Academisch cafe Utrechts Universiteitsfonds, 12 april 2007, Arnhem
Geachte aanwezigen, mijn naam is Roy Erkens en de komende 15 minuten ga ik u iets vertellen over mijn proefschrift getiteld “from morphological nightmare to molecular conundrum”, oftewel “van morphologische nachtmerrie tot moleculair mysterie”. De betekenis van deze titel zal u hopelijk duidelijk zijn aan het eind van mijn verhaal.
Biologen die zich bezighouden met het bestuderen van de diversiteit aan planten, dieren, schimmels etc. noemt met systematici of taxonomen. In Utrecht zijn deze biologen samengebracht in de groep Plantensystematiek, die zich dus heel specifiek bezighoudt met het bestuderen van planten. Nu kun je natuurlijk proberen om alle planten te bestuderen, maar dat zijn 300.000 soorten, een beetje veel voor een paar personen zoals u zult begrijpen. Daarom werd in Utrecht vooral onderzoek gedaan aan de familie van de Annonaceae. Misschien kunt u zich nog herinneren van de biologie op school dat verschillende soorten worden samengenomen in geslachten (of genera), terwijl geslachten weer worden gegroepeerd in families. Zo kent u misschien de zomereik (Quercus robur) en de wintereik (Quercus petraea), die samen behoren tot het geslacht Quercus, wat weer is ondergebracht in de Napjesdragersfamilie (Fagaceae). Tot die familie behoren ook de beuk en de tamme kastanje.
De familie van de Annonaceae wordt in het Nederlands de Zuurzakfamilie genoemd, nu vooral bekent van de nieuwe dubbeldrank met mango en guanabana. In Utrecht werden niet alle Annonaceae bestudeerd, maar speciaal die uit de Neotropen, het gebied van Zuid Mexico tot Zuid Brazilië. Toen ik aan mijn onderzoek begon, waren de meeste Neotropische geslachten al bestudeerd, op één na. Dit geslacht heet Guatteria en is het grootste geslacht uit de familie van de zuurzakken. Het heeft géén Nederlandse naam, zoals de meeste planten uit de tropen geen normaal Nederlandse naam hebben. U moet zich deze planten niet te speciaal voorstellen. Het zijn bijna allemaal bomen van tussen de 10 en 15 meter hoog. Dit geslacht was voor het laatst grondig bestudeerd in 1939 door Robert Fries, dus bijna 70 jaar geleden. Hij maakte een dik boekwerk waarin hij alle op dat moment bekende soorten beschreef, dat waren er zo’n 217.
Niemand heeft echt meer op grote schaal aan dit geslacht gewerkt en vandaag de dag bestaat het uit bijna 300 soorten, waarvan er 5 door mijzelf beschreven. Ik heb afgelopen week nog wat Guatteria’s bekeken en er zijn waarschijnlijk nog meer dan 20 soorten, die geen naam hebben. Als er personen onder u zijn, die denken dat dit bijzonder is, dan hebben zij het mis. Er is nog steeds zeer veel te ontdekken. Schattingen zijn dat wij pas 2
1
van de 10-40 miljoen soorten kennen die op aarde leven. Daarvan zijn er pas een paar duizend grondig bestudeerd.
Een van de redenen dat niemand meer heeft gewerkt aan Guatteria, is dat de verschillen tussen al die soorten nogal klein zijn. Guatteria werd dan ook gezien als een “morfologische nachtmerrie” (het eerste deel van mijn titel). Morfologie betekent dan de vorm en structuur van een organisme. Gelukkig bestaat er tegenwoordig de mogelijkheid om het DNA, het erfelijke materiaal, van planten te vergelijken. Simpel gezegd zijn planten waarvan het DNA meer op elkaar lijkt, nauwer verwant. U lijkt qua DNA meer op uw ouders dan op uw grootouders, of overgrootouders. Het doel van mijn onderzoek was om van ongeveer de helft van alle Guatteria soorten de verwantschap te bepalen. Dit zou hopelijk leiden tot een beter inzicht in de relaties van de verschillende soorten tot elkaar. Er is echter ook nog een overkoepelende vraag, die verder gaat dan alleen begrip van de evolutie van Guatteria zelf en dat is het gebruik van Guatteria als modelsysteem. Zo een model wordt dan bestudeerd en conclusies die getrokken worden a.d.h.v. dit model worden dan doorgetrokken naar meer algemene conclusies. In de Neotropen, het gebied van Zuid Mexico tot Zuid Brazilië, kan men ongeveer 30% van alle plantensoorten ter wereld vinden. Hoe al deze soorten ontstaan zijn is nog steeds onduidelijk. Voor de hand liggende verklaring, warmer, veel regen, meer zon, houden allemaal geen stand. Omdat Guatteria in de gehele Neotropen gevonden kan worden en de soorten veel voorkomen, kan Guatteria als model dienen om het ontstaan van diversiteit te onderzoeken.
