel med öppen tillgång som distribueras under Creative Commons Attribution License, som tillåter obegränsad användning, distribution och reproduktion i vilket medium som helst, förutsatt att originalverket är korrekt citerat.


Utvärdering av genetisk homogenitet hos in vitro-uppfödda växter av Tecomella undulata (Sm.) Synas. med hjälp av molekylära markörer

Tecomella undulata (Sm.) Seem (familjen Bignoniaceae) är ett ekonomiskt och farmaceutiskt viktigt timmerträd i torra områden i Indien. Överexploatering av naturliga bestånd i kombination med minimala ansträngningar för bevarande och återplantering av skog har lett till att det har införlivats i listan över hotade arter. Detta monotypa släkte kan endast förökas genom frön eftersom inga metoder finns tillgängliga för dess vegetativa förökning. Därför protokoll för multiplikation av T. undulata via direkt regenerering med användning av nodalsegment från mogna träd har standardiserats. Autentisering av genetisk homogenitet hos dessa in vitro-uppfödda växter är nödvändig för tillämpning i kommersiell skala av det utvecklade mikroförökningsprotokollet. PCR-baserade molekylära markörer som har dykt upp som enkla, snabba, pålitliga och arbetseffektiva verktyg för att testa den genetiska homogeniteten hos in vitro-uppfödda växter användes i denna studie. Godtyckliga (slumpmässigt amplifierat polymorft DNA, RAPD), semi-godtyckliga (inter-enkel sekvensupprepning, ISSR-startkodonmålriktad (SCoT) polymorfism) och sekvensbaserade (enkel sekvensupprepning, SSR) markörer användes. DNA-prover av skott hållna in vitro i 2 år insamlade efter var 4:e subkulturcykel (om 3 veckor vardera) och fältöverförda plantor jämfördes med moderträdets DNA med användning av 131 primrar (25 vardera av RAPD, ISSR, SCoT och 56 SSR) . Scorbara otvetydiga och reproducerbara DNA-fragment producerades av 77 (21 RAPD, 20 ISSR, 22 SCoT och 14 SSR) primrar. Totalt 71, 93, 94 och 42 distinkta och poängbara DNA-fragment producerades av RAPD-, ISSR-, SCoT- respektive SSR-primrar med ett genomsnitt på 3,38, 4,65, 4,27 och 3,0 DNA-fragment per primer. Typtrogen natur hos de in vitro-uppfödda växterna av T. undulata som genomgick upp till 32 subkulturpassager under en period av cirka 2 år autentiserades av monomorfa DNA-fragment amplifierade med alla primerkombinationer. Därför kan det utvecklade mikroförökningsprotokollet säkert användas i kommersiell skala för förökning T. undulata växter.

Detta är en förhandsvisning av prenumerationsinnehåll, åtkomst via din institution.


3 SLUTSATS OCH UTSIKTER

Riktlinjerna som presenteras här visar att återplantering av skog är mer komplex än vad man ofta tror från början. Det finns ingen universell, enkel lösning på ett framgångsrikt initiativ med tanke på den extraordinära mångfalden av arter, skogstyper, platser och kulturella och ekonomiska miljöer. I många fall där försörjningen är beroende av förändrade landskap kan restaureringsmål endast uppnås genom att skapa en mosaik av markanvändning på landskapsnivå och genom att engagera sig i samhället i stort (Figur 5).

Trots den inneboende komplexiteten i återplanteringsinitiativ finns det framgångsrika exempel att bygga vidare på och utveckla vidare. Under de senaste 30 åren har ekologer omvandlat konceptet med skogsrestaurering till ett uppnåeligt mål, efter att ha utvecklat verktyg för att övervinna tekniska och kunskapsbarriärer för dess implementering genom robust vetenskaplig forskning. Detta innebär att uppmaningar från FN och många andra organisationer att återställa skog till hundratals miljoner hektar över hela världen – tidigare otänkbara – blir allt mer genomförbara. Men att uppnå sådana ambitiösa mål kommer bara att ske genom noggrant övervägande av de olika aspekter som diskuteras i denna översyn.

Partnerskap som involverar flera intressenter (företag, regeringar, icke-statliga organisationer, vetenskapsmän, praktiker, markägare) kommer sannolikt att ge de mest bestående fördelarna på lång sikt. Att övervinna de socioekonomiska och politiska hindren för skogsrestaurering kommer också att kräva god förvaltning, långsiktiga finansieringsmekanismer, stadfästa rättsliga skyddsåtgärder för de återställda platserna och effektiv kommunikation mellan intressenter i gränssnittet vetenskap–policy–praxis.

Omfattande återplanteringsprogram pågår nu över hela planeten, och dessa kommer att kräva övervakning så att lärandemöjligheter inte går förlorade. Vi måste förlita oss på de bästa tillgängliga vetenskapliga bevisen och implementera noggrant planerade, replikerade, kontrollerade experiment i stora rumsliga skalor. Detta är nyckeln till att objektivt testa och kontinuerligt förbättra effektiviteten hos befintliga socioekonomiska konstruktioner, såsom samhällsskogsbruk, REDD+, FLR och PES. Det är avgörande att politiker och beslutsfattare måste agera nu för att skapa ett snabbt paradigmskifte i hur vi skyddar befintliga skogar och återställer nya med hjälp av inhemska arter, till gagn för både människor och natur. De bör använda innovativa bestämmelser, incitament och alla hävstång som står till deras förfogande.

