Ein internationales Forscherteam hat ein bemerkenswertes genetisches Phänomen bei Lykophyten entdeckt, die Farnen ähneln und zu den ältesten Landpflanzen gehören. Ihre Studie, kürzlich veröffentlicht im Tagebuch PNASzeigt, dass diese Pflanzen seit über 350 Millionen Jahren eine konsistente genetische Struktur beibehalten haben, eine erhebliche Abweichung von der Norm in der Pflanzengenetik.
„Das außergewöhnlich langsame Tempo der genomischen Evolution zeichnet diese Pflanzen aus“, sagte Dr. Fay-Wei Li, Professorin am Boyce Thompson Institute und leitende Autorin der Studie. „Zu verstehen, warum sich diese Pflanzen so wenig verändert haben, könnte wichtige Aspekte der Pflanzenevolution und -genetik aufdecken.“
Homosporöse Lykophyten, eine Gruppe kernloser Gefäßpflanzen, weisen eine außergewöhnliche genomische Stabilität auf. Das Team sequenzierte die Genome zweier Arten, Huperzia asiatica und Diphasiastrum complanatum, die sich vor etwa 350 Millionen Jahren von einem gemeinsamen Vorfahren trennten (ungefähr als Amphibien begannen, an Land zu kriechen).
Überraschenderweise wurde entdeckt, dass etwa 30 % ihrer Gene seit ihrer Divergenz in der gleichen Anordnung geblieben sind und ein ungewöhnliches evolutionäres Muster aufweisen, das als Syntenie bekannt ist.
„Diese Studie öffnet ein Fenster in die Vergangenheit und zeigt uns, wie bemerkenswert stabil die genetische Ausstattung dieser Pflanzen war“, sagte Dr. Li Wang, Co-Autor der Studie. „Es ist, als würde man auf genetischer Ebene ein lebendes Fossil finden.“
Die Wissenschaftler beobachteten auch eine bemerkenswerte Beibehaltung duplizierter Genkopien nach Duplikationsereignissen des gesamten Genoms, was ungewöhnlich ist. „Während eine Handvoll doppelter Gene neue Rollen entwickeln können, geht die überwiegende Mehrheit relativ schnell durch einen Prozess verloren, der als Diploidisierung bekannt ist“, erklärt Dr. David Wickell, Postdoktorand und Co-Erstautor der Studie.
Die Forscher fanden jedoch heraus, dass diese homosporen Lykophyten oft beide Gensätze mit relativ wenigen Veränderungen beibehielten, selbst nach Hunderten von Millionen Jahren der Evolution.
„Dass homosporische Lykophyten so viele doppelte Gene und so viel Syntenie beibehalten haben, ist faszinierend, ein wenig überraschend und passt nicht unbedingt zu unseren traditionellen Vorstellungen davon, wie sich Genome nach einer groß angelegten Duplikation neu organisieren“, bemerkt Wickell.
„Während immer noch unklar ist, was diesen Unterschied genau auslöst, glauben wir, dass weitere Untersuchungen homosporer Pflanzen das Potenzial haben, neue Einblicke in die Pflanzengenetik und Evolution aller Landpflanzen zu liefern. Dies unterstreicht auch, wie wichtig es ist, die Artenvielfalt dieser erstaunlichen Pflanzen zu erhalten.“ enthalten wichtige Hinweise zur Geschichte des Lebens auf der Erde.
Mehr Informationen:
Cheng Li et al., Außerordentliche Erhaltung der Genkollinearität über dreihundert Millionen Jahre bei homosporen Lykophyten, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2024). DOI: 10.1073/pnas.2312607121