Genomanalysen geben Aufschluss darüber, wie Seegräser das Meer eroberten

Seegräser bilden die Grundlage eines der artenreichsten und dennoch gefährdetsten Meeresökosysteme an der Küste weltweit. Sie entstanden vor etwa 100 Millionen Jahren in drei unabhängigen Abstammungslinien aus ihren Süßwasser-Vorfahren und sind die einzigen vollständig unter Wasser lebenden Blütenpflanzen.

Der Wechsel in eine so radikal andere Umgebung ist ein seltenes evolutionäres Ereignis und definitiv nicht einfach. Wie haben Seegräser das geschafft? Neue Genome in Referenzqualität liefern wichtige Hinweise mit Relevanz für deren Konservierung und biotechnologische Anwendung.

Eine internationale Gruppe von 38 Forschern, koordiniert von Professor Dr. Yves Van de Peer, Universität Gent, Belgien, Professor Dr. Jeanine Olsen, Universität Groningen, Niederlande, Professor Dr. Thorsten Reusch, GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel, Deutschland, Dr . Gabriele Procaccini, Stazione Zoologica Anton Dohrn aus Napoli, Italien, und das Joint Genome Institute, Berkeley, Kalifornien, Vereinigte Staaten von Amerika, sequenzierten und analysierten die Genome von drei der wichtigsten Seegrasarten – dem legendären endemischen Mittelmeergras (Posidonia). Oceanica), das weit verbreitete Kleine Neptungras (Cymodocea nodosa) und das in der Karibik endemische Schildkrötengras (Thalassia testudinum).

Die Forscher untersuchten zunächst die Genomstruktur und verglichen dann Genfamilien und Pfade, die mit strukturellen und physiologischen Anpassungen zwischen Seegräsern und ihren verwandten Süßwasserverwandten verbunden sind. Ihre Ergebnisse werden in der Zeitschrift vorgestellt Naturpflanzenmit dem Titel „Seegrasgenome offenbaren antike Polyploidie und Anpassungen an die Meeresumwelt.“

Seegrasbasierte Ökosysteme bieten vielfältige Funktionen und Dienstleistungen – zum Beispiel als Schutz vor Erosion, der Küstenlandschaften erhält, als Biodiversitäts-Hotspots für damit verbundene Tiere und Algen und als naturbasierte Lösung für den Klimaschutz aufgrund ihrer Kohlenstoffspeicherkapazität in unterirdischer Biomasse. Sowohl die Erhaltung als auch die Wiederherstellung sind Bereiche intensiver Forschung, da Seegräser ebenso wie Korallenriffe durch die Klimaerwärmung und andere menschliche Einflüsse verloren gehen.

Wie das Sprichwort sagt: „Viele Hände/Gehirne machen die Arbeit leicht.“ Zu Beginn warf das Forschungskonsortium einen detaillierten evolutionären Blick auf die Struktur der Genome selbst, gefolgt von einer vergleichenden Analyse ihrer mehr als 20.000 Gene und relevanten Signalwege, die sich zu den spezifischen marinen Anpassungen entwickelt haben.

Als nächstes konzentrierten sich die 23 zusammenarbeitenden Forschungsteams jeweils auf verschiedene komplementäre strukturelle oder funktionelle Gensätze einschließlich ihrer physiologischen Funktionen. Eine zentrale Frage war, ob genomische Anpassungen parallel erfolgten oder ob sie unabhängig voneinander entstanden und möglicherweise sogar unterschiedliche Gensätze umfassten.

Professor Dr. Olsen weist darauf hin: „Seegräser durchliefen eine äußerst seltene Reihe von Anpassungen. Während es in der Evolutionsgeschichte der Blütenpflanzen mehr als 200 Mal zu einer erneuten Anpassung an Süßwasserumgebungen kam – an denen Hunderte von Abstammungslinien und Tausende von Arten beteiligt waren –, entwickelten sich Seegräser aus ihrem Süßwasser.“ Vorfahren nur dreimal – darunter 84 Arten.