De massiva återplanteringsinitiativen som för närvarande pågår, det kommande FN-decenniet om ekologisk restaurering och strävanden efter en grön återhämtning efter COVID-19, har skapat ett oöverträffat hopp och optimism om att skogsrestaurering verkligen kan förbättra den globala ekologin samtidigt som den höjer den lokala försörjningen. Den kommer dock bara att göra det om den är baserad på sund vetenskap, vägledd av inhemsk kunskap och lokala samhällen, stödd av rättvis styrning och incitament av långsiktiga finansieringsmekanismer. Vi hoppas att de 10 gyllene reglerna som beskrivs här kommer att hjälpa alla som är involverade i att återställa jordens skogar att ta itu med sådana frågor fruktbart och förvandla hoppet och optimismen till verklighet.


Material och metoder

Studera arter och provtagningsstrategi

Castanospermum austral (svart böna) är fördelad längs kustnära östra Australien, från Cape York till subtropiska norra New South Wales (Fig 1). Det är ett stort strandkantsträd (till 40 m) väl representerat i undervåningen av gammal skog som även kan hittas i trädfallsluckor och störda livsmiljöer. Fröplantans fysiologi tyder på att denna art kan fungera som ett tidigt successivt träd, såväl som ett mogen fas [30]. Svarta bönor producerar blomblomblommor 5–15 cm långa, med orange till röda blommor 30–40 mm långa som lockar både ryggradsdjur och insektspollinatorer.

Fröskidor, upp till 20 cm långa, innehåller tre till fem 3 cm breda frön och är flytande och salttoleranta [17]. Fröet består av stora hjärtblad med en icke-fotosyntetisk roll. Efter groning kan långlivade plantbankar etableras. Frönas förmåga att sprida sig över oceanerna underbyggs av artens utbredning, som sträcker sig över ett betydande område av sydvästra Stilla havet, från östra Australien till Nya Kaledonien och Vanuatu, och av nära fylogenetiska och fytokemiska samband mellan de monotypiska Castanospermum och det sydamerikanska regnskogssläktet Alexa (nio arter [31], [32]). Fröna av C. australien innehåller höga koncentrationer av alkaloider och saponiner som kan avskräcka frönpredation [33]. Dessa föreningar har fått betydande vetenskaplig uppmärksamhet i samband med deras antivirala egenskaper [34], såväl som i relation till deras toxicitet [18].

Vår provtagningsstrategi inom ramen för lokal spridning av aboriginer fokuserade på platser som representerar artens södra utbredningsmarginal i norra New South Wales (NNSW, Australien) och var inte avsedd att uttömmande representera alla populationer för att utforska kontinentomfattande anslutningar eller bredare biogeografiska frågor . Provtagningen utfördes under en vetenskaplig licens (#100569), avsnitt 132c i National Parks and Wildlife Services Act 1974 utfärdat av New South Wales Office of Environment and Heritage (provtagningen involverade inte hotade eller skyddade arter). Målet var att säkerställa tillräcklig geografisk representation över de huvudsakliga NNSW-avrinningsområdena för att undersöka genomisk homogenitet kontra genomisk heterogenitetshypotes. Mycket homogena moderärvda plastidgenom över studieområdet skulle tyda på snabb och nyligen spridning från en liten grundarhändelse, medan plastidheterogenitet skulle tyda på längre lokal persistens och/eller flera grundarhändelser. Fokus på NNSW påverkades av den nuvarande bristen på lokal spridningsfauna och frånvaron av megafauna [27], och av vår förståelse av lokal regnskogsdynamik och påverkan av miljömässiga och biogeografiska processer på artfördelning och gemenskapssammansättning [28], [29] ].

Representativa platser från Australian Wet Tropics (AWT, norra Queensland, Australien) inkluderades också som ett jämförande nordligt, latitudinellt disjunkt prov från regnskogsregionen med den högsta mångfalden av flora och fauna i Australien (inklusive den återstående representanten för regnskogens megafauna, Cassowary: Casuarius casuarius johsonii). Detta norra område har också en utökad arkeologisk registrering av användningen av C. australiens frön [26].

Åtta mogna individer togs från varje plats (för totalt 96 individer på 12 platser), försiktighet vidtogs för att undvika platser som påverkades av modern mänsklig aktivitet och provtagningen var begränsad till reservat eller bevarandeområden (tabell 1).

Platserna är ordnade i ett latitudinellt mönster, som börjar med de jämförande nordliga platserna (AWT) följt av huvudstudieplatserna (NNSW). Namn (och förkortningar), platsdetaljer, höjd och avstånd från kusten listas.

