A látonyák rokonsága a DNS és a magalak tükrében

Hibridek és elfeledett fajok

Közeli rokon-e két látonya, ha ugyanolyan a magjuk? És mit jelent, ha ugyanannak a növénynek a DNS-ében egymástól távoli rokoni kapcsolatok nyomaira bukkanunk? A PeerJ folyóiratban 2016-ban megjelent tanulmányunkban az európai látonyák családtörténetét vizsgáltuk. DNS-szakaszok összehasonlításával, a magok alakjának mérésével és kromoszómaszám-adatok értékelésével kerestünk biztosabb alapot e nehezen meghatározható növények rendszerezéséhez.

1. ábra. A látonyák alaki változatossága. A–B: Elatine alsinastrum szárazföldi és vízi alakja; C: E. brochonii; D: E. triandra; E: E. hexandra; F: E. californica; G: E. hungarica; H: E. hydropiper; I: E. campylosperma; J–K: E. gussonei Lampedusáról és Szicíliából; L: E. macropoda.

A látonyák apró, gyakran csak időszakosan megjelenő vízi és iszaplakó növények. Meghatározásukat különösen nehezíti, hogy ugyanazon faj vízi és szárazföldi alakjai jelentősen különbözhetnek. Korábbi kísérleteinkben ezért hangsúlyoztuk a hajtásoknál kevésbé változékony magbélyegek jelentőségét. Most azt is megvizsgáltuk, mennyire követi a magalak a fajok evolúciós rokonságát.

A rokonsági, szakszóval filogenetikai vizsgálatban a közös leszármazás mintázatát próbáljuk feltárni. A hasonló külső önmagában ehhez nem mindig elegendő: egymástól távolabbi ágakon is kialakulhat hasonló tulajdonság. A növények eltérő részeiben megőrzött genetikai információ ezért új, a morfológiától részben független bizonyítékot adhat.

Molekuláris vizsgálatunkban tizenhárom látonyafaj huszonhét mintájának adatait elemeztük. Főként az európai fajokra összpontosítottunk, de észak-amerikai mintákat is bevontunk. A neveléshez terepen gyűjtött magokat vagy fiatal növényeket használtunk, amelyeket ellenőrzött körülmények között tartottunk. Így DNS-vizsgálatra alkalmas növényi anyagot és érett magokat is nyerhettünk.

A sejtmag egyik riboszomális DNS-régióját, az ITS-szakaszt és a plasztiszok több DNS-szakaszát vizsgáltuk. Utóbbiak a növényi sejtek saját genetikai állománnyal rendelkező sejtalkotói; közéjük tartoznak a zöld színtestek is. A kétféle genetikai adatsort először külön elemeztük, majd együttesen is értékeltük. A különböző öröklődésű DNS-részek eltérő részleteket őrizhetnek meg az evolúciós történetből. 

2/A. ábra. A sejtmagi ITS-adatokból készített rokonsági fa. A végpontok a vizsgált minták, az elágazások számai a kapcsolatok statisztikai támogatottságát jelzik. A szaggatott ágak bizonytalanabb kapcsolatokat, a „cl.” jelölések elkülönítve vizsgált DNS-változatokat mutatnak. Az ághossz genetikai változást fejez ki.

A szekvenciák, vagyis a DNS betűsorrendjeinek különbségei alapján rokonsági fákat állítottunk össze. Több elemzési módszert alkalmaztunk, és a kapott elágazások statisztikai támogatottságát is vizsgáltuk. A fák így nem minden részletükben egyformán biztos állításokat tartalmaznak: a jól alátámasztott csoportokat megkülönböztettük a bizonytalanabb kapcsolatoktól.

A főbb rokonsági csoportok több ponton összhangban voltak a korábbi, virágbélyegeken alapuló rendszerezéssel. A hagyományosan Crypta néven elkülönített csoportot eredményeink is támogatták. Az Elatinella csoport esetében viszont ki kellett emelnünk az E. brochonii fajt ahhoz, hogy a megmaradó fajok egységes leszármazási csoportot alkossanak.

A négytagú virágú fajok között két nagyobb rokonsági vonal rajzolódott ki. Az egyikbe mérsékelt övi fajok tartoztak, köztük a magyar látonya, az E. hydropiper, az E. orthosperma és az észak-amerikai E. californica. A másikba a mediterrán E. campylosperma, E. gussonei és E. macropoda került. Ez az elkülönülés a földrajzi elterjedéssel is jól összeegyeztethető volt.

