6. Hur studerar vi svamparna?
Klassificering och namngivning av svampar
Först måste vi gå igenom lite termer och sånt, så vi vet vad vi pratar om.
Indelningen, eller klassificeringen, av organismer i de olika hierarkiska grupperna (som vi nämnde i kapitel 1 och beskriver mer ingående i kapitel 5), kallas taxonomi, och det förväntade släktskapet mellan dessa, alltså deras evolutionära historia, kallas systematik. Med andra ord, taxonomi handlar om att beskriva, namnge och klassificera organismer, medan systematik är det bredare området som också reder ut deras evolutionära släktskap. Ofta används orden mycket nära varandra eller som synonymer i vardagligt tal. I båda dessa forskningsområden används fylogenetiska träd, som vi också beskrev i kapitel 1.
Man brukar ju säga att Linne var systematikens fader, då han introducerade det hierarkiska systemet (se kapitel 1). Men hur bestämmer mykologer vad som är en art? Och hur bestäms det vilka arter som ska ingå i vilka släkten, osv? Och vilket namn ska användas för en art, ett släkte, en familj, en ordning, en klass eller ett fylum? För att det ska gå att kommunicera om svamparna måste det ju finnas en konsensus kring taxonomin och systematiken, du eller jag kan inte bara hitta på avgränsningar och namn på grupper….Ofta har forskare starka åsikter och debatten kan bli ganska het! Som tur är finns det tydliga regler kring namngivning att förhålla sig till. Regler för namngivning följer Linnés system, och “koden”, dvs International Code of Nomenclature for algae, fungi, and plants. Det är ganska mycket man måste förhålla sig till, men i stora drag handlar koden om att 1) varje art eller grupp högre upp i hierarkin (tex släkte) måste ha en beskrivning och ett latinskt namn, 2) typmaterial för varje art måste finnas tillgängligt (i tex ett fungarium som Naturhistoriska riksmuseet i Stockholm, oftast är det en torkad fruktkropp i ett kuvert, men det kan också vara en svampkultur eller – i vissa fall – en illustration som beskriver arten), och 3) den tidigast publicerade beskrivningen är den som gäller.
Vill du veta mer?
Här är en sida från Oslos fungarium där du tex kan se hur insamlat material och typmaterial ser ut.
Här är “koden” för namngivning av svampar.
När forskare får tillgång till ny information som ändrar vår förståelse för svampar på ett sätt som föranleder ett namnbyte, då kommer en ny publikation äga rum och nya typmaterial samlas in eller klassificeras om. Det här är ett ständigt pågående arbete för svamptaxonomer, och kan ibland leda till förvirring för oss andra. Till exempel, om du tittar i litteraturen kommer du att märka att det ibland finns olika indelningar och olika namn som används för en del grupper. Vi kan illustrera situationen med den gula kantarellen även här, och nu i relation till den bruna trattkantarellen som kommer på hösten. Fram till nyligen var dessa två arter placerade inom släktet Cantharellus: nu är placeringen av vanlig gul kantarell (Cantharellus cibarius) i släktet Cantharellus, och trattkantarell (Craterellus tubaeformis) i släktet Craterellus. Anledningen till att klassificeringen ändrades var på grund av att forskare integrerade DNA i analysen.
Oftast är ändringar i taxonomin just på grund av att nya data (idag nästan alltid DNA) ställer existerande klassificeringar i nytt ljus. Det finns dock också andra faktorer som styr, tex mer subjektiva åsikter hos olika taxonomer som gör att de inte alltid kommer överens om hur en specifik grupp ska avgränsas och vad den ska heta. Det här gäller främst släkten och familjer och andra nivåer ovanför arten, där finns det mer utrymme för subjektivitet. Och då kan klassificeringen bero dels på åsikter (eller principiella idéer) från respektive forskare, är man tex en lumper (som vill ha större grupper) eller en splitter (som gillar mindre grupper)? Det här senare är ju bara preferenser, egentligen (tycker vi). Men vi är ju heller inga taxonomer. En sak är säker i alla fall: ju färre ändringar i taxonomin det blir – desto lättare blir det att kommunicera med varandra om svamparnas biologi.
