„Schrott“ im Erbgut: Woher Farne ihr riesiges Genom haben

Farne gehören zu den Organismen mit dem umfangreichsten Erbgut, bis zu 720 Chromosomenpaare kann das Genom einer Farnpflanze aufweisen. Diese überbordende Größe und Komplexität der meisten Farngenome hat es Forschenden bislang erschwert, grundlegende Aspekte der Farnbiologie und der Evolution der Landpflanzen durch genomgestützte Forschung zu klären. In der Fachzeitschrift „Nature Plants“Externer Link hat jetzt jedoch ein internationales Forschungsteam eines der ersten Farngenome in voller Länge veröffentlicht. Unter den Autoren sind auch Forschende der Universität Jena.

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 Friedrich-Schiller-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 ebenso wie seine Kollegin Dr. Lydia Gramzow Teil des Autorenteams der Publikation.

Die Analyse des „Ceratopteris“-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.

Prof. Dr. Günter Theißen ist einer der Autoren der aktuellen Publikation in "Nature Plants". Das internationale Forschungsteam hat die vollständige Sequenz des Genoms von "Ceratopteris richardii" (Pflänzchen in der Box) entschlüsselt und analysiert.

Foto: Jens Meyer (Universität Jena)