Tiny Fern enthält das größte Genom aller Organismen auf der Erde

Die Tmesipteris oblanceolata Farn stellt neuen Rekord für das größte Genom auf und beeinflusst das Pflanzenwachstum und Erkenntnisse zur Anpassung.

• Neukaledonischer Farn Klassifizieren Er gewann drei Guinness-Weltrekordtitel; Das größte Pflanzengenom, das größte Farngenom und das größte quantitative Farngenom DNA Im Kern
• gestreckt, Tmesipteris oblanceolata Das Genom ist höher als Big Ben in London
• Die Entdeckung wirft neue Fragen darüber auf, wie viel DNA in Zellen gespeichert werden kann
• Die Studie wird Wissenschaftlern helfen zu verstehen, wie sich die Genomgröße angesichts des Verlusts der biologischen Vielfalt und des Klimawandels auf Arten auswirkt

Genom bricht Rekorde

Es wurde ein neuer Rekord für die größte Menge an DNA entdeckt, die im Kern eines lebenden Organismus auf dem Planeten gespeichert ist. Einzelheiten wurden in einer neuen Studie vorgestellt, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurde iScience am 31. Mai von Forschern des Royal Botanic Gardens, Kew, und des Botanischen Instituts von Barcelona (IBB-CSIC) in Spanien.

Es wurde festgestellt, dass die neukaledonische Stachelfarnart Tmesipteris oblanceolata, die mehr als 100 Meter nicht zusammengesetzte DNA enthält, 50-mal mehr DNA enthält als Menschen, und die japanische Blütenpflanzenart Paris japonica entthront hat, die diesen Rekord seitdem hält 2010. Darüber hinaus hat die Pflanze drei Guinness-Weltrekordtitel für das größte Pflanzengenom, das größte Genom und das größte Farngenom für die Menge an DNA im Zellkern erhalten.

Tmesipteris oblanceolata verfügt über das größte Genom und bietet neue Perspektiven auf die Pflanzenentwicklung und die damit verbundenen Herausforderungen, wie eine Studie ergab. Bildnachweis: Q

Natürliche Lebensräume von Farnen und Studienmethodik

T. oblanceolata Es handelt sich um eine seltene Farnart, die auf der Insel Neukaledonien, einem französischen Überseegebiet im südwestlichen Pazifik, etwa 750 Meilen östlich von Australien, und auf einigen Nachbarinseln wie Vanuatu vorkommt. Die Gattung Tmesipteris ist eine wenig untersuchte Pflanzengruppe, die aus etwa 15 Arten besteht, von denen die meisten auf einer Reihe pazifischer Inseln und Ozeanien vorkommen.

Bisher haben Wissenschaftler die Genomgröße nur von zwei Tmesipteris-Arten geschätzt: T. tanensis Und T. schräg – Bei beiden wurde ein gigantisches Genom mit 73,19 bzw. 147,29 Gigabasenpaaren festgestellt.

Im Jahr 2023 reisten die Hauptautoren Dr. Jaume Pellicer und Dr. Orianne Hidalgo vom IBB und ehemals RBG Kew nach Neukaledonien, um Proben von Tmesipteris zu sammeln, die dann analysiert wurden, um die Größe ihrer Genome abzuschätzen. Dabei wurden die Kerne von Tausenden von Zellen isoliert, mit einem Farbstoff gefärbt und dann die Menge an Farbstoff gemessen, die sich in jedem Kern an die DNA band. Je höher die Anzahl an Farbstoffen, desto größer das Genom.

Führende Ergebnisse und Vergleiche

Die Analyse ergab den Typ T. oblanceolata Für eine Standardgenomgröße von 160,45 GB, was etwa sieben Prozent größer ist als die Genomgröße P. japonica (148,89 GB).

Wenn die DNA aus jeder Zelle dieses Farns freigelegt wird, wird sie höher sein als der Elizabeth Tower in Westminster, London, der 96 Meter hoch ist und die weltberühmte Big-Ben-Glocke beherbergt. Zum Vergleich: Das menschliche Genom umfasst etwa 3,1 Gigabyte, verteilt auf 23 Chromosomen, und wenn es wie ein Fadenknäuel ausgestreckt ist, ist die DNA in jeder Zelle nur etwa 2 Meter lang.