Självklart ligger mycket av svårigheterna i systematisk forskning i att använda information tillgänglig idag för att bedöma släktskap och evolutionära händelser som ägde rum för mycket länge sedan. Detta har vi tagit upp tidigare, men kan vara värt att nämna igen: Fossiler kan hjälpa till att förstå evolutionen, och de fossil man har hittat säger oss något om hur arter såg ut, men långt ifrån allt eftersom de inte är tillräckligt många. Dessutom, som nämndes i kapitel 1, är fossiler av svampar inte så vanligt förekommande. För att ta reda på hur arter är släkt med varandra måste vi studera de arter som lever nu och baserat på hur de ser ut, hur de växer, ämnen de producerar, och hur deras arvsmassa (DNA) ser ut, använda fylogenetiska analyser för att göra antaganden om vem som är närmast släkt med vem, och med andra ord, försöka rekonstruera i efterhand hur evolutionen gått till. Och, det är viktigt att komma ihåg att en fylogeni bara är en hypotes om hur grupper – identifierade och namngivna av taxonomer – är besläktade med varandra. Det finns ofta olika uppfattningar om detta och många intensiva debatter pågår, nya oklarheter uppstår hela tiden och vissa löser sig snabbare än andra. Paradoxalt nog är det så att det enda man vet med säkerhet är att man inte vet exakt hur alla är släkt med varandra. Det som består är helt enkelt att det alltid finns oenigheter kring hur klassificeringen ska gå till, och vem som egentligen är närmast släkt med vem!
Vad är en art, ett släkte, en familj, en ordning i svampriket….?
Arten är en mycket central enhet inom biologin och den nivå som du finner längst ner i det hierarkiska systemet. Man brukar säga att det finns lika många sätt att definiera arter som det finns forskare…men det låter värre än det är. Det finns begrepp som är vanligare än andra, har man koll på dessa är det oftast lugnt. Tre av de vanligaste sätten att definiera an art är 1) olika sätt på hur de ser ut (det morfologiska artbegreppet), 2) hur bra de kan reproducera sig med varandra (det biologiska artbegreppet) och 3) hur de fördelar sig i ett fylogenetiskt träd (det fylogenetiska artbegreppet). Hos svampar är det inte helt lätt att definiera en art. Det morfologiska artbegreppet blir klurigt – för å ena sidan kan en och samma svamp se väldigt olika ut beroende på miljöbetingelser, och å andra sidan kan olika svampar ofta se väldigt lika ut, trots att de kanske inte alls ens är nära släkt. Vi har pratat om konvergent evolution i kapitel 2, detta är väldigt vanligt bland svamparna (se också nedan). Många reproducerar sig endast asexuellt/klonalt, och då kan man ju inte korsa dem med varandra: då blir det svårt att använda det biologiska artbegreppet. Det fylogenetiska artbegreppet är det som har kommit främst inom mykologin på senare tid, ofta då i kombination med information om till exempel morfologi och ekologi. Som vi beskriver nedan används ofta idag en snutt av DNA som en proxy för en art, det är ju egentligen inget specifikt artbegrepp, men det används för att beskriva diversitet. Se nedan hur det funkar. Det är bra att använda olika typer av information för att göra en vettig artbeskrivning, och det är viktigt att man är tydlig med vilket artbegrepp man använt när man kommunicerar om olika svamparter och särskilt när man vill revidera den rådande klassificeringen.
Ett släkte utgör sedan en grupp närbesläktade arter, och en familj är en större grupp som samlar ett eller flera närbesläktade släkten. Här kan det som sagt bli mer subjektivt, för var drar man egentligen gränsen för de olika nivåerna? Vi har inget bra svar på den frågan.
Vill du veta mer?
Wikipediasida om arter och artbegreppet i allmänhet.
