Farne haben »Schrott« im Erbgut
Einem internationalen Team ist es gelungen, eines der ersten Farngenome in voller Länge zu entschlüsseln, mit teilweise überraschenden Ergebnissen
Die Hornfarn-Art Ceratopteris richardiiist ein Modellorganismus in der Pflanzengenetik.
Sie gehören zu den Organismen mit dem umfangreichsten Erbgut – bis zu 720 Chromosomenpaare kann das Genom einer Farnpflanze aufweisen. Diese überbordende Größe und Komplexität hat es Forschenden bislang erschwert, grundlegende Aspekte der Farnbiologie und der Evolution der Landpflanzen durch genomgestützte Forschung zu klären, nun ist es einem internationalen Team gelungen.
Text: Ute Schönfelder
Die Sequenzierung des Genoms von Ceratopteris richardii war eine wahre Mammutaufgabe: Über acht Jahre haben Forschende von insgesamt 28 Institutionen auf der ganzen Welt gebraucht, um das riesige Genom des Farns zu entschlüsseln, das mit 7,46 Gigabasenpaaren mehr als doppelt so groß wie das des Menschen ist.
Ceratopteris richardii gehört als Farn zu den Monilophyten, den nächsten lebenden Verwandten aller Samenpflanzen, zu denen neben den Farnen insbesondere auch die Schachtelhalme gehören. »Die kleine Pflanze lässt sich leicht kultivieren und wächst sehr schnell, so dass sich innerhalb weniger Wochen an ihr der gesamte Lebenszyklus einer Farnpflanze untersuchen lässt«, sagt Prof. Dr. Günter Theißen von der Universität Jena. Das mache diesen Farn zum idealen Modellorganismus für die Forschung, erklärt Theißen die Bedeutung des für Laien eher unscheinbaren, aber fast jedem Aquarianer als »Hornfarn« bekannten Gewächses. Der Professor für Genetik ist Teil des Teams, das jetzt das Ceratopteris-Genom publiziert hat.
Prof. Dr. Günter Theißen ist einer der Autoren der Publikation in »Nature Plants«. Darin hat ein internationales Forschungsteam die vollständige Sequenz des Genoms von Ceratopteris richardii (Pflänzchen in der Box) entschlüsselt und analysiert.
Sich wiederholende Sequenzen machen 85 Prozent der Farn-DNA aus
Die Analyse des Genoms liefert den Forschenden nun erste Hinweise darauf, warum Farne so viel DNA enthalten. Seit den 1960er Jahren ging man davon aus, dass dies durch mehrfache Verdoppelung des Genoms passiert ist, bei der versehentlich ein zusätzlicher Chromosomensatz an die Nachkommen weitergegeben wird. Solche Verdopplungen des gesamten Genoms sind von vielen Pflanzen und sogar Tieren bekannt – für die Größe des Genoms von Ceratopteris sind sie aber nicht allein verantwortlich, wie sich jetzt zeigt. Denn hätte Ceratopteris seine DNA durch wiederholte Genomverdopplungen angehäuft, hätten große Teile seines Erbguts charakteristische Ähnlichkeiten zeigen müssen. Das ist nicht der Fall.
Stattdessen fanden die Forschenden ein Sammelsurium von sich wiederholenden Sequenzen und Millionen kurzer Genschnipsel, die zusammen 85 Prozent der DNA des Farns ausmachten. Statt mehrerer Genomkopien enthält Ceratopteris also vor allem genetischen »Schrott«, der sich über Millionen von Jahren angesammelt hat. Dieser »Schrott« ist insbesondere das Ergebnis der Aktivität von Transposons und Retrotransposons, das sind sogenannte »springende Gene«, die in allen höheren Lebewesen vorkommen, sich aber in Farngenomen offenbar besonders wohl fühlen.
Einblicke in die Evolutionsgeschichte von Blüten, Früchten und Samen
Das Jenaer Team um Günter Theißen interessiert sich weniger für die vielen Reste von Transposons und Retrotransposon-Aktivität im Genom, sondern hat im Rahmen der Studie die sogenannten MADS-Box-Gene des Farns identifiziert und analysiert. Mitglieder dieser Genfamilie kontrollieren wichtige Entwicklungsprozesse in Blütenpflanzen, insbesondere die Blüten- und Fruchtentwicklung. »Um herauszufinden, wie Blüten und Früchte im Verlauf der Evolution entstanden sind, studieren wir in meiner Arbeitsgruppe seit langem die Evolutionsgeschichte dieser Gene«, so Theißen. Als eine der ersten Gruppen überhaupt, haben er und seine Kolleginnen und Kollegen schon vor rund 25 Jahren auch einige MADS-Box-Gene aus dem Farn Ceratopteris richardii isoliert. Doch erst die Analyse der jetzt vorliegenden Gesamtsequenz des Farngenoms erlaubt erstmals einen vollständigen Überblick über sämtliche im Farn vorhandenen MADS-Box-Gene.
»Die Ergebnisse zeigen uns, dass wir schon vor 25 Jahren einen durchaus repräsentativen Überblick, aber keine vollständige Kollektion der uns interessierenden Gene erhalten hatten«, sagt Genetiker Theißen. Es bestätigte sich nun, dass die spezifischen Unterfamilien an MADS-Box-Genen, die in Blütenpflanzen die Blütenentwicklung steuern, bereits vor 300-400 Millionen Jahren in der Evolutionslinie entstanden sind, die zu den heutigen Samenpflanzen führte, nachdem sich die Linie, die zu den heute lebenden Farnen führte, bereits abgespalten hatte.
Die jetzt vorliegende Sequenz des Farngenoms bietet auch die Grundlagen für ganz neue Forschungsfragen der Arbeitsgruppe um Theißen. »Wir wollen die Hypothese testen, dass Veränderungen in bestimmten MADS-Box-Genen eine Rolle bei der Entstehung des Samens, einer der wichtigsten Innovationen der Landpflanzen und eine wesentliche Grundlage der menschlichen Ernährung, gespielt haben.« Die dazu notwendigen Funktionsstudien mit Ceratopteris richardii sind technisch anspruchsvoll, aber durch die jetzt publizierte Genomsequenz wesentlich leichter geworden.
Information
Original-Publikation:
Dynamic genome evolution in a model tern. Nat. Plants (2022). https://doi.org/10.1038/s41477-022-01226-7 Externer Link