Banyak tanaman terpenting di dunia memiliki genom yang luar biasa kompleks yang diciptakan oleh siklus duplikasi dan hibridisasi seluruh genom yang berulang. Genom yang disebut poliploid ini mengandung beberapa set kromosom yang diwarisi dari spesies nenek moyang yang berbeda. Namun, menentukan dengan tepat bagaimana genom-genom ini disusun bisa jadi sangat sulit, terutama ketika spesies nenek moyang aslinya sudah punah atau tidak diketahui.
Sebuah studi baru memperkenalkan pendekatan genom untuk mengungkap sejarah genetik yang kompleks ini. Metode ini memanfaatkan tanda-tanda evolusi yang ditinggalkan oleh retrotransposon berulang terminal panjang, sejenis rangkaian DNA bergerak. Dengan membandingkan pola kesamaan antara elemen-elemen ini di seluruh kromosom, peneliti dapat mengidentifikasi subgenom yang berbeda dan memperkirakan kapan peristiwa fusi genom besar terjadi. Ketika diterapkan pada stroberi oktoploid yang dibudidayakan, teknik ini mengungkapkan sejarah evolusi langkah demi langkah yang dibentuk oleh berbagai siklus allopolyploidization, memberikan wawasan baru tentang bagaimana genom tanaman yang kompleks terbentuk dan terdiversifikasi selama jutaan tahun.
Mengapa genom poliploid sulit diuraikan
Duplikasi seluruh genom telah memainkan peran utama dalam evolusi tanaman, membantu mendorong inovasi, adaptasi, dan munculnya banyak spesies tanaman. Pada tumbuhan allopolyploid, kumpulan kromosom berasal dari genom nenek moyang yang berbeda. Kelompok kromosom ini, yang disebut subgenom, terus berevolusi dan berinteraksi lama setelah peristiwa hibridisasi awal.
Mengidentifikasi subgenom ini sangat penting untuk memahami bagaimana suatu spesies berevolusi. Pendekatan tradisional sering kali mengandalkan perbandingan genom poliploid dengan nenek moyang diploid yang diketahui. Masalahnya adalah banyak spesies nenek moyang yang punah atau belum teridentifikasi.
Elemen yang dapat dipindahkan menyediakan sumber informasi lain. Retrotransposon berulang terminal panjang terakumulasi dalam pola karakteristik dalam garis keturunan evolusi tertentu, melestarikan bukti molekuler dari peristiwa masa lalu. Meskipun para ilmuwan telah lama menyadari nilai potensinya, metode yang dapat diandalkan untuk mengubah model ini menjadi penetapan subgenom yang tepat masih terbatas. Akibatnya, diperlukan alat baru untuk merekonstruksi evolusi genom poliploid tanpa bergantung pada spesies nenek moyang yang diketahui.
Sebuah metode baru merekonstruksi sejarah genom
Para peneliti dari Departemen Pertanian AS dan lembaga-lembaga yang berkolaborasi menggambarkan alat tersebut dalam jurnal Penelitian hortikultura. Tim mengembangkan kerangka bioinformatika yang mampu merekonstruksi sejarah evolusi genom poliploid kompleks.
Untuk mendemonstrasikan metode ini, mereka memeriksa kembali stroberi octoploid yang dibudidayakan (Fragaria × ananassa). Dengan menggunakan matriks kesamaan serial yang dibangun dari retrotransposon berulang terminal panjang, para peneliti mengklarifikasi struktur subgenom stroberi dan menemukan beberapa peristiwa fusi genom kuno yang berkontribusi pada spesies modern. Temuan ini membantu menjawab pertanyaan lama tentang asal mula evolusi stroberi.
Kerangka kerja ini melacak evolusi genom melalui tiga tahap utama: sebelum perbedaan spesies nenek moyang, selama sejarah evolusi mereka yang berbeda, dan setelah penggabungan genom mereka. Retrotransposon yang berkembang selama periode divergensi mempertahankan ciri khas subgenom tertentu.