Antropologisk datainsamling

En litteratursökning på skrivbordet genomfördes under 2015 och 2016 för att sammanställa historisk dokumentation av tidiga koloniala europeiska observationer av aboriginernas användning och förflyttning av C. australien samt all språklig eller kulturell information (e.g., legender, Songlines). Källor som söktes inkluderade JSTOR, Google Scholar, Google och Australian Institute of Aboriginal och Torres Strait Islander studerar MURA elektroniska databaser som använder de vetenskapliga och vanliga namnen (svart böna, Moreton Bay kastanj, bönträd) och NNSW aboriginal stamnamn (Bundjalung, Githabul) , Gidabul, Bandjalang, Widjabul och stavningsvarianter av dessa namn). Vi undersökte också aboriginalspråksordböcker och all annan historisk dokumentation från NNSW inklusive det privata och omfattande biblioteket av Tweed Valley Aboriginal historiaexpert Ian Fox. Referenser till betydande aboriginska platser, Songlines och vägar i NNSW kartlades med QGIS (version 2.18, www.qgis.org).

Under 2016 intervjuades fem aboriginska kunskapsvårdare från NNSW om deras kunskap om C. australien. Semistrukturerade intervjuer underlättades av Oliver Costello och Emilie Ens och fokuserade på frågorna som presenterades i S2 Appendix. Human Research Ethics godkännande erhölls från Macquarie University för att spela in intervjuer om C. australien. Alla personer i detta manuskript och stödjande information har gett skriftligt informerat samtycke (som beskrivs i PLOS-samtyckesformuläret och i ett standardsamtyckesformulär för Macquarie University) för att publicera dessa falldetaljer.

Även om postkolonial icke-aboriginal terminologi för aboriginsk kunskap, sånger och dans ofta beskrivs som "drömmande" berättelser eller legender, innehåller dessa uttrycksformer ofta kunskap som är baserad på tidigare observationer, handlingar och lektioner som har kodats under årtusenden i muntligt överförbara och minnesvärda former. De ska inte räknas bort som myter eller sagor. Västerländskt vetenskapligt tänkande har sagt till oss att sanningen måste skiljas från religiösa eller andliga tolkningar, vilket har resulterat i moderna missförstånd och feltolkningar av många traditionella eller inhemska kunskapssystem över hela världen [35].

Kloroplastgenom och ribosomal DNA-sekvensering

Populationsdynamiska processer förmedlade av olika mekanismer producerar urskiljbara genetiska mönster, särskilt i relation till expansion över landskapet. Undersökningen av kloroplast-DNA (cpDNA) variation över landskapet ger brett tillämpliga metoder för att kvantifiera frömedierad spridning över en rad rumsliga skalor [36]. Det moderliga arvet och den konserverade naturen hos kloroplast-DNA gör det särskilt användbart för att utforska frömedierad spridning, även om traditionella sekvenseringsmetoder kan ge begränsad analytisk kraft [37]. Nyligen utvecklade DNA-baserade metoder som möjliggör analys av hela plastidgenom och andra mycket repetitiva DNA-sekvenser ger nya möjligheter för att upptäcka mönster på landskapsnivå, även i icke-modellarter med låg diversitet [38], [39]. Här använde vi genomskumning (definierad som hagelgevärssekvensering med låg täckning av totalt DNA [40]) och bioinformatiska analyser för att fånga Single Nucleotide Polymorphism (SNP) variation i kloroplast och nukleärt ribosomalt DNA [28].

Lövvävnad togs från 96 individer (åtta individer från var och en av de 12 studieställena enligt provtagningsstrategin) och lagrades vid -80°C före DNA-extraktion. Totalt DNA extraherades från varje individ med Qiagen DNeasy Plant Mini-kit och DNA-prover kvantifierades med en Qubit 2.0 fluorometer (Life Sciences). För att förbereda platsspecifika genomiska bibliotek normaliserades de åtta DNA-extrakten som erhölls från varje plats och slogs samman för nästa generations sekvensering. Eftersom vårt mål var att kvantifiera nukleotidvariation inom och mellan platser snarare än att karakterisera individer, använde vi poolade prover per plats och mätte variation inom plats (i.e., SNP:er detekterade inom en platsspecifik pool) såväl som variation mellan platser (i.e., fixerade sekvensskillnader mellan platser) [39]. Biblioteksförberedelser följde standard Nextera-protokoll (Illumina Inc., San Diego, CA, USA), och parad-ände (2x150 bp) hagelgevärssekvensering utfördes på en Illumina Genome Analyzer (GAIIx) av Ramaciotti Center for Genomics (University of NSW, Australien). Detaljer om utgångar för hagelgevärssekvenser ges i S5 Appendix.

Parade avläsningar importerades till CLC Bio Genomics Workbench (version 6.5, www.clcbio.com) och sekvenser trimmades med standardinställningar för att ta bort läsningar av låg kvalitet och läsningar under 50 bp långa. För att möjliggöra läsmapping och SNP-detektion, referenssekvenser som representerar C. australien kloroplastgenom och nukleärt ribosomalt DNA sattes ihop från vart och ett av de platsspecifika hagelgevärsbiblioteken enligt ett standardiserat tillvägagångssätt [39]. Avläsningar från varje bibliotek kartlades separat på de konstruerade referenssekvenserna med kartläggningslikheten och längdfraktionen inställd på 0,8 respektive 0,9.