Een aantal recente studies hebben gesuggereerd dat een behoorlijk deel van de diversiteit in de Neotropen niet ter plekke is ontstaan, maar is ontstaan a.g.v. migratie van nieuwe plantengroepen de Neotropen in, bijvoorbeeld uit Afrika of Noord Amerika. U kunt dit vergelijken met alle onkruid dat uw tuin binnenwaait en zo de plantendiversiteit in uw tuin verhoogd. Dit zelfde principe kan ook werken op continentale schaal en op langere tijdschalen (miljoenen jaren). Hier wil ik u even waarschuwen, want ik ga praten over een tijdschaal die voor de meeste mensen ongewoon is. De aarde is 4500 miljoen jaar oud en als biologen als ik praten over “snel” of “recent”, dan hebben we het over enkele miljoenen jaren.
Uit eerder studies is gebleken dat de Guatteria zelf pas recent is ontstaan, minstens 12 miljoen jaar geleden. Het is daarom niet waarschijnlijk dat de splitsing van Afrika en Zuid Amerika, 120-80 miljoen jaar geleden, van belang is geweest bij het ontstaan van soorten binnen Guatteria. Er zijn echter een aantal vage fossielen van bladeren gevonden in Noord Amerika en Centraal Amerika, waarvan men zegt dat ze van Guatteria afkomstig zijn. Hoe
2
die daar kwamen was een raadsel. De algemene aanname was dat Guatteria was ontstaan in het Amazone gebied, omdat daar vandaag de dag nog de meeste soorten te vinden zijn.
Mocht de voorouder van Guatteria toch uit Noord Amerika afkomstig zijn, dan zou het geslacht pas recent naar Zuid Amerika gemigreerd kunnen zijn. Noord en Zuid Amerika zitten namelijk pas zo’n 3,5 miljoen jaar aan elkaar vast. Het land dat nu Panama is, is pas zeer recent boven water gekomen, letterlijk. Deze gebeurtenis moet u niet onderschatten! Bij zoogdieren is de zogenaamde “Great American Interchange” goed gedocumenteerd. In Noord Amerika kwamen van origine placentale zoogdieren voor, in Zuid Amerika niet. Hier leefden bijna alleen buideldieren (net zoals deze vandaag de dag nog in Australië voorkomen). Na het sluiten van de landbrug kwam er migratie op gang van Noord naar Zuid en andersom. Het blijkt dat de noordelijke zoogdieren de zuiderlijke buideldieren grotendeels verdreven, terwijl de buideldieren dat effect niet hadden in het noorden (slechts enkele evolutionaire lijnen hebben afstammelingen nagelaten). 50% van alle zoogdieren in Zuid Amerika, zijn afstammelingen van Noordelijke migranten. Of ditzelfde voor planten geldt, is maar zeer de vraag en moet op basis van gegevens worden getest. Door op basis van DNA te kijken naar de relaties van de verschillende Guatteria soorten t.o.v. elkaar en te kijken waar zij bijvoorbeeld voorkomen, kunnen dit soort geografische patronen worden ontdekt.
A.d.h.v. de relaties tussen de verschillende soorten Guatteria konden drie belangrijke gebeurtenissen in de geschiedenis van het geslacht worden ontdekt. Het bleek dat de voorouder van alle Guatteria soorten voorkwam in Centraal Amerika. Dit is af te leiden uit het feit dat van de nu nog levende Guatteria soorten, de meeste Centraal Amerikaanse soorten (ongeveer 25 van de 30) evolutionair heel oud bleken te zijn. Daarnaast bleken alle Zuid Amerikaanse Guatteria soorten, een groep te vormen. Deze verassende resultaten, leidde tot een soort drietrapsraket voor de evolutie van Guatteria. Als eerste vond een migratie plaats over het water tussen Centraal en Zuid Amerika (waar nu dus Panama ligt). Dit vond tussen de 6 en 7 miljoen jaar geleden plaats, dit was dus vóórdat de huidige landbrug van Panama gesloten was (zo’n 3,5 miljoen jaar geleden). De Guatteria’s die toen in Zuid Amerika terecht kwamen, hadden heel veel ruimte om nieuwe soorten te vormen en er vond dus ook een uitbundige soortsvorming plaats die leidde tot de ongeveer 260 soorten die we er vandaag de dag kunnen vinden. U moet zich voorstellen dat bijvoorbeeld het Amazone gebied vol zit met rivieren en hoogteverschillen. Dit kan er toe leiden dat verschillende populaties van planten binnen een soort zich gaan aanpassen aan de verschillende omgevingen waar deze planten groeien. Dit kan weer leiden tot de eerder genoemde reproductieve isolatie en dus tot soortvorming. Tot slot, waren er verschillende migraties van Zuid Amerikaanse soorten terug naar Centraal Amerika, ná het sluiten van de landbrug van Panama, zon 1,5 miljoen jaar geleden. Deze studie bevestigd daarmee het eerder gevonden 3
resultaat, dat migratie de Neotropen in, een belangrijke bijdrage heeft geleverd aan de hoge biodiversiteit daar.