2/B. ábra. A plasztisz-DNS alapján készített rokonsági fa. Több nagyobb csoportot a sejtmagi adatokhoz hasonlóan mutat, egyes fajok és minták helyzete viszont eltér. Az ilyen eltéréseket külön értékeltük a növények evolúciós történetének vizsgálatakor. A lépték húsz genetikai változást jelöl.

Az E. hexandra különösen érdekes eredményt adott. Két lengyel mintájának sejtmagi DNS-ében többféle ITS-változatot találtunk. Ezeket molekuláris klónozással különítettük el, így ugyanazon növény különböző DNS-másolatait önállóan is összehasonlíthattuk. Ebben az esetben tehát a DNS-változatok elkülönítéséről van szó.

Két, egymástól huszonkét mutációs lépéssel elválasztott változatcsoportot ismertünk fel. Az egyik az E. triandra rokonságához kapcsolódott, a másik más, távolabbi rokoni kapcsolatot jelzett. A plasztiszadatok szintén összetett történetre utaltak. Mindezt a faj magas kromoszómakészletével együtt értelmezve hibrid eredetet valószínűsítettünk.

3. ábra. Az E. hexandra két lengyel mintájából elkülönített ITS-változatok hálózata. Az alakzatok a kimutatott változatokat, a kis körök feltételezett köztes állapotokat jelölnek. A két nagyobb csoport közötti hosszabb kapcsolatnál huszonkét lépést az olvashatóság érdekében összevonva ábrázoltunk. A hálózat az egy növényben megőrződött, eltérő eredetű genetikai változatosságot szemlélteti.

Az ilyen eredetű, több kromoszómakészletet egyesítő növényeket allopoliploidoknak nevezzük. Az E. hexandra esetében tizenkétszeres kromoszómakészletet, 108 kromoszómát is közöltek korábban. Eredményeink szerint valószínűleg egy stabilizálódott, összetett hibrid eredetű fajról van szó. A pontos kialakulási folyamatot és valamennyi ősi szülő kilétét azonban nem tudtuk egyértelműen rekonstruálni.

A DNS-adatokat a virágok tulajdonságaival, a magalakkal és a rendelkezésre álló kromoszómaszámokkal is összevetettük. A közös történetet legerősebben azok a tulajdonságok támasztják alá, amelyek egy adott leszármazási csoportban együtt jelennek meg. Az összesített fán így egyszerre láthatók a genetikai kapcsolatok és a hozzájuk társítható alaki, illetve citológiai adatok.

A kromoszómaszám a sejt örökítőanyagát hordozó kromoszómák számát fejezi ki. Különbségei a teljes kromoszómakészlet megsokszorozódására is utalhatnak, de önmagukban nem helyettesítik a rokonság vizsgálatát. A közleményünkben egymás mellé rendezett adatok között például 18, 36, 54 és 108 kromoszómás értékek is szerepeltek; ezek a rendszerezéshez további támpontot adtak. 

4. ábra. A sejtmagi és plasztiszadatok együttes értékeléséből kapott rokonsági kép. A kisebb A ábra az ághosszakat is mutatja, a nagyobb B ábra a csoportok kapcsolatait emeli ki. Jobbra a virágzat, a virágok és a magok jellemzőit, a kromoszómaszámokat, valamint a rendszertani egységeket tüntettük fel. A D és E csoport a mérsékelt övi, illetve a mediterrán vonalnak felel meg.

A magalakot külön, részletes mérésekkel vizsgáltuk. A nevelt növényekről populációnként ötven érett magot fényképeztünk pásztázó elektronmikroszkóppal. A képeken digitalizáltuk a magok körvonalát, majd matematikailag leírható alakjellemzőkké alakítottuk. Ezzel a módszerrel a teljes körvonal hasonlóságát értékeltük.

Négy nagyobb alakcsoportot különítettünk el: közel egyenes, görbült, erősen görbült és egy köztes formát. Ezek azonban nem feleltek meg egy-egy egységes leszármazási csoportnak a DNS-alapú fán. Az egyeneshez közeli magalak például egymástól távolabbi rokonsági vonalakban is előfordult. Ugyanaz a jellegzetes forma ezért nem feltétlenül ugyanattól a közeli közös őstől származik.