Variantdetektering inom populationen utfördes med minsta variantfrekvens inställd som det procentuella bidraget från varje individ som ingår i poolen (i.e., 12,5 %). För varianter som skulle bekräftas användes en minsta täckning på 20x, och visuell inspektion verifierade deras närvaro i både framåt- och bakåtriktning. Konsensussekvenser (som representerar varje plats) från kloroplast- och ribosomavläsningskartläggningarna importerades till Geneious Pro (R8, www.geneious.com, Biomatters Ltd.) för anpassning. Områden med låg täckning togs bort och SNP-plats antecknades på konsensusfilerna [39].

För att få en enkel representation av genomiska avstånd mellan populationer beräknades parvisa avstånd med hjälp av MAFFT-plugin i Geneious med standardinställningar. En kloroplastsekvensinriktning av alla C. australien webbplatser analyserades med MrBayes plugin i Geneious [41], och ett relationsträd genererades med gamma-fördelad hastighetsvariation och en HKY85-substitutionsmodell, med de första 100 000 av en 5 000 000 kedjelängd kasserade som inbränning, och fyra uppvärmda kedjor kördes med en delsamplingsfrekvens på 5 000. Målet med trädet var inte att uppskatta förgreningstopologi eller djupare relationer mellan dess grenar, utan att visuellt representera mångfald inom fokallinjen (Fig 1).

Förutom mångfald inom populationen och avståndsmått mellan populationer uppskattade vi mångfalden inom upptagningsområdet och avståndet mellan upptagningsområdena. SNP-diversitet inom upptagningsområdet bestämdes av det totala antalet fasta SNP:er som endast fanns inom ett avrinningsområde men inte i andra avrinningsområden (i.e., antal fasta, unika SNP). Genomsnittligt antal SNP:er mellan upptagningsområden (liksom genomsnittligt antal SNP:er som skiljer mellan NNSW och AWT) bestämdes av det totala antalet fasta SNP:er som skilde avrinningsområden (eller regioner) från varandra [28].


Framtidens majs är hundratals år gammal och gör sitt eget slem

På 1980-talet letade Howard-Yana Shapiro, numera jordbrukschef på Mars, Incorporated, efter nya sorters majs. Han befann sig i Mixes-distriktet i Oaxaca i södra Mexiko, området där prekursorerna till majs (alias majs) först utvecklades, när han hittade några av de märkligaste majsen som någonsin skådats. Det var inte bara 16 till 20 fot högt, vilket överskred de 12-fots grejer i amerikanska fält, det tog sex till åtta månader att mogna, mycket längre än de 3 månader som behövs för konventionell majs. Ändå växte den till de imponerande höjderna i vad som välgörande kan kallas fattig jord, utan användning av gödningsmedel. Men den märkligaste delen av majsen var dess luftrötter - gröna och rosafärgade, fingerliknande utsprång som stack ut ur majsstjälk, droppande med en klar, sirapsliknande gel.

Shapiro misstänkte att dessa slemhinnande fingrar kunde vara jordbrukets heliga gral. Han trodde att rötterna gjorde det möjligt för denna unika sort av majs, kallad Sierra Mixe och lokalt uppfödd under hundratals eller till och med tusentals år, att producera sitt eget kväve, ett viktigt näringsämne för grödor som vanligtvis appliceras som gödningsmedel i episka mängder.

Idén verkade lovande, men utan DNA-verktyg för att undersöka detaljerna om hur majsen gjorde kväve, lades upptäckten på hyllan. Nästan två decennier senare, 2005, började Alan B. Bennett från University of California, Davis—tillsammans med Shapiro och andra forskare— använda banbrytande teknologi för att undersöka de kvävefixerande egenskaperna hos den slemma majsen, och upptäckte att bakterier som bodde i slemmet drog kväve från luften och omvandlade det till en form som majsen kunde absorbera.

Nu, efter över ett decennium av fältforskning och genetisk analys, har teamet publicerat sitt arbete i tidskriften PLOS Biology. Om den kvävefixerande egenskapen kunde förädlas till konventionell majs, så att den kan producera till och med en del av sitt eget kväve, skulle det kunna minska kostnaderna för jordbruket, minska utsläppen av växthusgaser och stoppa en av de största föroreningarna i sjöar, floder och vattendrag. hav. Det kan med andra ord leda till en andra kväverevolution.

Den syntetiska produktionen av kväve kan vara 1900-talets största bedrift. Upptäckten av Haber-Bosch-processen och dess förfining, där kväve avlägsnas ur luften under hög värme och tryck i närvaro av en katalysator, har lett till tre separata Nobelpriser. Och de är välförtjänta. Det uppskattas att skördarna mer än fördubblades mellan 1908 och 2008, med syntetiska kvävegödselmedel som stod för upp till hälften av denna tillväxt. Vissa forskare har kopplat den massiva tillväxten i mänsklig befolkning under de senaste sjuttio åren till den ökade användningen av kvävegödsel. Utan den skulle vi behöva odla nästan fyra gånger så mycket mark eller ha miljarder färre människor i världen.