Artikel om artbegreppet hos svamp kopplat till genetisk data
Karaktärer – egenskaper som mykologer använder för taxonomi och systematik
Historiskt sett har mykologer främst använt morfologiska karaktärer, dvs hur svampen ser ut, för att bedöma hur olika grupper, t ex arter eller släkten, ska avgränsas. För att få fram så mycket information som möjligt har man använt mikroskop. Som vi skrev ovan, är det svårt för systematiker att klassificera svamparna baserat på utseende, eftersom de varierar väldigt mycket i hur de ser ut beroende av utvecklingsstadier och miljöbetingelser. Det finns många exempel på hur samma art beskrivits som två olika, då kan det vara olika utvecklingsstadier av samma art som felaktigt tolkats som två olika arter. När en art felaktigt tolkats som två, beror det dock oftast på att artbeskrivningen är baserad på antingen sexuella eller asexuella strukturer. Detta är måhända överkurs för denna sida, men om du stöter på termen teleomorf är det en beskrivning av hur den sexuella strukturen, tex fruktkroppen, av en svamp ser ut och anamorf, hur den asexuella strukturen, tex konidierna, ser ut. Detta system för namngivning var under het debatt länge, en del tyckte att det borde få finnas kvar trots att man (sedan mitten av 1800-talet) visste att problemet med flera namn på en och samma svamp fanns och egentligen var fel. Till slut, vid den internationella mykologi-konferensen 2011, bestämde mykologerna att det måste finnas bara ett namn för en svamp. Då fastställdes principen “one fungus – one name”. Vilken tur!
Fördjupning rörande detta med teleomorf och anamorf och ”one fungus – one name”.
Men, det finns fler problem. Det finns också otaliga exempel på när det blir tvärtom: en beskriven art istället rymmer flera arter, som skiljer sig åt så lite i utseendet att mykologer inte förstått att det är två olika. Här pratar vi om kryptiska arter. Ett exempel på detta är den fjälliga taggsvampen, den som du ofta stöter på i barrskog som stora köttiga taggsvampar med fjällig hatt. Den här svampen har vanligen använts för att färga garn, men bara ibland resulterade färgningen i den önskade blågröna färgen. Med hjälp av DNA kunde vi fastställa att det var två olika arter som använts av svampfärgare: fruktkropparna från de två arterna ser nästan precis likadana ut, men bara den ena varianten producerar pigmentet. Det här är en trevlig liten studie tycker vi, och den representerar något som är mycket vanligt förekommande i svampriket: när DNA-information började användas i slutet av 80-talet så visade det sig att nästan varenda art som var beskriven med hjälp av morfologiska karaktärer egentligen bestod av flera, kryptiska, arter.
Vår artikel om den fjälliga taggsvampen.
Andra karaktärer som ofta används för att beskriva arter är svamparnas patologi – dvs vilka symptom orsakar de, och på vilken värdväxt? Detta är förstås endast relevant för svampar som orsakar sjukdomar på växter. Svamparnas ekologi kan också bidra med meningsfull information – är de tex i mutualistisk symbios med, eller bryter ner, någon specifik värdväxt? Många mykorrhiza-arter bildar mutualistisk symbios endast med specifika träd och då kan information om bredvid vilket träd en svamp hittades, vara mycket meningsfull. Övriga karaktärer som ofta används är deras metabolism – vad behöver de för att växa? Detta används oftast för arter som växer som jäst, här finns ju väldigt lite morfologi att använda! Och sekundära metaboliter – vilka ämnen producerar de? Det kan också vara informativt, om än i begränsad skala. Sekundära metaboliter används främst för att studera lav-systematik.
DNA analysen har revolutionerat vår förståelse för svamparna!
På senare tid, alltså lite mer specifikt sen slutet av 80-talet, har studierna av svampars evolution och mångfald fått en jättestor knuff framåt med hjälp av genetiska analyser. Genetiska analyser används idag i flera syften och användningsområdet är ständigt växande. Tekniken utvecklades historiskt för att diagnostisera sjukdom eller risk för sjukdom i människan som beror på kromosom- avvikelser eller förändringar i en eller flera gener. Vidare användes, och används fortfarande, analyser av DNA-spår i brottsutredande syfte, faderskapsutredningar och släktskapsbestämningar. Exempel på andra fält där genetiska analyser tillämpas är arkeologi och evolutionsforskning. Från att ha varit en egenskap som främst studeras i människan, blev DNA en egenskap som studerades i vissa modellarter som mus, bananfluga och bryggerijäst (se kapitel 2). Numera kan forskare använda DNA för att studera vilken art som helst, och för mykologer är det brett tillämpat idag!