Auswirkungen der Genomgröße auf die Pflanzenbiologie

„Tmesipteris ist eine einzigartige und faszinierende kleine Farngattung, deren Vorfahren sich vor etwa 350 Millionen Jahren entwickelten – lange bevor Dinosaurier die Erde betraten – und im Wesentlichen epiphytischer Natur sind“, sagt Dr. Pellicer, ein Evolutionsbiologe. [it grows mainly on the trunks and branches of trees] Begrenzte Verbreitung in Ozeanien und mehreren pazifischen Inseln. Lange Zeit dachten wir, dass es eine unmögliche Aufgabe wäre, den bisherigen Pariser Japonica-Größenrekord zu brechen, aber wieder einmal haben die Grenzen der Biologie unsere optimistischsten Erwartungen übertroffen.

„Aufgrund unserer bisherigen Forschung gingen wir davon aus, dass in Tmesipteris riesige Genome existieren würden. Die Entdeckung des größten Genoms aller Zeiten ist jedoch nicht nur eine Errungenschaft wissenschaftlicher Forschung, sondern das Ergebnis einer fast vierzehnjährigen Reise in die unendliche Komplexität und Vielfalt.“ von Pflanzengenomen.

Bisher haben Wissenschaftler auf der ganzen Welt die Genomgröße von mehr als 20.000 eukaryotischen Organismen geschätzt und dabei ein breites Spektrum an Genomgrößen im gesamten Lebensbaum entdeckt. Es wurde festgestellt, dass diese wiederum einen tiefgreifenden Einfluss nicht nur auf ihre Anatomie haben, da größere Genome größere Zellen benötigen, um sie zu beherbergen, und die Fortpflanzung länger dauert, sondern auch darauf, wie sie funktionieren und sich entwickeln und wo und wie sie leben.

Bei Tieren gehören zu den größten Genomen der Marmorlungenfisch (Protopterus aethiopicus) bei 129,90 GB und der River Neuse Waterdog (Necturus lewisi) bei 117,47 GB. Im krassen Gegensatz dazu werden sechs der größten bekannten eukaryotischen Genome von Pflanzen gehalten, darunter die 100,84 GB große europäische Mistel (Viscus album).

Überraschenderweise ist ein größeres Genom normalerweise kein Vorteil. Bei Pflanzen sind Arten mit großen DNA-Mengen darauf beschränkt, langsam wachsende Stauden zu sein und sind bei der DNA-Produktion weniger effizient Photosynthese (der Prozess, bei dem Pflanzen die Energie der Sonne in Zucker umwandeln) und benötigen mehr Nährstoffe (insbesondere Stickstoff und Phosphat), um zu wachsen und erfolgreich mit Nachbarn mit kleineren Genomen zu konkurrieren. Diese Effekte können wiederum die Anpassungsfähigkeit der Pflanze an den Klimawandel und ihr Aussterberisiko beeinträchtigen.

Überlegungen zur Genomdiversität und zukünftiger Forschung

„Wer hätte gedacht, dass diese unscheinbare kleine Pflanze, an der die meisten Menschen wahrscheinlich ohne Vorwarnung vorbeigehen würden, einen Weltrekord in der Genomgröße halten könnte“, sagt Dr. Elijah Leach, leitender Forscher in der Abteilung für Persönlichkeitsentwicklung am RBG Kew. Pflanzen sind auf DNA-Ebene unglaublich vielfältig, und dies sollte uns zum Nachdenken über ihren inneren Wert im Gesamtbild der globalen Artenvielfalt anregen. Wir hoffen, dass diese Entdeckung auch viele neue und spannende Fragen über die Obergrenzen dessen aufwirft, was ist , biologisch möglich, diese Rätsel eines Tages zu lösen.

„Der Glaube, dass dieser harmlos aussehende Farn 50-mal mehr DNA enthält als Menschen, ist eine demütigende Erinnerung daran, dass wir immer noch viel über das Pflanzenreich nicht wissen und dass Rekordhalter nicht immer „äußerlich am auffälligsten“ sind.

Referenz: „160 Gb Prickly Farn Genome Breaks Eukaryote Size Record“ von Paul Fernandez, Remy Ames, David Broy, Martin J. M. Christenhuis und Elijah J. Leach und Andrew L. Leach, Lisa Pokorny, Oriani Hidalgo und Jaume Pellicer, 31. Mai 2024, iScience.
doi: 10.1016/j.isci.2024.109889

Die Studie, die die Größe des Genoms von Tmesipteris oblanceolata bestimmte, wurde von einem internationalen Forscherteam des Royal Botanic Gardens in Kew, der Queen Mary University of London, des New Caledonian Herbarium und des Spanish Research Council (CSIC) durchgeführt.