Tmesipteris oblanceolata ist eine seltene Gabelfarnart, die in Neukaledonien, einem französischen Territorium im Südpazifik, vorkommt. Die bescheidene Pflanze ist nur 10 bis 15 Zentimeter groß und in gewisser Hinsicht das bemerkenswerteste Lebewesen der Welt.
„Sie würden darüber laufen. Sie könnten sogar darauf treten, ohne es zu merken“, sagte Ilia Leitch, eine Pflanzenevolutionsbiologin und leitende Forschungsleiterin am Royal Botanic Gardens in Kew, Großbritannien. „Aber in ihm birgt ein großes Geheimnis.“
Kürzlich, T. oblanceolata betrat das Guinness-Buch der Rekorde nachdem ein Forscherteam festgestellt hatte, dass der Zwergfarn das größte bekannte Genom aller lebenden Organismen besitzt. Im Zellkern jeder seiner Zellen sind 160,45 Milliarden Basenpaare untergebracht – 160,45 Milliarden Sprossen auf der gewundenen Doppelhelixleiter, die die DNA der Pflanze darstellt.
T. oblanceolata hat mehr Gene als der mächtige kalifornische Redwood (Sequoia sempervirens) oder der riesige Blauwal (Balaenoptera musculus). Es hat 50-mal mehr DNA als Homo sapiensdie Spezies, die als erste herausgefunden hat, was DNA ist. Die Ergebnisse waren veröffentlicht in der Zeitschrift iScience.
„Wir waren absolut erstaunt, als wir herausfanden, wie groß dieses Genom war“, sagte der Botaniker Jaume Pellicer vom Institut Botànic de Barcelona in Spanien, der zusammen mit Leitch die Studie verfasste. „Wir wussten bereits von der Existenz riesiger Genome in der Gattung, aber wir hatten nicht damit gerechnet, dass das in Tmesipteris oblanceolata würde alle bisherigen Rekorde schlagen.“
Ein Genom enthält alle Informationen, die Zellen brauchen, um Wachstum und Entwicklung des Organismus zu steuern. Aber das Leben bietet keine Anleitungen in der übersichtlichen Art und Weise, in der mehr Schritte gleich mehr Komplexität bedeuten wie bei Ikea- oder Lego-Bauanleitungen – daher kleine Farne mit riesigen genetischen Codes.
Sie könnten darauf treten T. oblanceolata „ohne es zu wissen“, sagte ein Pflanzenevolutionsbiologe. (Fotos von Pol Fernandez und Oriane Hidalgo)
Die Messung der Genomgröße sei „keine Methode, die Komplexität oder Kodierungskapazität des Genoms zu messen“, sagt Elliot Meyerowitz, ein Biologe am Caltech, der nicht an der Forschung beteiligt war.
Nur ein winziger Teil des genetischen Materials, das die meisten Pflanzen- und Tierzellen mit sich herumtragen, enthält tatsächlich direkte Anweisungen zur Herstellung der Bausteine, aus denen Lebewesen bestehen. Weniger als 2 % des menschlichen Genoms kodieren tatsächlich für Proteine. Beim Gabelfarn schätzt das Forschungsteam, dass dies bei weniger als 1 % des Genoms der Fall ist.
Der Rest ist als nicht-kodierende DNA bekannt. Zu verstehen, was dieses nicht-kodierende genetische Material tut und warum Zellen es transportieren, gehört zu den größten Fragen der Evolutionsbiologie.
Vor einem halben Jahrhundert Wissenschaftler entlassen Dieses nicht codierende Zeug wird als „Junk-DNA“ bezeichnet, ein Begriff, der heute als „Spiegelbild unserer eigenen Unwissenheit“ gilt, so Leitch.
Es ist nicht so, dass es nichts bewirkt, sagte sie. Wir verstehen nur noch nicht alles, was es bewirkt.
T. oblanceolata Farne wachsen zwischen verschlungenen Zweigen und abgefallenen Blättern.
(Jaume Pellicer)
In den letzten Jahren haben Forscher herausgefunden, dass die Manipulation oder Löschung einiger dieser nicht-kodierenden Sequenzen die Genexpression beeinflusst. Dies deutet darauf hin, dass zumindest ein Teil dieses Materials eine Rolle bei den Prozessen spielt, die Gene „ein- und ausschalten“, „wie der Dirigent eines Orchesters, der sagt, wer hier reinkommt und wer hier ruhig sein soll“, sagte Leitch.
Diese komplexe Choreographie der Genexpression ist der Grund für die unglaubliche Vielfalt innerhalb unserer eigenen Spezies und über alle Reiche der Lebewesen hinweg.
„Das Verständnis der Funktionsweise und Struktur dieser Genome stellt den ultimativen Meilenstein in diesem Forschungsbereich dar“, schrieb Pellicer in einer E-Mail. „Aber im Moment ist es, als würde man versuchen, eine Gebrauchsanweisung zu lesen, ohne auch nur zu wissen, wo die erste Seite ist!“
T. oblanceolata verdrängt die bisheriger Genom-Rekordhaltereine mittelgroße blühende Pflanze namens Paris japonica das hat 149 Milliarden Basenpaare. Es mag zwar etwas anderes geben, das genetisch stärker ist, aber Botaniker glauben, dass diese Pflanzen am oberen Ende der DNA-Menge liegen, die ein Lebewesen haben kann.
Ein Forscher sucht in Neukaledonien nach Gabelfarnen.
(Oriane Hidalgo)
„Wenn es nicht das größte ist, dann ist es doch ziemlich nah dran“, sagte Leitch über das Genom des Gabelfarns. „So viel DNA hat so viele Konsequenzen, dass wir meiner Meinung nach an der Grenze dessen angelangt sind, was die Biologie bewältigen kann.“
Ein Organismus muss seine Zellen teilen, um wachsen zu können, und bevor er das tun kann, muss er eine Kopie der gesamten DNA seiner Zellen erstellen. Das Kopieren eines riesigen Genoms ist eine große Investition an Zeit, Energie und Nährstoffen, betonte Leitch. Bei Pflanzen sind größere Genome mit langsamerem Wachstum und weniger effizienter Photosynthese verbunden.
Infolgedessen findet man Organismen mit massiven Genomen eher in stabilen Umgebungen ohne große Konkurrenz, sagte Leitch. Das gilt für T. oblanceolatalangsam wachsend Paris japonica und das Marmorierter LungenfischBesitzer des größten Genoms im Tierreich (fast 130 Milliarden Basenpaare).
Leider für T. oblanceolatastabile Bedingungen werden in einem sich rasch verändernden Klima immer schwieriger zu erreichen.
„Solange sie stabil sind, solange sich die Dinge nicht ändern, wird die Selektion sie sozusagen nicht ausmerzen“, sagte Leitch. „Ich würde vorhersagen, dass sie sich nicht in einer guten Position befinden würden, wenn sich die Umgebung ändern würde.“