Vi mykologer utför alltså modern DNA-baserad metodologi för att förstå svamparna bättre. Förutom någon enstaka mutation som kan uppstå, ändras inte DNA i en svamp varken med åldern eller med miljöbetingelserna. Och, det går alldeles utmärkt att studera diversiteten av svamp i tex ett jord- eller vattenprov utan att odla ut svampen. Med DNA-teknikens hjälp har vi forskare dels kunnat reda ut historiska kontroverser kring släktskapet mellan redan kända arter och släkten, och även förstå vilken enorm diversitet av svampar som finns i naturen men som är svåra att se med blotta ögat.
Hur använder forskarna då DNA för att förstå svamparnas diversitet och evolution? Jo, om vi börjar från början. Först drar man nytta av det faktum att alla svampar har DNA. Alla individer har dessutom unikt DNA, vilket såklart är en förutsättning för att studera likheter och olikheter. En annan praktisk aspekt av DNA-analys är att olika delar av svampens arvsmassa uppvisar olika grad av variation när man jämför med andra svampar. Detta beror på att olika delar av din arvsmassa ackumulerar mutationer olika fort. Det här är inte unikt för svamparna, vi människor har också vissa delar av vår arvsmassa som muterar fortare än andra och därför uppvisar mer variation än andra: vissa regioner muterar så fort att de uppvisar en unik sekvens för varje individ. Tänk till exempel på de regioner av DNA vi använder för att fastställa faderskap eller för att koppla personer till brottsplatser – här använder vi DNA som är så pass variabelt att varje person har en unik profil. Om vi däremot vill studera människans släktförhållande med chimpanser och gorillor, då funkar inte dessa hypervariabla regioner lika bra för i dessa regioner har det ackumulerats så många förändringar att det blir omöjligt att jämföra DNA mellan så vitt skilda grupper: det blir som att jämföra äpplen och päron. I sådana jämförelser undersöker vi regioner av DNA som inte uppvisar lika stor variation. På precis samma sätt finns DNA regioner med olika nivå av variabilitet hos svamparna!
För att få fram DNA använder man enklast vävnadsmaterial, vilket från oss människor skulle kunna vara blod eller andra celler. Från svamp är det en fruktkropp eller, ännu hellre, mycel eller jästceller som är odlade på näringsmedium i laboratoriet. Men det funkar också att analysera DNA direkt från ett prov av tex vatten eller jord. Den information man inhämtar är antingen den totala arvsmassan hos en individ (det brukar kallas ett genom) eller ett prov från miljön (det kallas metagenom), eller så undersöker man DNA-sekvensen i enskilda gener eller regioner av DNA. En undersökning av DNA kan alltså variera i omfattning från hela kromosomuppsättningen till endast en punktmutation i en specifik region. Vilken del av arvsmassan och vilken metod man använder för att studera variationen beror på vilken fråga du vill ha svar på.
Vi som studerar svampar har fått ett särskilt stort uppsving jämfört med våra kollegor som studerar växter och djur, svamparnas arvmassa är nämligen mycket mindre än de flesta andra eukaryoter – vilket gör dem lätta att studera. Som vi skrev i kapitel 2, så är bryggerijästens (Saccharomyces cerevisiae) totala arvsmassa 12.2 miljoner baser som är organiserade i 16 kromosomer med lite över 6000 gener. Detta är ganska litet för att vara svamp, de flesta svampar som har mer komplex uppbyggnad med hyfer och mycel, har genom på runt 40 miljoner baser som innehåller ungefär 10 000 gener. Men, det är ändå betydligt mindre än människans 3.1 miljarder baser, organiserade i 23 kromosomer och som innehåller 20 000 gener. Många eukaryoter har ännu större genom: det uppmätta rekordet för växter ligger till exempel just nu hos ormbunken Tmesipteris oblanceolata, som har över 50 gånger så stort genom som människan! I de flesta svamplaboratorier kan man idag (utan alltför stor ekonomisk och praktisk insats) ta fram hela genomet av svampar och med hjälp av datorn jämföra dem med varandra för att svara på frågor kring evolution och diversitet.
