Onder de bloeiende planten vertoont de rozenfamilie (Rosaceae genoemd) een ongelooflijke diversiteit, waaronder klassieke rode soorten zoals de Amerikaanse schoonheid. Maar naast sierplanten die het perfecte romantische cadeau vormen, omvat de Rosaceae-familie ook essentiële hoofdbestanddelen van wereldwijde diëten en economieën voor handelsgewassen. Zij vertonen een buitengewone variatie in grootte en vorm van bomen, struiken en sappige vruchten, van aardbeien en frambozen, via Jonathan appels, pruimen, kersen en amandelen, tot verrukkelijke Georgia perziken.
Voor evolutiebiologen biedt Rosaceae een uitstekende gelegenheid om te begrijpen hoe fruit evolueerde van voorouderlijke soorten tot de huidige droge of vlezige variëteiten die zich, met de hulp van dieren, hebben verspreid tot een wereldwijde verspreiding van ongeveer 3.000 bekende soorten.
In een nieuwe internationale samenwerking tussen Chinese en Amerikaanse instellingen, waaronder Fudan University, Huanggang Normal College, de Pennsylvania State University en het Smithsonian Institution, onder leiding van de professoren Hong Ma en Jun Xiang, hebben de auteurs een tour de force evolutionaire studie van Rosaceae-vruchten uitgevoerd op basis van de analyses van 125 bloeiende planten met grote gensequentie-datasets, waaronder die van 117 Rosaceae-soorten.
Hun resultaten, gepubliceerd in de vroege online editie van het tijdschrift Molecular Biology and Evolution, hebben een nieuw evolutionair beeld laten zien van de grootte en vorm van Rosaceae-planten, bloemen en, belangrijk, vruchten.
Voreerst werd een nieuwe levensboom voor Rosaceae gereconstrueerd met behulp van nieuw verkregen nucleaire gensequenties om de evolutie van vruchttypen en andere karakters in de context van geologische tijden te onderzoeken. Zij vonden ook sterke aanwijzingen van volledige genoom duplicatie die waarschijnlijk nieuwe genen genereerde die bijdroegen aan de diversiteit van Rosaceae.
De nieuwe evolutionaire boom traceert het begin van de Rosaceae familie zo ver terug als ongeveer 120 miljoen jaar geleden (Mya), toen de voorouder van Rosaceae zich scheidde van andere families. Bijna 20 miljoen jaar later splitste de struikensubfamilie Dryadoideae zich af van de andere twee subfamilies, onmiddellijk gevolgd door een divergentie van de twee grootste subfamilies rond ongeveer 100 Mya rond de grens tussen het Vroege en Late Krijt. Van daaruit hebben verdere uitbreidingen in de loop der eeuwen geleid tot de 3.000 soorten van vandaag.
Bovendien leverde hun analyse van de vele duizenden gensequenties sterke aanwijzingen op voor verscheidene volledige genoomduplicaties die waarschijnlijk de specialisatie van boomgrootte en vruchten vergemakkelijkten, niet alleen ter ondersteuning van de hypothese dat de appelstam (een grote groep met vele geslachten) twee dicht bij elkaar gelegen volledige genoomduplicaties had, maar ook onthullend een andere in de Amygdaleae stam van de pitvruchten waaronder pruimen, kersen, amandelen, abrikozen en perziken.
“Het is waarschijnlijk dat de hele genoom duplicaties die hier zijn ontdekt en omgevingsfactoren, zoals diervoeding, hebben bijgedragen aan de evolutie van de vele fruitsoorten in Rosaceae. De resultaten in de paper bieden een basis voor het begrijpen van de evolutie van vruchten in bloeiende planten,” zei Hong Ma, een van de supervisors van de studie.
Volgende, van hun nieuw ontwikkelde evolutionaire boom, traceerden ze de evolutionaire geschiedenis van de vruchtvormen. De auteurs suggereren dat de voorouderlijke vruchten van de subfamilie met appels en perziken waarschijnlijk een set van vijf geaggregeerde follikels waren.
“Vergrote en vlezige vruchten evolueerden waarschijnlijk via twee verschillende manieren. Bij de ene werd de binnenste vruchtwand (of endocarp) hard, waardoor nuculanium werd gevormd; daarnaast werd de voorheen droge middelste vruchtwand (of pericarp) vlezig en nam het aantal carpels af tot één of twee, wat uiteindelijk resulteerde in de drupe (ontpitte vruchten, zoals perzik, pruim, kers en abrikoos),” zei Jun Xiang, die mede leiding gaf aan het project. “Of, nadat vijf carpels connate zijn geworden, wordt de receptaculum urn-achtig en omhult verder de stampers, resulterend in semi-inferieure (zoals meidoorn) en volledig inferieure (zoals appel) eierstokken.”
Maar een rozenfamilie -bij elke andere naam- betekent ook focussen op bloemen. Wat de bloemen betreft, hebben de meeste Rosaceae-soorten enkele gemeenschappelijke voorouderlijke kenmerken, zoals het dragen van een hypanthium, dat een connaat is van de receptaculum en het basale deel van de perianth (kelk- en kroonbladeren) en meeldraden, en het hebben van pentamere kelk- en kroonbladeren (winderige soorten hebben meestal geen kroonbladeren). Het aantal en de vorm van de stamper verschillen echter tussen de verschillende groepen van de familie. “Een apocarpous stamper met superieure eierstok en talrijke carpels wordt ondersteund als de voorouderlijke karakteristiek van Rosaceae,” zei Ma.
De auteurs concluderen ook dat de planten van Rosaceae soorten hoogstwaarschijnlijk geëvolueerd zijn van struiken. “De meeste soorten van de Rosoideae-subfamilie (waaronder aardbei en framboos) neigen ertoe om in omvang af te nemen tot overblijvende of eenjarige kruiden met kleine samengestelde bladeren en een massa kleine droge zaden,” zei Hong Ma. “Integendeel, bomen zijn onafhankelijk ontstaan in de stam met appel en peer en de stam met ontpitte vruchten in de perzik subfamilie (Amygdaloideae), met meer blootstelling aan licht en meer bladeren voor het oogsten van lichtenergie.” “Deze voordelen zouden leden van deze stammen in staat kunnen hebben gesteld om meer vruchten per plant te produceren, en meer vlezige en voedzame vruchten om dieren aan te trekken,” zei Jun Xiang.