Men att producera allt kväve får konsekvenser. Det uppskattas att tillverkning av gödningsmedel via Haber-Bosch-processen använder mellan 1 och 2 procent av världens energi och släpper ut massor av växthusgaser. Och syntetiskt kväve sköljer rutinmässigt bort fälten i vattendrag, vilket leder till massiva algblomningar som suger upp allt syre och dödar fiskar och andra organismer. Så mycket kväve går in i floder och bäckar att stora döda zoner har utvecklats vid mynningen av världens floder, inklusive en i Mexikanska golfen som förra året var lika stor som New Jersey. Mark Sutton från UK Centre for Ecology and Hydrology kallar kväve för "föroreningarnas gudfader" dess effekter finns överallt, men du ser aldrig den skyldige.

Forskare transplanterade till och med majsen till Madison, Wisconsin, och fann att den fortfarande kunde göra sitt eget kväve ur sin ursprungliga miljö. (Foto: Jean-Michel Ané)

Men vi kan inte bara sluta med kväve utan att se stora minskningar inom jordbruket. Även om bättre förvaltning och jordbruksmetoder kan hjälpa till att hålla det borta från vattendrag, är dessa strategier inte tillräckligt för att åtgärda kvävets ekologiska problem. Det är därför forskare i decennier har undrat om det fanns ett sätt att hjälpa spannmålsgrödor som majs och vete att producera sitt eget kväve.

Tanken är inte så långsökt som den låter. Många växter, särskilt baljväxter som sojabönor, jordnötter och klöver, har ett symbiotiskt förhållande med Rhizobium-bakterier, som producerar kväve åt dem. Växterna odlar rotknölar där bakterierna tar sin plats och smuttar på växtsocker samtidigt som de omvandlar kväve i luften till en form som växterna kan använda. Om ett liknande symbiotiskt förhållande kunde hittas som fungerar i spannmålsgrödor som majs och vete, tror forskare att vi kan minska vår användning av föroreningen.

Det är därför slemmajsen är så viktig, och varför Bennett och hans team ägnade åtta år åt att studera och omstudera bakterierna och gelén för att övertyga sig själva om att majsen verkligen kunde producera sitt eget kväve. Med hjälp av DNA-sekvensering kunde de visa mikroberna i de slemburna generna för att fixera kväve och visade att gelen majsen utsöndrar, som är högt socker och låg syrehalt, är perfekt utformad för att uppmuntra kvävefixering. Genom att använda fem olika tester visade de att kvävet som produceras av mikroberna sedan tog sig in i majsen, vilket tillgodoser 30 till 80 procent av växtens behov. De producerade sedan en syntetisk version av slemmet och sådde det med mikroberna, och upptäckte att de producerade kväve i den miljön också. De odlade till och med Sierra Mixe i Davis, Kalifornien, och Madison, Wisconsin, vilket visade att det kunde utföra sitt speciella trick utanför sin hemmaplan i Mexiko.

“Denna mekanism skiljer sig helt från vad baljväxter använder,” säger Bennett och tillägger att den kan finnas i andra grödor också. “Det är säkert tänkbart att liknande typer av system finns i många spannmål. Sorghum har till exempel luftrötter och slem. Kanske har andra mer subtila mekanismer som uppstår under jorden som skulle kunna existera mer allmänt. Nu när vi är medvetna kan vi leta efter dem.”

Medförfattaren Jean Michel-Ane från University of Wisconsin, Madison, håller med om att denna upptäckt öppnar upp alla typer av nya möjligheter. “Att konstruera majs för att fixera kväve och bilda rotknölar som baljväxter har varit en dröm och en kamp för forskare i decennier. Det visar sig att denna majs utvecklade ett helt annat sätt att lösa detta kvävefixeringsproblem. Det vetenskapliga samfundet underskattade förmodligen kvävefixering i andra grödor på grund av sin besatthet av rotknölar, säger han i ett uttalande. “Denna majs visade oss att naturen kan hitta lösningar på vissa problem långt utöver vad forskare någonsin kunde föreställa sig.”

Det visar sig att naturen har ännu fler kväveproducerande knep i rockärmen som forskare bara får grepp om. Det finns flera andra pågående projekt som syftar till att få spannmåls- och grönsaksgrödor att göra Haber-Bosching åt oss. En av de mest lovande är användningen av endofyter, eller mikroorganismer som bakterier och svampar som lever i växternas intercellulära utrymmen. University of Washington-forskaren Sharon Doty blev intresserad av organismerna för ett par decennier sedan. Hon studerade pil- och poppelträd, som är bland de första träden som växer på störd mark efter händelser som ett vulkanutbrott, översvämningar eller stenfall. Dessa träd växte ur flodgrus, med knappt tillgång till kväve i jorden. Inuti deras stjälkar hittade Doty endofyter som fixerade kvävet för träden, inga rotknölar behövs. Sedan dess har hon retat ut dussintals olika endofytstammar, av vilka många hjälper växter på överraskande sätt. Vissa producerar kväve eller fosfor, ett annat viktigt näringsämne, medan andra förbättrar rottillväxten och vissa tillåter växter att överleva i torka eller höga saltförhållanden.

