Convergentie van de zandloper

Een recent onderzoek naar de embryologie van planten wijst uit dat ook planten, net als dieren, een fenomeen presenteren dat erop lijkt te wijzen dat de evolutie van het embryo een bepaalde wet volgt. Er is in dit onderzoek gekeken naar welke genen er afgeschreven worden gedurende de verschillende stadia van het embryo van de zandraket (Arabidopsis Thaliana), het laboratoriumplantje bij uitstek. Het blijkt dat er ook gedurende de ontwikkeling van de plant een zogenaamde zandloper te ontdekken valt.

Zandloper voor het rijk der dieren

Zandraket

In een eerder blogbericht werd de embryologie van verschillende dieren bekeken voor wat betreft de verschillende stadia. Men weet al langer dat de embryo’s van heel uiteenlopende dieren veel en zeker meer op elkaar lijken dan de volwassen vormen. Je zou verwachten dat de embryo’s in hun eerste stadia veel op elkaar lijken, maar dat is niet het geval. Voor wat betreft de morfologie blijkt er een soort zandloper te bestaan: de embryo’s lijken halverwege hun ontwikkeling het meest op elkaar. Daarvoor en daarna presenteren ze verschillen. Men heeft vervolgens kunnen aantonen dat deze verschillen en overeenkomsten zich ook laten zien in het transscriptoom, ofwel in het totaal aan afgelezen genen. Het bleek dat gedurende de stadia waarin de dieren morfologisch het meest verschillen, dus op het niveau van de ‘schouders’ van de zandloper, de afgelezen genen de meest ‘jonge’ genen waren op de evolutieschaal. Op niveau van het ‘middel’ werden de oudste genen afgelezen. Dus op niveau van het ‘middel’ lijken de embryo’s van de verschillende dieren niet alleen meer op elkaar, ook voor wat betreft de expressie van de genen komen ze overeen want de oudste genen lijken per definitie ook het meest op elkaar. Kortom , de zandloper in de embryologie wordt ook op moleculair niveau bevestigd.

Het is wel heel bijzonder dat hetzelfde lijkt te gebeuren in planten. Hoewel er geen vergelijking gemaakt kan worden voor wat betreft de morfologie blijkt door vergelijking van het transscriptoom van verwanten van de zandraket dat er ook hier sprake is van een zandloper. Het moet wel of deze zandloper is onafhankelijk van de dierenwereld geëvolueerd. De twee rijken zijn immers al van elkaar gesplitst voordat meercellige organismen zich begonnen te ontwikkelen. De auteurs benadrukken dat gedurende de ontwikkeling van het embryo de oude genen voortdurend actief zijn. Het zijn de jongere genen die aan het begin en het eind van de ontwikkeling actief worden. Misschien heeft het feit dat gedurende de eerste fase van het embryo jongere genen uitdrukt worden te maken met het feit dat zowel planten als dieren van het water naar het land zijn verhuisd en daar vaak verdere ontwikkelingen hebben ondergaan zoals het verschil in sporen en zaden of in visseneitjes, vogeleieren of interne eitjes. Ze moesten als het ware flexibel zijn en ontwikkelden nieuwe genen die het mogelijk maakten nieuwe omgevingen te exploreren.

Uit: Nature

 

De zandloper

Iedereen kent wel de plaatjes van Haeckel, die laten zien hoezeer embryo’s van verschillende gewervelden overeenkomen. Van vissen en salamanders, tot vogels en zoogdieren. Haeckel schijnt zijn tekeningen (figuur 1) op zijn zachtst gezegd nogal aangedikt te hebben om de overeenkomsten, die er wel degelijk zijn, uit te lichten. Er is vanuit creationistische hoek altijd veel kritiek geweest op deze tekeningen. Ze worden door de creationisten als moedwillige vervalsing bestempeld. Het idee van de ‘ontogenese die de fylogenie’ weerspiegelt is dan misschien fout, maar dat er sterke overeenkomsten zijn binnen de verschillende phyla (stammen) is sinds een jaar wel overduidelijk.

Figuur 1. Een reproductie van de tekeningen van Haeckel.

De gelijkenis van de embryo’s is gebaseerd op de vorm of morfologie van de organismen in de diverse stadia. Al sinds enige tijd weet men dat er ook grote verschillen zijn in de ontwikkeling van ei naar volwassene. Het is daarmee altijd een vrij subjectieve waarneming gebleven. Het is wel duidelijk geworden dat er een stadium is tussen dat van het ei en de volwassen vorm waarin de organismen sterk op elkaar lijken. Dit wordt het fylotypische stadium genoemd en wordt verbeeld met behulp van een zandloper (zie figuur 2). De eerste fasen binnen het phylum verschillen erg van elkaar, maar naarmate men dichter bij een tussenliggend stadia komt lijken de organismen juist weer veel op elkaar. Bij het bereiken van de volwassen vorm verschillen ze weer.

Figuur 2. Zandloper met de vroegste stadia onderin en de laatste stadia bovenin.

Nu zijn er in 2010 twee studies voltooid die aantonen dat er gedurende de passage door de nauwe doorgang in de zandloper niet alleen morfologische overeenkomsten weerspiegeld worden, maar ook overeenkomsten in de expressie van de genen. Een eerste studie met verschillende soorten fruitvliegjes toont aan dat de genen die tot uitdrukking komen tijdens de fylotypische fase minder uiteenlopen tussen de verschillende soorten. De genen die dan tot uitdrukking komen lijken meer op elkaar tussen de verschillende soorten. Het bleek ook dat de genen die belangrijk zijn voor de anatomische ontwikkeling de smalle doorgang van de zandloper volgen, terwijl genen die daar niet bij betrokken zijn niet de smalle doorgang nemen.

Een tweede studie op zebravisjes toont aan dat gedurende embryogenese het de oudste genen zijn die tijdens het fylotypische stadium worden uitgedrukt. Dit laatste gegeven toont dus aan dat de genen die tot uitdrukking komen tijdens de fasen waarin de organismen het meest op elkaar lijken de oudste zijn (figuur 3).
Het lijkt mij dat er sprake is van twee onderzoeken die hetzelfde resultaat opleveren. ‘Oude’ genen zijn genen die veel overeenkomsten met elkaar hebben en op basis van de overeenkomsten wordt een fylogenetische boom geconstrueerd. Gedurende de smalle doorgang van de zandloper bij fruitvliegjes zijn de genen die tot expressie komen de genen die het minst uiteenlopen. Dit betekent dus ook dat ze fylogenetisch dicht bij elkaar staan én het oudst zijn. De twee studies tonen vanuit verschillende invalshoeken hetzelfde mechanisme aan.

figuur 3. Oudste genen in de smalle doorgang

Hiermee is duidelijk dat Haeckel, hoewel hij de tekeningen wat overdreven had, toch iets ontdekt had. Blijkbaar is deze ‘smalle’ fase goed geconserveerd, wat betekent dat het een fase is die essentieel is voor de daaropvolgende stadia.

Uit: Nature 1, 2 Jerry Coyne’s blog, PZMeyers, Panda’sThumb.