Genom att jämföra hela genom mot varandra, kan man svara på frågor kring släktskap, men också om funktion och om det finns evolutionära anpassningar i DNAt som kan spåras till att leva i specifika miljöer. Ett exempel på det senare är att studera om genuppsättningen skiljer sig mellan arter som lever på att bryta ner mer komplexa molekyler från dem som lever i mutualistisk symbios och får sin energi från en värdväxt (se kapitel 3). En viktig användning av DNA för att förstå svamparna är i studierna av svamparna direkt från ett prov i miljön, tex ett jord- eller vattenprov. Tekniken att studera DNA direkt från miljön kallas eDNA (environmental DNA (miljö-DNA)) och kan vara baserad på hela genomet (då kallas det ju metagenomik) eller bara en viss del av arvsmassan (en DNA-steckkod eller barcode: då kallas det metabarcoding). Grejen med en DNA-streckkod är att den uppvisar lagom variationsnivå i sekvensen för att särskilja svampar på artnivå. Metabarcoding är väldigt populärt eftersom det är relativt lätt att genomföra och för att identifiera vilka svampar som finns i ett prov i naturen behövs inte alls hela genomet, utan det räcker med att analysera streckkoderna av svamp som finns i provet.
Ett prov från t ex jord innehåller många arter och därigenom en mängd olika streckkoder, en för varje art som finns i provet. Med sekvenserna i sin dator, kan man jämföra dem med referens-sekvenser som deponerats i en DNA-streckkodsdatabas. Med denna typ av analys kan forskare hitta flera olika arter svamp i ett litet prov från naturen, där de är helt osynliga för blotta ögat. Ju bättre databasen är, desto större chans att du hittar arter som redan finns beskrivna. (Svampforskare har lagt mycket möda på att sätta ihop databaserna för svamp, så det är bra!). Notera att denna metod kan också användas för att utforska ännu inte kända arter som finns i miljön, det tar vi upp i nästa stycke.
Vill du veta mer?
Fördjupande artikel om DNA barcoding.
Video med Uppsalaforskaren Anna Rosling om metabarcoding
Den dolda mångfalden av svamp
Idag finns ungefär 155 000 arter av svamp beskrivna, enligt konstens alla regler (med andra ord, enligt International Code of Nomenclature for algae, fungi, and plants), men man uppskattar att det finns många, många fler. eDNA-analyser från miljön, primärt från metabarcoding-studier, har indikerat att det finns upp till 19 miljoner arter där ute som väntar på att bli studerade mer i detalj. Men, även om mer sansade siffror (se artikeln länkad nedan) ligger runt 3 miljoner arter svampar, visar dessa studier att 250 år av arbete med att beskriva arter av svamp har resulterat i att vi har som mest hittat och identifierat 5% av dem!
Hur kommer forskarna fram till antalet arter som finns, de är ju liksom inte upptäckta än? Med andra ord, hur kartlägger man det okända? Jo, för att uppskatta hur många arter som finns i ett prov eller ett område använder forskarna metabarcoding tillsammans med art-ackumuleringskurvor (eller rarefaction-kurvor) för att rita upp hur antalet unika arter ökar i takt med att man analyserar fler provtagningsvolymer, sekvenser eller replikat. När kurvan börjar plana ut och närmar sig en platå (asymptot) vet forskarna att de har fångat merparten av artrikedomen i provet.
Var finns då alla oupptäckta arter? Forskarna spår dem att finnas i alla tänkbara miljöer, från den tropiska regnskogen till jord, luft, sjöar och hav. …de finns alltså överallt.
Här är en artikel som diskuterar alla dessa ännu ej beskrivna svamparna.
En naturlig följd av att mykologer nu upptäckt att så stor del av svampriket inte ännu är beskriven, är att en diskussion om att revidera koden (International Code of Nomenclature for algae, fungi, and plants) så att det ska bli möjligt att namnge arter baserat på endast barcode-sekvensen. Många mykologer debatterar med enfas om vikten av att göra detta, med argument som att det går ju inte att kommunicera utan att ha namn på de organismer vi pratar om. Men förslaget är ännu nedröstat. Det här med metabarcoding är ju en fiffig metod, men det finns svagheter såklart. Kan vi vara säkra på att sekvensen av barcoden verkligen motsvarar en art? Vi vet detta för många arter, där man har tex fruktkroppsmaterial att jämföra med, men för de allra flesta har vi ingen sådan information och vi utgår från antaganden.
Här är en artikel som namngav arter baserat på i huvudsak DNA “naming the untouchable”