„Um dies zu erreichen, war eine spezielle ökologische Toleranz gegenüber beispielsweise hohem Salzgehalt, geringerem Licht, einem breiten Spektrum an Temperaturtoleranzen, Kohlenstoffbindung unter Wasser für die Photosynthese, unterschiedliche Abwehr von Krankheitserregern, strukturelle Flexibilität und eine Unterwasserbestäubung erforderlich.“

Ein wichtiges Ergebnis war, dass Seegräser in der Lage waren, durch Genomduplikation, die oft mit starkem Umweltstress verbunden ist, eine radikale Anpassung anzukurbeln.

„Der Vergleich der drei unabhängigen Seegras-Linien, einschließlich der Süßwasser-Schwesterlinien, ergab eine gemeinsame antike Verdreifachung des gesamten Genoms vor etwa 86 Millionen Jahren. Das war ziemlich aufregend, weil weite Teile des Ozeans zu dieser Zeit sauerstofffrei waren, und es ist auch ein verbindendes Ereignis.“ die drei Abstammungslinien einbeziehen“, sagt Professor Dr. Van De Peer.

Darüber hinaus fanden die Forscher heraus, dass die Beibehaltung und Erweiterung einiger Genfamilien immer noch durch zurückgehaltene syntenische Blockaden auf diese frühen Duplikationsereignisse zurückgeführt werden kann, beispielsweise Flavonoide, die Schutz vor ultravioletter Strahlung und Pilzen bieten und gleichzeitig die Rekrutierung stickstofffixierender Bakterien stimulieren; erweiterte Cysteinoxidasen zur Bewältigung hypoxischer Sedimente und Gene, die mit zirkadianen Uhren verbunden sind.

Die Ergebnisse zeigten auch, dass „springende Gene“ – transponierbare Elemente – eine wichtige Rolle bei der Schaffung neuer genetischer Variationen spielten, auf die die Selektion reagieren konnte. Dies traf insbesondere auf die großen Genome von Thalassia testudinum und Posidonia Oceanica zu.

Das Team stellte außerdem fest, dass mehrere Anpassungen das Ergebnis der Konvergenz waren. Dies galt hauptsächlich für Merkmale, die in einer untergetauchten, stark salzhaltigen Meeresumgebung überflüssig oder schädlich wurden. Der Verlust von Genen für Stomata – die winzigen Löcher in der Blattoberfläche, die für den Gasaustausch mit der Atmosphäre sorgen –, der Verlust von Genen für flüchtige Stoffe und Signale zur Abwehr von Krankheitserregern und zur Toleranz gegenüber Hitzewellen im Meer, insbesondere Hitzeschockfaktoren, sind überzeugende Beispiele für „Verwenden Sie es oder“. es verlieren.“

Dr. Procaccini erklärt: „Es ist klar, dass die Feinabstimmung unterstützender Signalwege die dominierende Rolle gespielt hat und nicht die Übernahme wichtiger neuer Funktionen durch Gene. Die Salztoleranz ist ein gutes Beispiel dafür, dass eine höhere Effizienz mehrerer Prozesse zur Natriumregulierung erzielt wurde.“ , Chlor und Kalium. Evolutionäre Veränderungen haben verschiedenen Arten auch die Fähigkeit verliehen, unterschiedlichen Umgebungen standzuhalten.“

Professor Dr. Reusch fasst zusammen: „Die meisten ökologisch wichtigen Funktionen sind komplexe Merkmale, die das Zusammenspiel vieler Gene über flexible Wege beinhalten. Mit den nun für wichtige Seegräser entwickelten genomischen Werkzeugen können wir damit beginnen, sie experimentell zu testen und zu manipulieren. Dies ist besonders wichtig für die Wiederherstellung.“ unter Klimawandelszenarien, die viele der hier besprochenen Bedingungen beinhalten.“

Die neuen genomischen Ressourcen werden experimentelle und funktionelle Studien beschleunigen, die besonders für die transformative Bewirtschaftung und Wiederherstellung von Seegras-Ökosystemen relevant sind. Sie sind eine hervorragende Ressource für die Forschungsgemeinschaft.