Den Fall für das Genom des Riesenfarns durchbrechen

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 sich Ihre 46 Chromosomen und drei Milliarden Basenpaare von Nukleotiden an.

Aber diese Zahlen verblassen 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 sporenabstoßenden Pflanzen mit enormem Genom. Was so viel DNA erklärt oder erfordert, ist das, was die Botanikerin Fay-Wei Li vom Boyce Thompson Institute „die größte Frage in der Farngenomik“ nennt.

Im Mai leitete Dr. Li ein Team, das Reihenfolge das vollständige Genom des fliegenden Klammeraffen-Baumfarns, um eine Antwort zu erhalten. Es war nur das dritte Mal Die DNA eines Farns war vollständig kartiert worden, und es war das erste Mal, dass ein Farn mit einem so großen Genom sequenziert wurde. Letzte Woche von ihnen Nach In Nature Plants wurden Artikel 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 Weite mit dem fliegenden Baumfarn vergleichbar waren.

Diese seit Jahren andauernde Forschungsflut stellt eine ein halbes Jahrhundert alte Hypothese über die Gene von Farnen in Frage. Und obwohl dies den Fall für das Farngenom nicht schließt, könnte es „uns eine Menge über die Evolution des Genoms als Ganzes lehren“, sagte Blaine Marchant, ein Botaniker an der Stanford University, der die Sequenzierung leitete. Farn.

„Wir betteln seit Jahrzehnten: ‚Hey Farne, wir müssen das hinbekommen!’“, 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 Natternfarn. Beide Pflanzen sind klein und als Organismen einfach.

Eine weit verbreitete Erklärung für große Genome wird als Polyploidie oder Duplikation des gesamten Genoms bezeichnet. Typischerweise kommen während der Fortpflanzung zwei Gameten – Zellen mit der Hälfte der ursprünglichen Chromosomenzahl – zusammen, um eine Zygote zusammen mit einer vollständigen Reihe von Genen zu bilden. Aber wenn sich diese Gameten zum ersten Mal bilden, trennen sich die Chromosomenpaare möglicherweise nicht vollständig, was zu einer Zygote mit einem Genom führt, das doppelt so groß ist wie das seiner Eltern. Dies scheint schon früh in der Evolution der Blütenpflanzen passiert zu sein, aber die meisten der duplizierten Gene wurden nach zig Millionen Jahren natürlicher Selektion gelöscht.

Farne sind eng mit Blütenpflanzen verwandt, haben aber etwa 20 % mehr Basenpaare in ihrem Genom. Jahrelang fragten sich Wissenschaftler, warum das so ist. Dann, 1966, ein Artikel wurde in Science veröffentlicht behaupten, dass Farne, von denen sich viele asexuell vermehren, einen evolutionären Vorteil aus der Genomverdopplung gezogen haben. Den Autoren zufolge lieferten die zusätzlichen Gene im Wesentlichen Ersatzchromosomen, die dazu beitrugen, Erbkrankheiten zu verhindern.

Es war ein „wirklich einflussreiches und sehr kreatives Papier“, sagte Pamela Soltis, eine Botanikerin am Florida Museum of Natural History, die bei der Sequenzierung von C-Fern half. Aber enthielten die Farngenome tatsächlich Anzeichen einer massiven Vervielfältigung oder waren sie einfach nur groß? Um die Theorie zu bestätigen, war es notwendig, einige dieser großen Genome zu sequenzieren.

In diesem Jahr war es endlich soweit – und die Sequenzen zeigten keinerlei Hinweise auf Polyploidie. „Nichts davon ist eingetreten“, sagte Dr. Soltis. „Tatsächlich gibt es nur Hinweise auf zwei potenzielle Duplikationen in dieser gesamten Linie, die Hunderte von Millionen Jahren zurückreicht..“

C-Fern scheint sein großes Genom hauptsächlich aus sich wiederholender DNA und transponierbaren Elementen erworben zu haben – „springende Gene“, die sich oft um Chromosomen bewegen, mit kaum verstandener Funktion. Für Dr. Soltis half die Sequenzierung, die langjährige Hypothese der Farnpolyploidie zu schließen. „Wir denken, das ist der Nagel im Sarg dafür“, sagte sie.

Aber Dr. Li war nicht so überzeugt. Die DNA des fliegenden Affenspinnen-Baumfarns enthielt Hinweise auf eine vollständige Genomverdopplung vor etwa 100 Millionen Jahren, und das Genom ist seitdem bemerkenswert stabil geblieben. Dies ist ein Einzelfall, scheint aber die Vorstellung zu bekräftigen, dass die Polyploidie der Pflanze einen evolutionären Vorsprung verschafft hat. „Ein Genomtyp unterstützt diese Hypothese, der andere nicht“, sagte er.

Dr. Schuettpelz sagte: „Wir haben keine klare Vorstellung davon, was diese Dinger tun, aber ich bin einfach erstaunt. Da wir immer mehr Genome und repräsentativere Genome von Farnen insgesamt anhäufen, werden die Dinge sehr schnell sehr spannend.

Hier ist etwas, worüber sich alle Farnwissenschaftler einig waren. „Durch die Veröffentlichung von immer mehr Farngenombaugruppen zum Vergleich werden die Schlussfolgerungen viel informativer“, sagte Dr. Marchant.

Dr. Soltis sagte: „Wenn wir beispielsweise Aspekte von Blütenpflanzen verstehen wollen, müssen wir sie in ihrem historischen und evolutionären Kontext vergleichen können. Und es gab wirklich keinen Hinweis, bis diese beiden großen Farngenome veröffentlicht wurden.

Dr. Soltis war kürzlich an einem Versuch beteiligt, das Genom von zu sequenzieren alle bekannten Lebensformen auf der Erde. 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 ​​Zusammenhang es stand, bevor es die Funktion annahm, die es jetzt hat“, sagte er.

Dr. Li fügte hinzu: „Was brauchen wir also? Wir brauchen mehr Genome.