Das Genom des Baumfarns gibt Einblicke in seine Evolution

Landpflanzen sind vor 470 Millionen Jahren aus Algen entstanden und haben seitdem unsere Welt umgestaltet. Im Laufe ihrer Evolution haben Farne eine Reihe von Veränderungen erfahren, die ihnen geholfen haben, an Land zu überleben. Zum ersten Mal haben Forscher die Genomanordnung von Baumfarnen charakterisiert, was neue Einblicke in die Evolution der Farne gewährt.

Ein wichtiges Ereignis in der Evolution der Landpflanzen war die Erfindung ihrer Gefäßsysteme, die ihnen helfen, Wasser, Nährstoffe und Nahrung durch ihren Körper zu leiten. Diese Systeme bestehen aus zwei Geweben: Xylem und Phloem. Während das Xylem den Transport von Wasser zu den Stängeln und Blättern ermöglicht, trägt das Phloem dazu bei, den durch Photosynthese hergestellten Zucker zum Rest der Pflanze zu transportieren. Außerdem sind nur Xylemzellen mit Lignin ausgekleidet – unterstützende Strukturmaterialien, die Holz und Rinde Steifigkeit verleihen. Die Forscher wollten verstehen, wie sich diese Gefäßsysteme in Farnen entwickelt haben und wie Lignin hergestellt wird.

„Farne sind die frühesten Gefäßpflanzen, und verholzte Zellwände waren eine Schlüsselinnovation während der Evolution dieser Pflanzen“, sagte Ray Ming (GEGC), Professor für Pflanzenbiologie. „Diese Studie hat unser Verständnis darüber verbessert, wie sich Gefäßgewebe in Farnen und anderen Landpflanzenarten entwickelt haben.“

Für diese Studie sequenzierten die Forscher das Genom des fliegenden Klammeraffen-Baumfarns Alsophila spinulosa und untersuchten, wie sein Gefäßgewebe aufgebaut ist. Sie fanden heraus, dass zwei vaskuläre MAC-Domänen-Gene in Xylem im Vergleich zu anderen Geweben stark exprimiert wurden, was darauf hindeutet, dass diese Schlüsselregulatoren bei der Bildung von Xylem-spezifischen Zellen sein könnten.

Mithilfe von Mikroskopie und biochemischen Methoden maßen die Forscher auch den Gehalt an Lignin und sekundären Metaboliten – Verbindungen, die nicht für das Wachstum oder die Fortpflanzung benötigt werden, aber bestimmte Vorteile verleihen – in Farnen. Sie fanden heraus, dass Lignin 40 % der Stammzellwand ausmacht. Im Vergleich dazu enthält Holz in der Regel 25 %. Sie entdeckten auch einen neuen sekundären Metaboliten, der hauptsächlich im Xylem hergestellt wird und den sie Alsophilin nannten.

„Diese neue Verbindung ist im Xylem reichlich vorhanden, wahrscheinlich als eine der Verbindungen, die den Hohlraum von nicht funktionierenden Tracheidenzellen ausfüllt. Wir haben auch die Gene identifiziert, die an der Biosynthese von Alsophilin im Genom beteiligt sind“, sagte Ming.

Um zu verstehen, wie sich Farne entwickelt haben, verglichen die Forscher die genomische Sequenz von A. spinulosa mit anderen Mitgliedern derselben Art an neun Orten in China. Zu ihrer Überraschung entdeckten sie, dass es sechs verschiedene Populationen gab, die sich in ihren genomischen Sequenzen unterschieden. Basierend auf ihren Sequenzierungsergebnissen rekonstruierten die Forscher die Geschichte der Farnpopulation und stellten fest, dass diese Arten zweimal einen drastischen Rückgang der Populationszahlen erlebten. Der erste ereignete sich vor 35,6 bis 34,5 Millionen Jahren und der zweite vor 2,5 bis 0,7 Millionen Jahren.

„Diese Analyse der Genome und der Ligninzusammensetzung aus einer breiteren Sammlung von Farnen wird uns helfen, die Rolle von Lignin in der frühen Abstammungslinie von Gefäßpflanzen zu verstehen“, sagte Ming. „In unseren zukünftigen Studien hoffen wir, die Anzahl der Standorte und die Stichprobengröße für die Genomanalyse zu erhöhen.“

Die biochemische Analyse wurde in Zusammenarbeit mit Quanzi Lis Gruppe am State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding, Peking, China, durchgeführt.