Menschen haben wie viele komplexe Organismen große Genome, die die Codes für unser Leben enthalten. Willst du dein dunkles Haar, deine dünnen Knochen und deine Existenzangst erklären? Schauen Sie auf Ihre 46 Chromosomen und drei Milliarden Nukleotidbasenpaare.
Aber diese Zahlen sind nichts im Vergleich zum Genom eines anderen Organismus, das doppelt so viele Basenpaare und dreimal so viele Chromosomen enthält. Ist es ein Oktopus? Ein Elefant? Ein Orca? Nein, es ist der fliegende Klammeraffe-Baumfarn.
Der fliegende Klammeraffen-Baumfarn, eine robuste Pflanze aus Südostasien, hat flache Blätter, die sich an der Spitze seines Stammes kreisförmig auffächern, und er ist nur eine von vielen sporenfreisetzenden Pflanzen mit einem riesigen Genom. Was so viel DNA ausmacht oder erfordert, nennt Fay-Wei Li, Botanikerin am Boyce Thompson Institute, „die größte Frage in der Farngenomik“.
Im Mai leitete Dr. Li ein Team, das das vollständige Genom des fliegenden Klammeraffen-Baumfarns sequenzierte, um zu versuchen, eine Antwort zu erhalten. Es war erst das dritte Mal, dass die DNA eines Farns vollständig kartiert wurde, und das erste Mal, dass ein Farn mit einem so großen Genom sequenziert wurde. Letzte Woche wurden zwei weitere Artikel in Nature Plants veröffentlicht, die enthüllten, dass der Frauenhaarfarn und der „C-Fern“ – Ceratopteris richardii, ein Farn, der oft als Modellorganismus im Labor verwendet wird – Genome hatten, die in ihrer Größe mit denen der fliegenden Spinne vergleichbar waren Affenbaumfarn.
Dieser Forschungsschub, an dem jahrelang gearbeitet wurde, stellt eine ein halbes Jahrhundert alte Hypothese über Farn-Gene in Frage. Und obwohl es den Fall des Farngenoms nicht abschließt, könnte es „uns eine Menge über die Genomentwicklung als Ganzes informieren“, sagte Blaine Marchant, ein Botaniker an der Stanford University, der die Sequenzierung des C-Fern leitete.
„Seit Jahrzehnten betteln wir: ‚Hey, Farne, wir müssen das schaffen!’“, sagte Eric Schuettpelz, ein Botaniker der Smithsonian Institution, der nicht an der jüngsten Forschung beteiligt war. „Das sind wirklich aufregende Zeiten.“
Warum manche Organismen größere Genome oder mehr Chromosomen haben als andere, ist nicht ganz klar; Pflanzen und Tiere mit vielen Genen sind nicht unbedingt körperlich oder verhaltensmäßig komplexer. Der aktuelle Rekordhalter für die meisten Basenpaare – 149 Milliarden – ist eine blühende Pflanze mit dem wissenschaftlichen Namen Paris japonica; Der Rekordhalter für die meisten Chromosomen – 1.440 – ist der Zungenfarn der Kreuzotter. Beide Pflanzen sind klein und für Organismen einfach.
Eine weit verbreitete Erklärung für große Genome wird als Polyploidie oder Duplikation des gesamten Genoms bezeichnet. Typischerweise kommen während der Reproduktion zwei Gameten – Zellen mit der halben Anzahl der ursprünglichen Chromosomen – zusammen, um eine Zygote mit einer vollständigen Reihe von Genen zu bilden. Aber wenn sich diese Gameten zum ersten Mal bilden, kann es sein, dass sich Chromosomenpaare nicht vollständig trennen, was zu einer Zygote mit einem Genom führt, das doppelt so groß ist wie das ihrer Eltern. Dies scheint früh in der Evolution blühender Pflanzen geschehen zu sein, aber die meisten der duplizierten Gene wurden nach zig Millionen Jahren natürlicher Selektion entfernt.
