Planten overleefden de meteorietinslag door hun genoom te dupliceren

Hoe overleef je als plant pittige tijden? Zeg: een meteorietinslag die veel leven op aarde wegvaagt, of een periode van intense opwarming of afkoeling? Door je genoom te verdubbelen, schrijven onderzoekers van de universiteit van Gent in tijdschrift Cell. Daartoe zijn in principe alle bloeiende plantensoorten in staat en dat is een voordeel, want zulke zogeheten polyploïde planten hebben een verhoogde kans op overleving tijdens massa-extincties. Die waren er in het verleden volop – denk alleen al aan de meteorietinslag 66 miljoen jaar geleden, die het einde van het dinosaurustijdperk inluidde, of de extreme opwarming tijdens het Paleoceen-Eoceen Thermal Maximum (PETM) 56 miljoen jaar geleden.

De meeste organismen erven twee sets chromosomen: één van hun vader en één van hun moeder. Maar polyploïde planten (of dieren) hebben twee of meer chromosomensets. Dat kán gunstig zijn, bijvoorbeeld omdat de cellen van polyploïde planten vaak groter zijn en omdat er op den duur nieuwe genetische functies kunnen ontstaan. Die grotere cellen hebben een positieve invloed op de fysiologie van planten en zorgt er bij een veel onderzochte soort als de zandraket Arabidopsis thaliana voor dat de plant beter tegen stressvolle omstandigheden als droogte en zout kan. Ook bij bananen, aardappels, aardbeien en andere cultivars, waarbij door de mens is geselecteerd op wenselijke eigenschappen, is sprake van polyploïdie. Tegelijkertijd kleven er ook nadelen aan: zo heeft een plant met een verdubbeld genoom meer voedingsstoffen nodig en is de kans op chromosoomfouten groter. 

In de evolutie van bloeiende planten is polyploïdie geen onbekend fenomeen. Sterker nog: vermoedelijk hebben vrijwel ál die bedektzadigen in hun ontstaan ten minste éénmaal een periode van genoomduplicatie gekend. Maar waar dat een kleine eeuw geleden nog werd beschouwd als doodlopende evolutionaire paden, beseffen onderzoekers steeds meer dat genoomverdubbeling essentieel kan zijn voor het voortbestaan van planten.

Verbeterde stressbestendigheid kan in perioden van grootschalige milieu- en klimaatveranderingen immers duidelijke voordelen bieden, aldus de Gentse wetenschappers in hun publicatie. Om die reden besloten ze te onderzoeken of polyploïdie in het verleden vaker voorkwam in dynamische perioden. Daartoe bestudeerden ze het genoom van 470 verschillende soorten bedektzadigen en dateerden ze 132 verschillende gevallen van polyploïdie uit het verleden.

Op die manier ontdekten ze dat er tijdens stabiele perioden met veel verschillende soorten minder genoomduplicatie plaatsvond. In perioden met veel massa-extinctie, zoals tijdens het PETM en tijdens de overgang van Krijt naar Tertiair, 66 miljoen jaar geleden, zagen ze juist wél een toegenomen hoeveelheid polyploïdie. Ook ten tijde van zogeheten oceanische anoxische gebeurtenissen, waarbij grote delen van de oceanen zonder zuurstof kwamen te zitten, verdubbelden veel planten hun genoom: die gebeurtenissen hingen vaak samen met grootschalige klimaatverandering waar dus niet alleen soorten ónder water maar ook boven water effect van ondervonden.  

Vaak wordt de opwarming tijdens het PETM qua intensiteit en snelheid vergeleken met de huidige, door de mens veroorzaakte klimaatverandering. In dat opzicht biedt de Cell-publicatie een hoopvol vooruitzicht: op basis van hun bevindingen vermoeden de biologen dat hedendaagse planten ook kunnen profiteren van genoomverdubbeling als overlevingsstrategie.