Te midden van koele mist en zwarte lavasteen knipt botanicus Vicki Funk een stengel van een geelbloemige Hawaiiaanse plant genaamd 'ilima ( Sida fallax ). "Wanneer lava in de oceaan komt, is dit wat nieuwe eilanden koloniseert, " legt ze uit.
gerelateerde inhoud
- Wat genomisch onderzoek ons kan vertellen over de biodiversiteit van de aarde
Funk, een onderzoeker in het Smithsonian National Museum of Natural History, ligt echter ver van Hawaii. In plaats daarvan bevindt ze zich in een kamer in de serre met glazen wanden van de US Botanic Garden in Washington, DC Na de stengel snel op een schoon vel dun papier te hebben geslagen, voegt Funk het toe aan haar accordeonachtige bestand van geperste planten. Elk wordt bewaard tussen papier en karton, geboekt door houten latten en aan elkaar gebonden met fel oranje riemen. Ondertussen snijden stagiaires van de middelbare school en universiteit in haar laboratorium een weefselmonster van dezelfde plant en steken dit snel in een reageerbuis die is opgeslagen in een borrelende ketel met vloeibare stikstof. Voor 'ilima is snelheid van essentieel belang. "DNA begint vrijwel onmiddellijk te degraderen", legt Funk uit.
Op woensdag trokken Funk en haar team door de tuin om monsters van andere planten te nemen - onder andere een cacaoboom, sneeuwvlok-aloë en een mierenplant. Haar werk maakt deel uit van het Smithsonian's Global Genome Initiative (GGI), dat deze week een enorm zomertuinproject startte.
Sida fallax of 'ilima woont in een vulkanisch gesteentehabitat in de serre van de Amerikaanse botanische tuin, ver van zijn geboorteplaats in Hawaï. (Hilary-Morgan Watt, Smithsonian Institution) GGI is twee jaar geleden geïntroduceerd en heeft als doel de helft van de biodiversiteit in de wereld in repositories over de hele wereld te behouden. Om dit doel te bereiken, hebben onderzoekers planten, dieren en insecten in veldexpedities over de hele wereld bemonsterd en gecatalogiseerd. "Zie het als de biologie van de 21e eeuw, " zegt Jon Coddington, een entomoloog in het museum die toezicht houdt op het project.
Voor planten betekent dat het samenvoegen van de oude school met nieuwe schoolverzameltechnieken. Botanici gebruiken lange tijd houten plantenpersen om bladeren, bloemen en zelfs wortels in een traditioneel herbariummonster te documenteren. Door weefselmonsters in silicagel te suspenderen en in vloeibare stikstof te bevriezen, kunnen ze de genetische geheimen van de plant beter begrijpen. Geperste monsters worden gedroogd om zwerfdieren te doden, terwijl weefselmonsters worden opgeslagen in gigantische cryogene kamers in het ondersteuningscentrum van het instituut in Suitland, Maryland.
Geperst herbariummonsters kunnen ons alleen zoveel vertellen over planten omdat hun DNA na verloop van tijd afbreekt. Het behoud van de genetica van een plant biedt heel wat onderzoeksmogelijkheden, maar "toegang tot materiaal van genoomkwaliteit is de meest beperkende stap in plantgenomics", zegt Coddington. De beste manier om DNA te bewaren is om het in vloeibare stikstof te bevriezen en het op te slaan in faciliteiten zoals de cryogene repository van de instelling - een van de grootste in zijn soort.
Weefselmonsters van planten in het GGI Gardens-project worden opgeslagen in enorme cryogene tanks gevuld met vloeibare stikstof. Deze vriezers onder nul kunnen tot 4 miljoen monsters bevatten. (Donald E. Hurlbert, Smithsonian) Onderzoekers weten veel over planten die nuttig zijn voor de mens, maar er zijn enorme gaten in de stamboom van de plant. Het sequencen van een overvloed aan plantengenomen kan die gaten opvullen. Gelukkig is de technologie daarvoor het afgelopen decennium een stuk goedkoper en sneller geworden. “Het duurde tien jaar om het menselijk genoom te sequencen. Nu zou je dat binnen ongeveer een uur kunnen doen ”, zegt John Kress, een botanicus in het museum en de Smithsonian's Undersecretary for Science.
Op dit moment hebben onderzoekers genomische monsters van ongeveer drie procent van de plantengeslachten wereldwijd. In de loop van de zomer zullen veldteams - alleen door het verzamelen in tuinen en parken in het gebied Washington, DC - ernaar streven de helft van de plantenfamilies ter wereld te bemonsteren. Vervolgens gaan ze met het project op weg naar andere botanische tuinen. In de komende twee jaar hopen de wetenschappers monsters te verzamelen van de helft van de plantengeslachten die de aarde bewonen. "Gaan van drie tot 50 procent, dat is een enorm verschil", zegt Coddington.
Het sequencen van zoveel planten zou echter een tijdje duren. Voor nu wil GGI alleen de monsters op ijs krijgen. Voor eenvoudige identificatie maken ze voor elk monster een DNA-barcode door twee genen te rangschikken die van plant tot plant verschillen. De monsters worden online bewaard in een database en beschikbaar voor plantenliefhebbers en onderzoekers over de hele wereld. Voor nu kan deze bibliotheek helpen planten over de hele wereld te identificeren, en langs de lijn kunnen wetenschappers het gebruiken om hele plantengenomen te sequencen en te bestuderen.