Verrassend was ook dat dit patroon niet alleen terug te vinden is in de geografie van de soorten, maar ook in het uiterlijk. Een ander onderdeel van mijn proefschrift was het maken van een z.g. florabewerking voor de Centraal Amerikaanse Guatteria soorten. Dit betekent dat ik alle daar voorkomende soorten zou onderzoeken en een korte beschrijving ervan zou maken. Zo kunnen mensen die een Centraal Amerikaanse Guatteria willen herkennen, heel makkelijk opzoeken hoe ze de verschillende soorten uit elkaar kunnen houden. Nu bleek een groot deel van de soorten goed te herkennen. Een ander deel gaf me echter nogal wat hoofdbrekens. Maar wat blijkt! De Centraal Amerikaanse Guatteria soorten, die over het algemeen makkelijk uit elkaar te houden zijn, zijn de soorten die evolutionair het oudst zijn. De moeilijk uit elkaar te houden soorten, blijken de soorten te zijn waarvan de voorouder terug gemigreerd is Centraal Amerika in. Dit patroon is eigenlijk heel logisch. Soorten die lang geleden van elkaar zijn gesplitst hebben veel tijd gehad om van elkaar te gaan verschillen. De soorten die recent zijn ontstaan na een terugkeer naar Centraal Amerika, hebben die tijd nog niet gehad. Deze zijn nog bezig met het gebied te koloniseren en met het opbouwen van verschillen. Dit betekent dus, dat voor ons als wetenschapper het heel moeilijk is om deze planten in verschillende soorten in te delen. De soorten aan de uiteinden verschillen behoorlijk van elkaar, maar ertussen kun je allerlei overgangen vinden. De mogelijk verschillende soorten lopen in elkaar over als een soort smeer.
Naast het geografische verspreidingspatroon en de florabewerking, is ook de oude classificatie van Robert Fries uit 1939 van de soorten binnen het geslacht bestudeerd. De huidige classificatie is gebaseerd op vorm/morfologie. U moet hierbij denken aan uiterlijke kenmerken, zoals de vorm van de vrucht of de bladvorm. Wanneer uzelf probeert planten uit elkaar te houden, dan gebruikt u bijvoorbeeld de kleur van de bloem of de vorm. Bij Guatteria is dat iets lastiger. De bloemen zijn eigenlijk bijna allemaal hetzelfde. U bent gewend dat een bloem begint als knop en als hij rijp wordt, dat de bloem dan open gaat. Bij Guatteria is dat niet zo, deze planten hebben een zogenaamde open knop ontwikkeling. De knop gaat open en de bloem sluit als hij rijp wordt. Dit heeft te maken met het feit dat de bloem wordt gebruikt als broedkamer voor kevers (lekker warm), die de planten bestuiven. Door dit mechanisme vindt je bijna nooit rijpe bloemen. Hierdoor zijn, zoals eerder gezegd, de meeste soorten moeilijk uit elkaar te houden. Vanwege deze morfologische complexiteit zijn de meeste wetenschappers sinds 1939 terughoudend geweest om een grote studie aan Guatteria te wijden. Met DNA technieken dachten aan het begin van mijn promotie onderzoek wel orde op zaken te kunnen stellen. Helaas bleek op basis van de gemaakte DNA vergelijkingen, het nog steeds niet mogelijk te zijn een goed inzicht te krijgen in álle 4
relaties tussen de soorten. Er kan daarom nog steeds geen compleet nieuwe classificatie van Guatteria worden opgesteld. Het is echter wel duidelijk geworden dat het grootste deel van de bestaande classificatie niet meer voldoet. De groepen van nauw verwante soorten die ontdekt werden, blijken namelijk niet overeen te komen met de door Fries bedachte groepen.
Een van de opmerkelijke bijkomstigheden van mijn onderzoek, is dus dat zelfs met moderne DNA vergelijking het niet mogelijk was om alle verwachtschappen tussen de soorten te bepalen. Een groot deel van deze relaties blijven dus nog steeds onduidelijk. Guatteria is dus niet alleen op basis van morfologie een nachtmerrie, maar ook op basis van modern DNA onderzoek nog een mysterie. 70 jaar na de eerste grootschalige taxonomische studie van Guatteria, kunnen we dus concluderen dat het geslacht, in ieder geval gedeeltelijk, nog steeds een mysterie is: vandaar de titel van morfologische nachtmerrie tot moleculair mysterie.
5