“Det [finns] en hel rad olika mikrober som kan fixera kväve och ett brett spektrum av växtarter som påverkas av dem,”, säger hon. Hennes tester har visat att mikroberna kan fördubbla produktiviteten hos peppar- och tomatplantor, förbättra tillväxten i ris och ge torktolerans till träd som douglasgranar. Vissa låter till och med träd och växter suga upp och bryta ner industriella föroreningar och används nu för att städa upp Superfund-platser. “Fördelen med att använda endofyter är att det är en riktigt stor grupp. Vi har hittat stammar som fungerar med ris, majs, tomater, paprika och andra jordbruksmässigt viktiga växter.”

Faktum är att endofyter kan komma till böndernas händer förr snarare än senare. The Los Altos, Kalifornien-baserade IntrinsyxBio kommersialiserar några av Doty’s endofyter. Chief Science Officer John L. Freeman säger i en intervju att företaget är på väg att ha en produkt klar för marknaden 2019. Målet är att leverera flera stammar av endofyter till växter, troligen genom att belägga fröna. Efter att dessa bakterier har tagit plats i anläggningen bör de pumpa ut cirka 25 procent av det kväve som behövs.

Ett annat bioteknikföretag, kallat Pivot Bio, meddelade nyligen att det betatestar en liknande lösning, med hjälp av kvävefixerande mikrober som växer i majsens rotsystem.

Det nyligen framväxande fältet syntetisk biologi tar också tag i kväveproblemet. Boston-baserade Joyn Bio, som bildades i september förra året, är ett samprojekt mellan Bayer och Ginkgo Bioworks, ett bioteknikföretag med erfarenhet av att skapa skräddarsydda jästsvampar och bakterier för livsmedels- och smaktillverkningsindustrin, bland andra “designermikrober”-projekt. Joyn söker just nu igenom Bayers bibliotek med över 100 000 mikrober för att hitta en värd som framgångsrikt kan kolonisera växter, liknande Dotys endofyter. Sedan hoppas de kunna finjustera det där “värdchassit” med gener som gör att det kan fixera kväve. “Istället för att lita på naturen och hitta en magisk mikrob, som vi inte tror finns, vill vi hitta vår värdmikrob och finjustera den för att göra vad vi behöver den för att göra för majs eller vete,” säger Joyn VD Michael Miille.

Gates Foundation är också med i spelet och stödjer projekt som försöker förmedla baljväxternas kvävefixerande förmåga till spannmål. Ytterligare andra team hoppas att tillkomsten av överladdade kvantberäkningar kommer att öppna upp nya världar av kemi och identifiera nya katalysatorer som kommer att göra Haber-Bosch-processen mycket mer effektiv.

Även om det är osannolikt att en lösning ensam kommer att kunna ersätta 100 procent av de syntetiska gödningsmedel som människor använder, kanske dessa projekt tillsammans kan göra ett allvarligt hack i kväveföroreningar. Bennett hoppas att Sierra Mixe och vad hans team har lärt sig av det kommer att vara en del av kväverevolutionen, även om han medger att det är ett mycket långt steg innan hans slemmiga majsfingrar börjar producera kväve i konventionella grödor. Han vill nu identifiera generna som producerar luftrötterna och slå fast vilka av de tusentals mikrober som upptäckts i slemmet som faktiskt fixerar kvävet.

“Jag ​​tror att det vi gör kan vara ett komplement till dessa [endoyfte och syntetiska biologi] tillvägagångssätt,”, säger han. "Jag tror att vi kommer att se många olika strategier, och om 5 till 10 år kommer något att dyka upp som påverkar hur majs får kväve."

Redaktörens anteckning 8/15/18: Ett tidigare utkast till denna artikel stavade John L. Freemans namn fel och felidentifierade hans nuvarande företag.

Om Jason Daley

Jason Daley är en författare i Madison, Wisconsin som specialiserat sig på naturhistoria, vetenskap, resor och miljö. Hans verk har dykt upp i Upptäck, Populär vetenskap, Utanför, Herrtidningoch andra tidningar.


Utvecklingen av gymnospermer

Fröormbunkar gav upphov till gymnospermer under devonperioden, vilket gjorde att de kunde anpassa sig till torra förhållanden.

Lärandemål

Förklara hur och varför gymnospermer blev den dominerande växtgruppen under permperioden

Viktiga takeaways

Nyckelord

  • Fröormbunkar var de första fröväxterna som skyddade deras reproduktiva delar i strukturer som kallas cupules.
  • Fröormbunkar gav upphov till gymnospermerna under den paleozoiska eran, för cirka 390 miljoner år sedan.
  • Gymnospermer inkluderar gingko och barrträd och lever i många ekosystem, som taigan och alpskogarna, eftersom de är väl anpassade för kallt väder.
  • Sanna fröväxter blev fler och mer mångsidiga under karbonperioden för cirka 319 miljoner år sedan, en explosion som verkar bero på en dubblering av hela genomet.

