Überlebenskünstler: Warum Farne Gene horten

Internationale Forscherteams sequenzieren und beschreiben Farn-Genom – Team der Justus-Liebig-Universität Gießen an Publikation in Nature Plants beteiligt.

Farne sind Überlebenskünstler und gelten als „Zeugen der Urzeit“. Seit Millionen von Jahren besiedeln Farnpflanzen die Erde. Lange führten sie – auch sprichwörtlich – ein Schattendasein, heute gilt das wissenschaftliche Interesse den Farnpflanzen vor allem deshalb, weil sie für ihre riesigen Mengen an DNA bekannt sind. Eine Farnpflanze, die man in einem Topf mit dem Durchmesser eines Suppentellers ziehen könnte, hält den „Weltrekord“ für die höchste Anzahl an Chromosomen: 720 Chromosomenpaare finden sich in jedem einzelnen Zellkern.

Die Frage, warum Farne DNA „horten“, gab den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern bislang Rätsel auf. Nach jahrelangen aufwändigen Forschungsarbeiten ist es zahlreichen Forschenden aus 28 Institutionen weltweit gelungen, ein Farngenom trotz seiner beeindruckenden Größe zu sequenzieren und interpretieren. Die Ergebnisse sind jetzt unter dem Titel „Dynamic genome evolution in a model fern” in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Plants” erschienen. Beteiligt an der Publikation sind Prof. Dr. Annette Becker und Clemens Rössner vom Institut für Botanik der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU).

„Seit vielen Jahrzehnten lautete die gängige Erklärung auf die Frage, warum Farne solch riesigen Genome haben, dass sie ihre Genome immer wieder duplizierten, viel häufiger als andere Pflanzengruppen“, berichtet Prof. Becker, die an der JLU die AG Entwicklungsbiologie der Pflanzen leitet. „Mit dem ersten vollständig sequenzierten Genom eines homosporen Farns konnte diese Vermutung jedoch widerlegt und die Frage nach dem Horten von DNA geklärt werden.“ Acht Jahre lang habe es gedauert, bis in internationaler Zusammenarbeit das riesige, komplexe Genom von Ceratopteris richardii, auch C-fern genannt, sequenziert und interpretiert war, ergänzt Mitautor Rössner. „Das Endergebnis besteht aus 7,46 Gigabasen sequenzierter DNA. Das ist mehr als das Doppelte des menschlichen Genoms.“

Die Gießener Forschenden konnten zeigen, dass auch die Anzahl bestimmter, in allen Landpflanzen vorkommenden Entwicklungskontrollgene im C-fern ähnlich hoch ist wie in anderen Pflanzen, was gegen die Theorie der Genomduplikationen als Erklärung für die riesige Genomgröße spricht. Zudem konnte das Gießener Team immens große (~ 100 kb) Introns – nicht codierende Abschnitte der DNA innerhalb eines Gens – in speziellen Entwicklungskontrollgenen identifizieren. Diese könnten, soweit die Vermutung, einen wichtigen Beitrag zur Regulation der Genaktivität im C-fern leisten.

Genomduplikationen bringen viele Vorteile, da die zusätzlichen Gene als Rohmaterial für die evolutionäre Entstehung neuer Merkmale verwendet werden können, erläutern die Biologen. Genomduplikation würden daher auch mit der Entstehung fast aller Nutzpflanzen in Verbindung gebracht. Die meisten Genome entledigten sich allerdings im Laufe der Zeit des genetischen „Extragepäcks“, zumal kleinere Genome energiesparender seien.

Warum also sind Farngenome zu solch enormen Größen herangewachsen? Die jetzt veröffentlichte Publikation gibt darüber wichtige Aufschlüsse. Wenn Genomduplikationen für die massive Vergrößerung des C-fern Genoms verantwortlich wären, müsste ein Großteil seiner 39 Chromosomenpaare identisch sein, erläutert Prof. Becker. Dies sei jedoch nicht der Fall. Das C-fern-Genom bestehe vielmehr aus einem Mix von repetitiven Sequenzen und kurzen Fragmenten, sogenannten „springenden Genen”, die zusammen 85 Prozent der C-fern-DNA ausmachen. Anders als vermutet bestehe das C-fern Genom nicht aus vielen Genomkopien, sondern hauptsächlich aus genetischen Trümmern, die über Jahrmillionen angehäuft wurden. Blütenpflanzen dagegen hätten viel kleinere Genome, wahrscheinlich, weil sie einfach besser darin seien, ungenutzte DNA und ganze Chromosomen aus dem Genom zu entfernen.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler konnten zudem erneut zeigen und damit frühere Studien bestätigen, dass Farne Fremdgene in ihr Genom aufnehmen, was ihnen beispielsweise ermöglichte, an schattigeren Orten wachsen zu können.

Die faszinierende Welt der Farne wird die Gießener Botanikerinnen und Botaniker auch nach der gelungenen Sequenzierung des C-ferns nicht mehr loslassen. Die AG Becker setzt ihre Forschungsarbeiten an C-fern im Rahmen der Forschungsgruppe „FOR 5098: Innovation und Koevolution in der sexuellen Reproduktion von Pflanzen“ (ICIPS) der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) fort, um die molekularen Mechanismen der Reproduktion von Landpflanzen besser zu verstehen und um der wissenschaftlichen Community weitere wichtige genetische C-fern-Ressourcen zur Verfügung zu stellen.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Annette Becker
Institut für Botanik der JLU Gießen
Leiterin der AG Entwicklungsbiologie der Pflanzen
Sprecherin der „FOR 5098: Innovation und Koevolution in der sexuellen Reproduktion von Pflanzen“ (ICIPS) der DFG
Heinrich-Buff-Ring 38, 35392 Gießen
Mail: Annette.Becker@bot1.bio.uni-giessen.de

Clemens Rössner
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Institut für Botanik der JLU Gießen, AG Entwicklungsbiologie der Pflanzen
Mail: Clemens.Roessner@bot1.bio.uni-giessen.de

Originalpublikation:

D. Blaine Marchant et al. (2022), “Dynamic genome evolution in a model fern”; Nature Plants 2022, DOI: 10.1038/s41477-022-01226-7.
https://www.nature.com/articles/s41477-022-01226-7

Weitere Informationen:

https://www.uni-giessen.de/fbz/fb08/Inst/botanik/entwpfl/Mitarbeiter/Annette%20B…
https://dfg-icips.org/