Een botanische tuin lijkt misschien een ongewone veldsite. Meestal stelt men zich botanici voor die door oerwouden rennen en bergtoppen beklimmen om zeldzame en onontdekte planten te verzamelen. Afgestudeerde student funk en plantkunde Morgan Gostel zijn naar grote hoogten in de Andes getrokken om plantensoorten te verzamelen, soms kamperen bij temperaturen onder het vriespunt en tanks met vloeibare stikstof bergopwaarts. Deze veldexpeditie houdt ze een stuk dichter bij huis, met beslist beter weer en veel hippe lunchopties voor vrachtwagens. "Het vuile werk van het maken van de collectie is echter niet anders dan wat je in het veld zou doen", merkt Gostel op.
Sarah Gabler neemt een weefselmonster van een plymouth rose gentiaan ( Sabatia kennedyuana Fernald ). Reageerbuizen zijn in folie gewikkeld en in een draagbare tank met vloeibare stikstof gedropt. (Amerikaanse botanische tuin) 
Kristen Van Neste en Vicki Funk drukken een roze bloemig plymouth rose gentiaan exemplaar. Planten werden geselecteerd voor seizoensgebonden bloei op basis van bemonstering. (Amerikaanse botanische tuin) 
Funk en haar team jagen op planten om te proeven bij USBG. (Helen Thompson) 
Vicky Funk snijdt een monster van zeldzame sneeuwvlok-aloë ( Aloë rauhii ), afkomstig uit Madagaskar. (Hilary-Morgan Watt, Smithsonian Institution) 
Een monster van sneeuwvlok-aloë wacht afgevlakt te worden in de plantenpers van Funk. Bij het maken van een pers proberen onderzoekers zoveel mogelijk delen van de plant op te nemen, van bloemen tot wortels. (Helen Thompson) 
Sarah Gabler en Vicki Funk laten een reageerbuis met een weefselmonster van een mierenplant ( Hydnophytum formicarum ) in hun veld met vloeibare stikstof vallen. Kleine mieren bewonen de stengels van deze plant. (Amerikaanse botanische tuin) 
Plantenconservator Bill McLaughlin van de US Botanic Garden houdt een zaadpoeder omhoog van een cacaoboom ( Theobroma cacao ), een van de verschillende planten die bemonsterd zijn tijdens de demonstratie van woensdag. Sommige planten genomen die nuttig zijn voor de menselijke landbouw, zoals cacao, zijn al gesequenced. (James Di Loreto, Smithsonian Institution) 
Stagiaires (van links naar rechts) Sarah Gabler, Asia Hill en Kristen Van Neste kijken toe terwijl Vicki Funk (uiterst rechts) haar plantenpers aandraait om een monster van een moerasplant genaamd plymouth rose gentiaan ( Sabatia kennedyuana Fernald ) in de US Botanic Garden te bewaren op 8 juli 2015. Het team maakte ook aantekeningen en afbeeldingen om er nog een te maken met de geperste en ingevroren monsters die ze verzamelden. (James Di Loreto, Smithsonian Institution) 
Sarah Gabler, Kristen Van Neste, Vicki Funk, Asia Hill en Morgan Gostel nemen een pauze van het bemonsteren van planten om te poseren voor een groepsfoto buiten de serre van de US Botanic Garden. (James Di Loreto, Smithsonian Institution) Dus, waarom de onorthodoxe locatie? Als levende plantenmusea zijn tuinen op een ideale plek om deze gaten op te vullen met goed gedocumenteerde monsters die klaar zijn voor genomische sequencing. "Botanische tuinen hebben collecties als deze al honderden jaren samengevoegd, zelfs in de Renaissance, " zegt Ari Novy, directeur van de tuin. Tuinen dienen ook als overkoepelende organisaties voor groepen die betrokken zijn bij het ontdekken van soorten. Sommige zijn ook de thuisbasis van zaadbanken en zijn gespecialiseerd in specifieke soorten planten.
Onderzoekers kunnen van alles leren, van zaad- en weefselmonsters, van het identificeren van invasieve soorten tot het beantwoorden van grote vragen over de evolutie van planten. "Het is onbegrensd", merkt Félix Forest op, een evolutie-bioloog van planten in de Kew Royal Botanical Gardens in het Verenigd Koninkrijk. Kew werkt aan een soortgelijk project om tegen 2020 genetische monsters van 25 procent van de wilde plantensoorten te bewaren.
GGI en Kew maken deel uit van een grotere beweging om plantendiversiteit in biorepositories te behouden, zoals de cryogene faciliteit van het Smithsonian en het Antarctische zaadgewelf van Svalbard. Ze werken samen met vergelijkbare organisaties om het Global Genome Biodiversity Network (GGBN) te vormen.
Waarom die haast? "Idealiter zou je een levend exemplaar willen bewaren, maar dat wordt minder haalbaar", zegt Coddington. Vorige maand suggereerden onderzoekers dat de aarde al midden in haar zesde massa-uitstervingsgebeurtenis is. Met de vernietiging van habitats en een groot aantal bedreigingen in verband met klimaatverandering aan de horizon, willen wetenschappers enkele monsters bewaren zolang ze dat nog kunnen. "Dit heeft een zekere urgentie", voegt Kress toe.
Door deze genomen nu te behouden, kunnen we er in de toekomst van leren. Forest is het ermee eens: "Als we die genetische diversiteit op een bepaalde manier bewaren, kunnen we er over 20 jaar op terugkomen." Naast het leren van planten-DNA, zouden onderzoekers zelfs uitgestorven planten kunnen doen herleven. Het idee om een soort terug te brengen uit de dood komt natuurlijk met controverse, maar laten we onszelf niet voorlopen. Forest waarschuwt: 'Dit is Jurassic Park nog niet - nog niet. Maar de technologie gaat zo snel dat wie weet wat we over 20 jaar met een buis DNA kunnen doen. '
