Ceratopterus richardii, der C-Farn. (David Randall/Western Sydney University) Farne haben etwas wirklich Eigenartiges.
Ihre DNA ist seltsam und komplex. Tatsächlich gibt es eine Farnart – Ophioglossus retikulieren oder der Zungenfarn der Kreuzotter – hält den Rekord für den vielzelligen Organismus mit der meisten Chromosomenzahl. In den meisten seiner Zellkerne finden sich etwa 720 Chromosomenpaare.
Nun, es stellte sich heraus, dass wir mit unserem Misstrauen Recht hatten.
Nach Jahren mühsamer Arbeit haben Wissenschaftler endlich die gigantischen Genome von drei verschiedenen homosporen Farnen sequenziert und dabei herausgefunden, dass diese schädlichen Pflanzen nicht nur DNA horten, sondern sie auch anderen Organismen stehlen – und das schon seit Millionen von Jahren.
„Jedes Genom erzählt eine andere Geschichte“ sagt der Genetiker Doug Soltis vom Florida Museum of Natural History, Co-Autor eines der Artikel.
„Farne sind die nächsten lebenden Verwandten aller Samenpflanzen und sie produzieren chemische Abwehrstoffe für Pflanzenfresser, die für die Agrarforschung nützlich sein könnten.“ Doch bis jetzt sind sie die letzte große Abstammungslinie des grünen Lebens ohne Genomsequenz geblieben.“
Die Genome der drei Farne wurden in drei separaten Veröffentlichungen beschrieben.
Ein Artikel über den fliegenden Klammeraffen-Baumfarn ( Alsophila spinulosa ) War im Mai veröffentlicht In Naturpflanzen. Diese Woche kommen Beiträge zum Thema hinzu Frauenhaarfarn ( Adiantum-Spiralfeder ) und das C-Farn ( Ceratopteris richardii ), der seit Jahrzehnten als Modellorganismus untersucht wird.
Soltis trug als Teil eines Teams von Wissenschaftlern aus 28 Institutionen auf der ganzen Welt zum C-fern-Artikel bei. Es war eine Herkulesaufgabe, die mehr als acht Jahre in Anspruch nahm, um das C-Farn-Genom zusammenzusetzen.
Das Ergebnis: ein Genom, das in seinen 39 Chromosomenpaaren 7,46 Gigabasen DNA umfasst – mehr als doppelt so groß wie das menschliche Genom. Und es hat einige ziemlich interessante Überraschungen gebracht, berichten die Forscher.
In der Vergangenheit haben Wissenschaftler die riesigen Genome und die hohe Chromosomenzahl der Farne auf wiederholte Duplikationsrunden des gesamten Genoms zurückgeführt, bei denen die Nachkommen eines Organismus versehentlich zusätzliche Kopien des gesamten Genoms des Organismus erben. Dies kommt bei Pflanzen häufig vor und kann einige Vorteile mit sich bringen, wie z. B. eine schnelle Entwicklung und Divergenz.
Organismen, bei denen dies auftritt, neigen jedoch dazu, eine kurze Anpassungsphase zu durchlaufen, in der die meisten Duplikate verloren gehen, was zu einem normaleren Genom führt. Anders als bei Farnen.
„Dies war im letzten halben Jahrhundert ein wichtiger Diskussionspunkt und hat zu allen möglichen widersprüchlichen Ergebnissen geführt.“ sagt der Botaniker und Co-Autor Daniel Blaine Marchant der Stanford University.
„Der Versuch, den diesem Paradoxon zugrunde liegenden Evolutionsprozess herauszufinden, ist unglaublich wichtig.“
Die Antwort lag in der DNA von C. richardii . Anstelle der identischen DNA-Abschnitte, die bei einer Vervielfältigung zu erwarten wären, enthalten die Chromosomen des Farns eine bunte Mischung aus sich wiederholenden Schnipseln und Fetzen, genetischen Trümmern, die sich in der Pflanze angesammelt haben.
Fünfundachtzig Prozent davon C. richardii Das Genom besteht aus diesen Transposons , DNA-Sequenzen, die sich bewegen können, und dieser Anteil wurde auch bei beobachtet A. Haar-Freitag .
„Die funktionellen Gene sind durch große Mengen repetitiver DNA getrennt“, sagt die Botanikerin Pam Soltis des Florida Museum of Natural History.
„Und obwohl wir noch nicht sicher sind, wie das Ceratopteris „Und andere Farngenome sind so groß geworden, dass die vorherrschende Ansicht von wiederholten Episoden der Genomverdopplung eindeutig nicht unterstützt wird.“
Wie dem auch sei, es scheint darauf hinzudeuten, dass Farne einfach nicht in der Lage sind, überschüssige DNA auszuscheiden. Stattdessen bewahren sie es auf unbestimmte Zeit auf, wie ein Hamsterer, der einfach nicht weiß, wann er die Schublade voller ausgetrockneter Stifte noch brauchen kann.
Aber das Team fand auch Beweise dafür C. richardii ist ein hinterhältiger kleiner DNA-Dieb.
Im Genom des Farns befinden sich Abwehrkräfte gegen ein bestimmtes Toxin, das Löcher in die Zellmembran sticht. Diese Abwehrkräfte kommen normalerweise bei Bakterien vor – was darauf hindeutet, dass der Farn sie durch einen Prozess namens horizontalen Gentransfer von Bakterien erworben hat (was eigentlich recht häufig vorkommt). unter Bakterien ).
Kopien dieser Abwehrgene tauchen in verschiedenen Teilen der Pflanze auf, was darauf hindeutet, dass diese Übertragung mehrmals stattgefunden hat. Der Farn scheint also einen gewissen Nutzen aus den Früchten seiner Beute zu ziehen, und wahrscheinlich ist dieser Nutzen auch defensiver Natur, vermuten die Forscher.
Und ziemlich überraschend und genial auch.
„Die Mechanismen hinter dem horizontalen Gentransfer gehören nach wie vor zu den am wenigsten untersuchten Bereichen der Landpflanzenevolution.“ Soltis sagt .
„Über evolutionäre Zeitskalen hinweg ist es ein bisschen so, als würde man im Lotto gewinnen.“ „Jedes Mal, wenn eine Pflanze verletzt wird, ist ihr Inneres anfällig für das Eindringen von Mikroben, aber dass ihre DNA in das Genom eingebaut wird, scheint erstaunlich.“
Sie werden Ihre Farne nie wieder mit den gleichen Augen betrachten.
Die Papiere auf A. spinulosa , A. Haar-Freitag , Und C. richardii wurden veröffentlicht in Naturpflanzen . Sie können jeweils gefunden werden Hier , Hier , Und Hier .