Evolutie overtreft in de regel ruimschoots de levensspanne van een onderzoeker, maar toch is Engels slijkgras ( Spartina anglica) slechts honderd jaar oud.
De ene ouder van deze plant komt uit de Verenigde Staten. Het zaad van Amerikaanse slijkgras ( Spartina alterniflora) werd begin 1800 onbedoeld geïntroduceerd langs de kust van Engeland met het ballastwater van schepen.
De plant deed het daar redelijk tussen het inheemse Europese slijkgras ( Spartina alterniflora). Rond 1870 werd een steriele hybride ontdekt tussen beide soorten: S. townsendii. Twintig jaar later zagen onderzoekers de eerste vruchtbare exemplaren van de nieuwe slijkgrassoort S. anglica, die heden ten dage ook woekert langs de Nederlandse kusten en daar veel zoutminnende soorten verdringt.
Engels slijkgras is en voorbeeld van snelle soortvorming ( instant speciation). Het ontstaan van deze soort is te verklaren aan de hand van polyploidie, het mixen en verdubbelen van hele genomen.
Bananen zijn triploïd, broodtarwe is tetraploïd
Cellen zijn polyploïd als ze meer dan twee haploïde sets chromosomen hebben. Een mens is bijvoorbeeld diploïd: elke cel heeft 2n=46 chromosomen, behalve de geslachtscellen die haploïd (n=23) zijn. Polyploïdy begint dus vanaf trioploïd (3n), via tetraploïd (4n) pentaploïd (5n), hexaploïd (6n) et cetera.
Er zijn twee soorten polyploïdie: autopolyploïdie en allopolyploïdie. Bij autoploïdie heeft een soort drie of meer sets van dezelfde chromosomen. Zo’n genoomvermenigvuldiging kan ontstaan als gevolg van een foute verdeling van chromosomen tijdens vorming van de voortplantingscellen. Die gameten bevatten dan 2n chromosomen in plaats van n.
Als een zaadcel een eicel treft die ook 2n chromosomen bevat kan bijvoorbeeld een nieuwe tetraploïde plantensoort ontstaan met 4n chromosomen. Deze soort kan alleen met soortgenoten voortplanten want een kruising met de vooroudersoort levert een steriele plant, die geen gameten kan vormen met een uitgebalanceerd aantal chromosomen – 3n gedeeld door twee lukt niet.
Dat laatste kan zelfs handig zijn. Als een tetraploïde (4n) meloen wordt gekruist met een diploïde (2n) meloen ontstaat een onvruchtbare triploïde (3n) soort die vruchten heeft zonder zaden – dat hapt beter weg. Ook alle consumptiebananen zijn steriele triploïden, die als stekken worden vermenigvuldigd. De zwarte stipjes binnenin zijn rudimentaire zaadjes.
Bij allopolyploïdie ontstaat een nieuwe soort door hybridisatie tussen twee verwante soorten. Engels slijkgras is een wild voorbeeld. Broodtarwe is een door mensenhanden gestuurd exemplaar.
Broodtarwe is een optelsom van drie wilde grassoorten. In de loop van duizenden jaren zijn emmer (Tritium urartu, 14) en Aegilops speltoides (14) gekruist tot harde tarwe: Triticum durum (28). Die soort werd weer gekruist met Triticum tauschii (14), wat broodtarwe Triticum aestivum (42) opleverde.
Enkele jaren terug is daaruit weer Triticale (56) ontstaan, door kruising van broodtarwe met rogge.
Amerikaans slijkgras heeft namelijk 62 chromosomen, de Europese soort 60. De steriele hybride heeft er ook 62, maar pas na verdubbeling van dat aantal ontstond Engels slijkgras met 124 chromosomen. De plant kan niet meer kruisen met een van de ouders: een nieuwe soort is in de loop van enkele jaren ontstaan.
Boomkikker
Op het eerste gezicht lijkt Engels slijkgras een uitzondering, een zeldzame speling der natuur. Maar in het plantenrijk zijn er veel meer voorbeelden, die pas met recent genoomonderzoek aan het licht komen. Het blijken ook geen incidenten te zijn, als twee soorten kunnen hybridiseren doen ze dat in de loop van de geschiedenis vaker, wat de genetische variatie van de nieuwe soort sterk doet toenemen.
En hoewel het bij dieren veel zeldzamer lijkt te zijn, komt het ook bij amfibieën voor. Zoals de Amerikaanse boomkikker Hyla versicolor, die meerdere keren ontstond uit hybridisatie tussen twee populaties van Hyla chrysocelis , die zich vier miljoen jaar afzonderlijk hebben ontwikkeld. H. versicolor heeft het dubbele chromosoomaantal van H. chrysocelis.
Het probleem is vaak dat sommige duplicaties of combinaties lang geleden zijn opgetreden, waardoor de sporen moeilijk te zien zijn. Lange tijd dachten onderzoekers dat hun proefdier, de klauwpad Xenopus laevis , een diploïde soort was met 2n=36 chromosomen.
Inmiddels is er alle reden om aan te nemen dat X. laevis lang geleden een genoomverdubbeling heeft ondergaan en dat het dier dus feitelijk tetraploïd is. Dat blijkt bijvoorbeeld uit het feit dat voor elk nieuw gen twee extra, zeer verwante genen worden gevonden. Dat maakt genetisch onderzoek naar de functie van genen ingewikkeld, omdat op de achtergrond verwante genen hun invloed uitoefenen. Sommige onderzoekers stellen nu voor om in genetisch onderzoek in plaats van X. laevis de enige diploïde klauwpadsoort, Xenopus tropicalis , te gebruiken.
Recent genoomonderzoek wijst erop dat waarschijnlijk ruim de helft van de plantensoorten en in veel mindere mate ook diersoorten een of meer stadia van polyploïde hebben doorgemaakt. Zo is in 1999 zelfs een tetraploïde rat ontdekt in Argentinie.
Combineren of verdubbelen van hele genomen en vervolgens shuffelen met chromosomen blijkt een belangrijk mechanisme achter het ontstaan van nieuwe soorten.
Recombinatie tussen verschillende genomen levert extra mogelijkheden voor evolutionaire ontwikkeling. De extra kopieën van een gen kunnen nieuwe functies ontwikkelen, terwijl de andere set genen de bestaande functies blijven controleren. Bovendien kunnen door uitwisseling van stukken chromosoom nieuwe gencombinaties ontstaan. Evolutie kan zo een stuk sneller verlopen dan met het verzamelen van puntmutaties.
Het mooie van polyploïdie-onderzoek is dat men het proces in het lab kan nabootsen. Vooral soorten uit de Brassica-genus (kool, broccoli, mosterd) kunnen in het laboratorium gebruikt worden om via hybridisatie allopolyploïde soorten te maken. Uit onderzoek blijkt dat al binnen een paar generaties er grote veranderingen in het genoom van de nieuwe soort optreden: stukken chromosoom worden uitgewisseld; het hele genpakket komt in beweging. Evolutie is niet langer een zaak van historisch sporenonderzoek en veel vrijblijvend speculeren. Nieuwe soorten kunnen ontstaan waar je bij staat.
Literatuur
Soltis, D.E. & Soltis P.S. (1999) Polyploidy:recurrent formation and genome evolution. TREE vol. 14 no. 9: 348-352.