Dengan menghitung matriks kesamaan untuk elemen-elemen ini pada kromosom dan memeriksa bagaimana mereka mengelompok pada ambang kesamaan yang berbeda, para peneliti menghasilkan apa yang mereka sebut sebagai “matriks kesamaan serial.” Pendekatan ini menangkap sinyal evolusi yang terakumulasi selama periode waktu berbeda.
Menguji pendekatan pada tanaman
Sebelum menerapkan teknik stroberi, tim mengujinya pada tanaman allopolyploid yang telah dipelajari dengan baik, termasuk teff dan kapas. Dalam kedua kasus tersebut, metode ini berhasil membedakan subgenom yang diketahui dan memisahkan peristiwa yang terjadi sebelum dan sesudah poliploidisasi.
Para peneliti juga mengevaluasi pendekatan tersebut dengan menggunakan genom poliploid yang dibuat secara artifisial. Pengujian ini menegaskan bahwa metode ini sensitif terhadap waktu divergensi dan kelimpahan elemen transposable.
Apa yang diungkapkan genom stroberi
Ketika metode ini diterapkan pada stroberi oktoploid, metode ini mengidentifikasi empat subgenom berbeda dan menemukan bukti tiga peristiwa alopoliploidisasi berurutan yang terjadi sekitar 3,1 hingga 4,2 juta tahun lalu, 1,9 hingga 3,1 juta tahun lalu, dan 0,8 hingga 1,9 juta tahun lalu.
Hasilnya mendukung hubungan evolusioner yang erat antara dua subgenom stroberi dan spesiesnya Fragaria vesca Dan Fragaria iinumae. Pada saat yang sama, hasil ini menantang model sebelumnya yang mengusulkan spesies nenek moyang diploid tambahan.
Bergantung pada analisis, beberapa kontributor genom stroberi mungkin telah hilang atau tetap tidak diambil sampelnya, sehingga menyoroti kompleksitas evolusi genom poliploid.
“Pekerjaan ini menunjukkan bagaimana elemen transposabel dapat berfungsi sebagai penanda waktu evolusi yang tertanam dalam genom tanaman,” kata salah satu penulis utama studi tersebut. “Dengan berfokus pada kapan dan di mana unsur-unsur ini berkembang, kita dapat merekonstruksi sejarah genom bahkan ketika referensi nenek moyang langsung tidak ada. Metode ini memberikan lensa baru yang kuat untuk mempelajari budaya poliploid dan tidak hanya bergantung pada data nenek moyang yang tidak lengkap, namun juga memberikan kerangka kerja yang lebih objektif dan dapat direproduksi untuk genomik evolusioner.”
Implikasinya terhadap penelitian dan pemuliaan tanaman
Potensi penerapannya jauh melampaui stroberi. Banyak tanaman yang penting secara ekonomi, termasuk gandum, kapas, dan tebu, merupakan poliploid dengan sejarah evolusi yang sama kompleksnya.
Identifikasi subgenom yang lebih tepat dapat meningkatkan anotasi gen, pemetaan sifat, dan studi genomik komparatif. Kemajuan ini, pada gilirannya, dapat mendukung upaya pemuliaan yang presisi dan membantu mempercepat perbaikan tanaman.
Dengan memungkinkan evolusi genom direkonstruksi tanpa nenek moyang yang diketahui, pendekatan matriks kemiripan serial menambah alat baru yang berharga untuk mempelajari keanekaragaman hayati, spesiasi, dan adaptasi. Kerangka kerja ini juga terbukti berguna untuk mempelajari organisme poliploid kompleks lainnya, membantu menjembatani biologi evolusi dengan penelitian pertanian praktis.
Pekerjaan ini didukung oleh Hibah National Institute of Food and Agriculture (NIFA)-Specialty Crop Research Initiative (SCRI) 2022-51181-38241 kepada QY.
