Av de blommande växterna uppvisar rosenfamiljen (Rosaceae) en otrolig mångfald, inklusive klassiska röda växter som American beauty. Men förutom prydnadsväxter som utgör den perfekta romantiska presenten, innehåller Rosaceae-familjen också viktiga basvaror i världens kosthållning och kontantväxtekonomier. De uppvisar en extraordinär variation i storlek och form av träd, buskar och saftiga frukter, från jordgubbar och hallon till Jonathans äpplen, plommon, körsbär och mandlar till läckra Georgia-persikor.
För evolutionsbiologer ger Rosaceae en utmärkt möjlighet att förstå hur frukt utvecklats från förfädernas typer till dagens torra eller köttiga sorter som med hjälp av djur har spridits till en världsomspännande distribution av cirka 3 000 kända arter.
I ett nytt internationellt samarbete mellan kinesiska och amerikanska forskare har man lyckats utveckla en ny typ av frukt som är en del av en ny generation. institutioner, inklusive Fudan University, Huanggang Normal College, Pennsylvania State University och Smithsonian Institution, under ledning av professorerna Hong Ma och Jun Xiang, utförde författarna en evolutionär tour de force-studie av Rosaceae-frukter utifrån analyser av 125 blommande växter med stora gensekvensdataset, inklusive dem av 117 Rosaceae-arter.
Deras resultat, som publicerats i den tidiga onlineutgåvan av tidskriften Molecular Biology and Evolution, har visat en ny evolutionär bild av Rosaceae-växternas storlek och form, blommor och, vilket är viktigt, frukter.
För det första rekonstruerades ett nytt livsträd för Rosaceae med hjälp av nyligen erhållna nukleära gensekvenser för att undersöka frukttypernas och andra karaktärers utveckling i samband med geologiska tider. De fann också starka bevis för duplicering av hela arvsmassan som sannolikt genererade nya gener som bidrar till Rosaceae-mångfalden.
Det nya evolutionsträdet spårar Rosaceae-familjens begynnelse så långt tillbaka som för cirka 120 miljoner år sedan (Mya), när Rosaceae-familjens förfader skiljde sig från andra familjer. Nästan 20 miljoner år senare splittrades buskunderfamiljen Dryadoideae från de andra två underfamiljerna, omedelbart följt av en divergens mellan de två största underfamiljerna vid cirka 100 Mya runt gränsen mellan tidig och sen krita. Därifrån har ytterligare expansioner under eoner kulminerat i de 3 000 arter som finns i dag.
Den analys som de gjorde av de många tusen gensekvenserna gav dessutom starka bevis för flera duplikationer av hela genomet som troligen underlättade specialisering av trädstorlek och frukter, vilket inte bara stöder hypotesen att äppelstammen (en stor grupp med många släkten) hade två nära inpå varandra liggande duplikationer av hela genomet, utan också avslöjade en annan i Amygdaleae-stammen med frukterna med kärnor, däribland plommon, körsbär, mandlar, aprikoser och persikor.
”Det är troligt att de duplikationer av hela arvsmassan som upptäckts här och miljöfaktorer, t.ex. utfodring av djur, har bidragit till evolutionen av de många frukttyperna hos Rosaceae. Resultaten i artikeln ger en grund för att förstå fruktutvecklingen hos blommande växter”, säger Hong Ma, en av studiens handledare.
Nästan från sitt nyutvecklade evolutionsträd spårade de fruktformernas evolutionära historia. Författarna föreslår att de ursprungliga frukterna i underfamiljen med äpplen och persikor troligen utgjordes av en uppsättning av fem samlade folliklar.
”Utökade och köttiga frukter har troligen utvecklats på två olika sätt. Den inre fruktväggen (eller endokarpen) blev hård och bildade nuculanium. Dessutom blev den tidigare torra mellersta fruktväggen (eller perikarpen) köttig och antalet karpeller minskade till en eller två, vilket slutligen resulterade i stenfrukten (frukter med kärnor, som persika, plommon, körsbär och aprikos)”, säger Jun Xiang, som var med och ledde projektet. ”Alternativt, efter att fem karpeller har blivit sammanfogade, blir receptaklet urnliknande och omsluter ytterligare pistillerna, vilket resulterar i halvt underlägsna (t.ex. hagtorn) och helt underlägsna (t.ex. äpple) äggstockar.”
Men en rosenfamilj – med vilket annat namn som helst – innebär också att man fokuserar på blommor. När det gäller blommorna har de flesta Rosaceae-arter vissa gemensamma förfäderskaraktärer, t.ex. att de bär ett hypanthium, som är en sammanväxning av receptakel och den basala delen av perianth (sepaler och kronblad) och ståndare, och att de har pentamerösa sepaler och kronblad (vindspridda arter tenderar att inte ha några kronblad). Antalet pistiller och deras form varierar dock mellan olika grupper av familjen. ”Ett apokarpt pistill med överlägsen äggstock och många karpeller stöds som den ursprungliga karaktären hos Rosaceae”, säger Ma.
Författarna drar också slutsatsen att växterna av Rosaceae-arter troligen har utvecklats från buskar. ”De flesta arter i underfamiljen Rosoideae (inklusive jordgubbar och hallon) tenderar att minska i storlek till fleråriga eller ettåriga örter med små sammansatta blad och en massa små torra frön”, säger Hong Ma. ”Tvärtom uppstod träd oberoende av varandra i stammen med äpple och päron och stammen med kärnfrukter i underfamiljen persikor (Amygdaloideae), med mer ljusexponering och fler blad för att skörda ljusenergi.” ”Dessa fördelar kan ha gjort det möjligt för medlemmarna i dessa stammar att producera fler frukter per planta och mer köttiga och näringsrika frukter för att locka till sig djur”, säger Jun Xiang.