Farne sind eng mit Blütenpflanzen verwandt, haben aber rund 20 Prozent mehr Basenpaare in ihrem Genom. Jahrelang fragten sich Wissenschaftler, warum das so ist. Dann wurde 1966 ein Artikel in Science veröffentlicht, in dem behauptet wurde, dass Farne, von denen sich viele asexuell vermehren, einen evolutionären Vorteil aus der Genomduplikation erlangten. Die Autoren argumentierten, dass die zusätzlichen Gene im Wesentlichen Backup-Chromosomen lieferten, die dazu beitrugen, Erbkrankheiten zu verhindern.
Es war ein „wirklich einflussreiches und äußerst kreatives Papier“, sagte Pamela Soltis, eine Botanikerin am Florida Museum of Natural History, die half, den C-Fern zu sequenzieren. Aber enthielten Farngenome tatsächlich Anzeichen einer Massenvervielfältigung oder waren sie einfach nur groß? Um die Theorie zu bestätigen, mussten einige dieser großen Genome sequenziert werden.
In diesem Jahr ist es endlich passiert – und die Sequenzen zeigten keine Hinweise auf Polyploidie. „Nichts davon kam durch“, sagte Dr. Soltis. „Tatsächlich gibt es nur den Beweis für möglicherweise zwei Duplikationen in dieser ganzen Linie, die Hunderte von Millionen Jahren zurückreichen ”
Der C-Fern scheint sein großes Genom hauptsächlich aus sich wiederholender DNA und transponierbaren Elementen gewonnen zu haben – „springende Gene“, die sich oft in Chromosomen bewegen, mit einer Funktion, die kaum verstanden wird. Für Dr. Soltis bot die Sequenzierung einen Abschluss für die langjährige Hypothese der Farnpolyploidie. „Wir glauben, dass dies der Nagel im Sarg dafür ist“, sagte sie.
Aber Dr. Li war nicht so überzeugt. Die DNA des fliegenden Klammeraffen-Baumfarns enthielt Hinweise auf eine vollständige Genomverdopplung vor etwa 100 Millionen Jahren, und das Genom ist seitdem bemerkenswert stabil geblieben. Es ist ein Einzelfall, aber es scheint die Idee zu untermauern, dass Polyploidie der Pflanze einen evolutionären Vorsprung verschafft hat. „Ein Genom unterstützt diese Hypothese, das andere nicht“, sagte er.
Dr. Schuettpelz sagte: „Wir haben keine genaue Vorstellung davon, was diese Dinger tun, aber ich war einfach erstaunt. Da wir immer mehr Genome ansammeln und Genome, die repräsentativer für Farne als Ganzes sind, werden die Dinge sehr schnell sehr aufregend.“
Hier war etwas, worüber sich alle Farnwissenschaftler einig waren. „Die Veröffentlichung von immer mehr zu vergleichenden Farngenomanordnungen wird die Schlussfolgerungen viel informativer machen“, sagte Dr. Marchant.
Dr. Soltis sagte: „Wenn wir zum Beispiel Aspekte von Blütenpflanzen verstehen wollen, müssen wir sie in ihrem historischen, evolutionären Kontext vergleichen können. Und es gab wirklich keine Referenz, bis diese beiden großen Farngenome veröffentlicht wurden.“
Dr. Soltis war kürzlich an einem Versuch beteiligt, das Genom aller bekannten Lebensformen auf der Erde zu sequenzieren. Das Projekt sei ehrgeizig, räumte sie ein, aber die Wissenschaft auch. „Um zu verstehen, wie etwas in einem Organismus funktioniert, einschließlich uns selbst, muss man sich ansehen, woher es kommt und in welchem Kontext es stand, bevor es seine jetzige Funktion übernimmt“, sagte sie.
Dr. Li fügte hinzu: „Also, was brauchen wir? Wir brauchen mehr Genome.“
Die New York Times