Nyckelbegrepp

  • cupule: vilken liten struktur som helst formad som en kopp
  • gymnosperm: vilken växt som helst, till exempel ett barrträd, vars frön inte är inneslutna i en äggstock
  • ömsesidighet: varje interaktion mellan två arter som gynnar båda

Utvecklingen av gymnospermer

Frö ormbunkar: Detta fossiliserade blad är från Glossopteris, en fröormbunke som trivdes under permtiden (290–240 miljoner år sedan).

Den fossila växten Elkinsia polymorpha, en “fröormbunke” från devonperioden (för ungefär 400 miljoner år sedan) anses vara den tidigaste fröplantan som hittills känts.Fröormbunkar producerade sina frön längs sina grenar utan specialiserade strukturer. Det som gör dem till de första riktiga fröplantorna är att de utvecklade strukturer som kallas cupules för att innesluta och skydda ägglosset (den kvinnliga gametofyten och tillhörande vävnader) som utvecklas till ett frö vid befruktning. Fröväxter som liknar moderna trädormbunkar blev fler och fler i kolträskarna under karbonperioden. Detta verkar ha varit resultatet av en hel genomdupliceringshändelse för cirka 319 miljoner år sedan.

Gymnospermer av taiga: Denna boreala skog (taiga) har låglänta växter och barrträd, eftersom dessa växter är bättre lämpade för de kallare, torrare förhållanden.

Fossila uppgifter indikerar att de första gymnospermerna (progymnosperms) troligen har sitt ursprung i paleozoiska eran, under mellandevonperioden för cirka 390 miljoner år sedan. Efter de våta perioderna i Mississippia och Pennsylvania, som dominerades av gigantiska ormbunksträd, var den permiska perioden torr. Detta gav en reproduktiv fördel till fröväxter, som är bättre anpassade för att överleva torrperioder. Ginkgoales, en grupp gymnospermer med endast en överlevande art, Gingko biloba, var de första gymnospermerna som uppträdde under nedre jura. Gymnospermer expanderade under den mesozoiska eran (för cirka 240 miljoner år sedan), och ersatte ormbunkar i landskapet och nådde sin största mångfald under denna tid. Det har föreslagits att under mitten av mesozoiken utfördes pollinering av vissa utdöda grupper av gymnospermer av utdöda arter av skorpionflugor som hade en specialiserad snabel för att äta på pollineringsdroppar. Skorpionflugorna ägnade sig troligen åt pollineringsmutualism med gymnospermer, långt innan den liknande och oberoende samutvecklingen av nektarmatande insekter på angiospermer.

Juraperioden var lika mycket åldern för cykaderna (palmträdsliknande gymnospermer) som dinosauriernas ålder. Gingkoales och de mer välbekanta barrträden prickade också landskapet. Även om angiospermer (blommande växter) är den huvudsakliga formen av växtliv i de flesta biomer, dominerar gymnospermer fortfarande vissa ekosystem, såsom taiga (boreala skogar) och alpskogarna på högre bergshöjder på grund av deras anpassning till kalla och torra tillväxtförhållanden.


Reproduktiv isolering

Givet tillräckligt med tid kommer den genetiska och fenotypiska divergensen mellan populationer att påverka karaktärer som påverkar reproduktionen: om individer av de två populationerna fördes samman, skulle parning vara mindre sannolikt, men om parning inträffade skulle avkomman vara icke-livsduglig eller infertil. Många typer av divergerande karaktärer kan påverka reproduktionsisolationen, förmågan att interbreed, av de två populationerna.

Reproduktiv isolering kan ske på en mängd olika sätt. Forskare organiserar dem i två grupper: prezygotiska barriärer och postzygotiska barriärer. Kom ihåg att en zygot är ett befruktat ägg: den första cellen i en organisms utveckling som reproducerar sig sexuellt. Därför är en prezygotisk barriär en mekanism som hindrar reproduktion från att äga rum. Detta inkluderar barriärer som förhindrar befruktning när organismer försöker fortplanta sig. En postzygotisk barriär uppstår efter zygotbildning. Detta inkluderar organismer som inte överlever embryonalstadiet och de som föds sterila.

Vissa typer av prezygotiska barriärer förhindrar reproduktion helt. Många organismer förökar sig bara vid vissa tider på året, ofta bara årligen. Skillnader i avelsscheman, som vi kallar tidsmässig isolering, kan fungera som en form av reproduktiv isolering. Till exempel lever två grodarter i samma område, men den ena reproducerar sig från januari till mars medan den andra reproducerar sig från mars till maj (Figur 9).

Bild 9: Dessa två besläktade grodarter uppvisar tidsmässig reproduktiv isolering. (a) Rana aurora häckar tidigare på året än (b) Rana boylii. (kredit a: modifiering av arbete av Mark R. Jennings, USFWS kredit b: modifiering av arbete av Alessandro Catenazzi)

I vissa fall flyttar populationer av en art eller flyttas till en ny livsmiljö och bosätter sig på en plats som inte längre överlappar samma art och andra populationer. Vi kallar denna situation för habitatisolering. Reproduktion med föräldrarna upphör, och det finns en ny grupp som nu är reproduktivt och genetiskt oberoende. Till exempel kunde en cricketpopulation som delades efter en översvämning inte längre interagera med varandra. Med tiden kommer naturliga urvalskrafter, mutationer och genetisk drift sannolikt att resultera i att de två grupperna divergerar (Figur 10).