5. ábra. A magok körvonala alapján végzett összehasonlítás. A pontok populációkat, a jelek fajokat, a betűk földrajzi eredetet jelölnek. A szürke mezők négy alakcsoportot emelnek ki, mellettük átlagos magkontúrok láthatók. A tengelyek több alakjellemzőből számított statisztikai tengelyek; közelségük alaki hasonlóságot, nem feltétlenül közeli evolúciós rokonságot jelent.

A körvonaladatok alapján a keresztellenőrzött besorolás összesítve 64,1 százalékban rendelte helyesen a magokat az előre megadott populációs csoportokhoz. A csoportok között nagy különbségeket találtunk. Ez az eredmény nem azonos egy általános fajhatározási sikeraránnyal: itt a megadott populációk felismerését teszteltük. A mag teljes körvonala önmagában nem bizonyult elegendőnek valamennyi faj elhatárolásához.

Több konkrét faj rendszertani megítélését is újraértékeltük. A mediterrán E. campylosperma elkülönítését molekuláris és morfológiai bizonyítékokkal egyaránt támogattuk. Ezt a Szardíniáról leírt növényt korábban gyakran az E. macropoda név alá vonták összE. Vizsgálatunk alapján indokoltnak tartottuk önálló fajként való kezelését.

Az E. gussonei mintái két jól elkülönülő genetikai vonalra oszlottak. A lampedusai és máltai minták közelebb kerültek az E. macropoda csoportjához, míg más mediterrán minták külön vonalat alkottak. Ez a korábban feltételezettnél összetettebb változatosságot jelzett. A csoportok pontos rendszertani rangjának eldöntéséhez további vizsgálatokat tartottunk szükségesnek.

Az E. ambigua és az E. triandra vizsgált mintái között viszont nem találtunk számottevő genetikai elkülönülést, és a magbélyegek is hasonlóak voltak. Emiatt megkérdőjeleztük az ázsiai E. ambigua európai jelenlétét. A korábban fontosnak tekintett hosszabb virágkocsány az E. triandra egyes alakjain is kialakulhat, így egyes európai adatok eltérő értelmezést igényelhetnek.

A magyar látonya és az E. hydropiper esetében másféle helyzetet találtunk. A vizsgált DNS-régiók nem választották szét következetesen a két fajt, miközben magjaik jellegzetesen eltérnek. A molekuláris hasonlóságot ezért a morfológiai különbségekkel együtt értékeltük. Egyetlen bizonyítéktípus önmagában nem adott minden fajpárra azonosan biztos választ.

Az eredmények rendszertani következményeit formális csoportosításban is megfogalmaztuk. Az E. brochonii számára Bracteata néven új szekciót írtunk lE. Az Elatinella csoporton belül pedig két alszekciót különítettünk el: a Hydropiperia a mérsékelt övi fajokat, köztük a magyar látonyát fogja össze, a Macropodae a mediterrán fajokat tartalmazza. Ezek a faj fölötti egységek a feltárt rokonsági mintázatot teszik áttekinthetőbbé.

Vizsgálatunk a nemzetség fajainak csak egy részét és korlátozott számú populációját fogta át, néhány DNS-régió alapján. Egyes elágazások bizonytalanok maradtak, és a sejtmagi, illetve plasztiszeredmények között is voltak eltérések. Az E. alsinastrum pontos helyzetét például nem tudtuk minden elemzésben biztosan meghatározni. A kapott fát ezért a vizsgált adatokkal alátámasztott rokonsági hipotézisként értelmeztük.

A látonyák történetében a hasonló külső, az eltérő genetikai múlt és a hibridizáció egyaránt szerepet kaphatott. A DNS-vizsgálat, a magalak és a kromoszómaszám együttes értékelésével pontosabb képet kaptunk, mint bármelyik adatcsoportból külön. Ez a megközelítés segít abban is, hogy a ritka növények elterjedését és természetvédelmi helyzetét helyesen azonosított fajok alapján ítélhessük meg.

Hivatkozás

Sramkó G., Molnár V. A., Tóth J. P., Laczkó L., Kalinka A., Horváth O., Skuza L., Lukács B. A. & Popiela A. 2016: Molecular phylogenetics, seed morphometrics, chromosome number evolution and systematics of European Elatine L. (Elatinaceae) species. – PeerJ 4: e2800.