Figur 10: Artbildning kan uppstå när två populationer upptar olika livsmiljöer. Livsmiljöerna behöver inte ligga långt ifrån varandra. Syrsan (a) Gryllus pennsylvanicus föredrar sandjord och syrsan (b) Gryllus firmus föredrar lerig jord. De två arterna kan leva i omedelbar närhet, men på grund av deras olika markpreferenser blev de genetiskt isolerade.

Beteendeisolering uppstår när närvaron eller frånvaron av ett specifikt beteende förhindrar reproduktion. Till exempel använder manliga eldflugor specifika ljusmönster för att locka till sig honor. Olika eldflugearter visar sina ljus på olika sätt. Om en hane av en art försökte attrahera honan från en annan, skulle hon inte känna igen ljusmönstret och skulle inte para sig med hanen.

Andra prezygotiska barriärer fungerar när skillnader i deras könsceller (ägg och spermier) hindrar befruktning från att äga rum. Vi kallar detta en gametisk barriär. På samma sätt försöker närbesläktade organismer i vissa fall para sig, men deras reproduktiva strukturer passar helt enkelt inte ihop. Till exempel har damselfly-hanar av olika arter olika formade reproduktionsorgan. Om en art försöker para sig med honan hos en annan, passar deras kroppsdelar helt enkelt inte ihop. (Figur 11).

Figur 11: Formen på det manliga reproduktionsorganet varierar mellan manliga damselfly-arter och är endast kompatibel med honan av den arten. Inkompatibilitet med reproduktionsorgan håller arten reproduktivt isolerad.

I växter har vissa strukturer som syftar till att attrahera en typ av pollinatorer samtidigt hindra en annan pollinator från att komma åt pollen. Tunneln genom vilken ett djur måste komma åt nektar kan variera mycket i längd och diameter, vilket förhindrar växten från att korspollinera med en annan art (Figur 12).

Figur 12: Vissa blommor har utvecklats för att locka vissa pollinatörer. Den (a) breda rävhandsblomman är anpassad för pollinering av bin, medan den (b) långa, rörformade trumpetblomman är anpassad för pollinering av kolibrier.

När befruktning äger rum och en zygot bildas, kan postzygotiska barriärer förhindra reproduktion. Hybridindivider kan i många fall inte bildas normalt i livmodern och överlever helt enkelt inte förbi de embryonala stadierna. Vi kallar denna hybrid omöjlighet eftersom hybridorganismerna helt enkelt inte är livsdugliga. I en annan postzygotisk situation leder reproduktionen till hybridfödsel och tillväxt som är steril. Därför kan organismerna inte reproducera sina egna avkommor. Vi kallar detta hybridsterilitet.

Habitatpåverkan på artbildning

Sympatisk artbildning kan också ske på andra sätt än polyploidi. Tänk till exempel på en fiskart som lever i en sjö. När befolkningen växer ökar konkurrensen om maten. Anta att en grupp av dessa fiskar under press att hitta mat hade den genetiska flexibiliteten att upptäcka och livnära sig på en annan resurs som andra fiskar inte använde. Tänk om denna nya matkälla låg på ett annat djup av sjön? Med tiden skulle de som livnär sig på den andra matkällan interagera mer med varandra än de andra fiskarna, därför skulle de också föda upp tillsammans. Avkomma till dessa fiskar skulle troligen bete sig som sina föräldrar: mata och bo i samma område och hålla sig åtskilda från den ursprungliga befolkningen. Om denna grupp av fiskar fortsatte att förbli separat från den första populationen, kan sympatrisk artbildning så småningom uppstå när fler genetiska skillnader ackumuleras mellan dem.

Detta scenario utspelar sig i naturen, liksom andra som leder till reproduktiv isolering. En sådan plats är Victoriasjön i Afrika, känd för sin sympatiska art av ciklider. Forskare har hittat hundratals sympatriska artbildningshändelser i dessa fiskar, som inte bara har hänt i stort antal utan också under en kort tidsperiod. Figur 13 visar denna typ av artbildning bland en population av ciklider i Nicaragua. I det här området lever två typer av ciklider på samma geografiska plats men har kommit att ha olika morfologier som gör att de kan äta olika födokällor.

Figur 13: Ciklidfiskar från Lake Apoyeque, Nicaragua, visar tecken på sympatrisk artbildning. Lake Apoyeque, en kratersjö, är 1800 år gammal, men genetiska bevis tyder på att en enda population av ciklidfiskar befolkade sjön för bara 100 år sedan. Ändå finns det två populationer med distinkta morfologier och dieter nu i sjön, och forskare tror att dessa populationer kan befinna sig i ett tidigt skede av speciering.