Dieser winzige Farn hat das größte Genom aller Organismen auf der Erde

In einer neuen Studie, die in der Zeitschrift iWissenschaftForscher der Royal Botanic Gardens, Kew und des Institut Botànic de Barcelona (IBB-CSIC) in Spanien präsentieren einen neuen Rekordhalter für die größte Menge an DNA, die im Zellkern eines lebenden Organismus auf dem Planeten gespeichert ist.

Mit mehr als 100 Metern entschlüsselter DNA wies die neukaledonische Gabelfarnart Tmesipteris oblanceolata mehr als 50-mal mehr DNA auf als der Mensch und hat damit die japanische Blütenpflanzenart Paris japonica vom Thron verdrängt, die diesen Rekord seit 2010 hielt.

Darüber hinaus hat die Pflanze drei Guinness-Weltrekorde für das größte Pflanzengenom, das größte Genom und das größte Farngenom hinsichtlich der DNA-Menge im Zellkern errungen.

T. oblanceolata ist eine seltene Farnart, die auf dem Inselstaat Neukaledonien vorkommt, einem französischen Überseegebiet im Südwestpazifik, etwa 1.200 Kilometer östlich von Australien, und auf einigen der Nachbarinseln wie Vanuatu. Die Gattung Tmesipteris ist eine wenig erforschte Pflanzengruppe, die aus etwa 15 Arten besteht, von denen die meisten auf einer Reihe von Pazifikinseln und Ozeanien vorkommen.

Bisher haben Wissenschaftler die Genomgröße von zwei Tmesipteris-Arten – T. tannensis und T. obliqua – nur geschätzt. Dabei stellte sich heraus, dass beide Arten riesige Genome von 73,19 bzw. 147,29 Gigabasenpaaren (Gbp) besitzen.

Im Jahr 2023 reisten die Hauptautoren Dr. Jaume Pellicer und Dr. Oriane Hidalgo vom IBB und früher von RBG Kew nach Neukaledonien, um Proben von Tmesipteris zu sammeln, die dann analysiert wurden, um die Größe ihrer Genome abzuschätzen. Dazu wurden die Kerne von Tausenden von Zellen isoliert, mit einem Farbstoff angefärbt und dann gemessen, wie viel Farbstoff an die DNA in jedem Kern gebunden war – je mehr Farbstoff, desto größer das Genom.

Die Analyse ergab, dass die Art T. oblanceolata eine rekordverdächtige Genomgröße von 160,45 Gbp aufweist, die etwa 7 % größer ist als die von P. japonica (148,89 Gbp).

Entwirrt man die DNA aus jeder Zelle dieses Farns, wäre sie größer als der Elizabeth Tower in Westminster, London, der 96 m hoch ist und die weltberühmte Glocke Big Ben beherbergt. Zum Vergleich: Das menschliche Genom enthält etwa 3,1 Gbp, verteilt auf 23 Chromosomen, und wenn man es wie ein Wollknäuel ausbreitet, beträgt die Länge der DNA in jeder Zelle nur etwa 2 m.

Dr. Pellicer, ein Forscher in der Evolutionsbiologie, sagt: „Tmesipteris ist eine einzigartige und faszinierende kleine Gattung von Farnen, deren Vorfahren sich vor etwa 350 Millionen Jahren entwickelten – lange bevor Dinosaurier die Erde betraten – und sie zeichnet sich durch ihre hauptsächlich epiphytische Wuchsform aus. [it grows mainly on the trunks and branches of trees] und eingeschränkte Verbreitung in Ozeanien und mehreren Pazifikinseln.

„Lange Zeit dachten wir, dass es unmöglich wäre, den bisherigen Größenrekord der Paris japonica zu brechen, aber wieder einmal haben die Grenzen der Biologie unsere optimistischsten Vorhersagen übertroffen.

„Aufgrund unserer bisherigen Forschungen gingen wir davon aus, dass Tmesipteris riesige Genome besitzt. Die Entdeckung des größten Genoms überhaupt ist jedoch nicht nur eine wissenschaftliche Meisterleistung, sondern das Ergebnis einer fast vierzehnjährigen Reise in die grenzenlose Komplexität und Vielfalt pflanzlicher Genome.“

Bisher haben Wissenschaftler auf der ganzen Welt die Genomgröße von mehr als 20.000 eukaryotischen Organismen geschätzt und dabei eine große Bandbreite an Genomgrößen im gesamten Stammbaum des Lebens aufgedeckt. Diese wiederum haben, wie sich herausstellte, nicht nur tiefgreifende Auswirkungen auf ihre Anatomie, da größere Genome größere Zellen zu ihrer Unterbringung benötigen und ihre Replikation länger dauert, sondern auch darauf, wie sie funktionieren, sich entwickeln und wo und wie sie leben.

Zu den größten Genomen bei Tieren zählen der Marmorierte Lungenfisch (Protopterus aethiopicus) mit 129,90 Gbp und der Neuse-River-Wasserhund (Necturus lewisi) mit 117,47 Gbp. Im Gegensatz dazu sind sechs der größten bekannten eukaryotischen Genome bei Pflanzen zu finden, darunter die Europäische Mistel (Viscum album) mit 100,84 Gbp.

Überraschenderweise ist ein größeres Genom normalerweise kein Vorteil. Bei Pflanzen sind Arten mit großen DNA-Mengen darauf beschränkt, langsam zu wachsen, mehrjährig zu sein, sind weniger effizient bei der Photosynthese (dem Prozess, bei dem Pflanzen Sonnenenergie in Zucker umwandeln) und benötigen mehr Nährstoffe (insbesondere Stickstoff und Phosphate), um zu wachsen und erfolgreich mit ihren Nachbarn mit kleinerem Genom zu konkurrieren. Solche Effekte können wiederum die Fähigkeit einer Pflanze beeinflussen, sich an den Klimawandel anzupassen und ihr Aussterberisiko zu erhöhen.

Dr. Ilia Leitch, leitende Forschungsleiterin für Charakterentwicklung bei RBG Kew, sagt: „Wer hätte gedacht, dass diese kleine, unscheinbare Pflanze, an der die meisten Menschen wahrscheinlich unbemerkt vorbeigehen würden, einen weltbesten Rekord in puncto Genomgröße aufweisen könnte.

„Im Vergleich zu anderen Organismen sind Pflanzen auf DNA-Ebene unglaublich vielfältig, und das sollte uns dazu veranlassen, über ihren inneren Wert im Gesamtbild der globalen Artenvielfalt nachzudenken. Diese Entdeckung wirft auch viele neue und spannende Fragen über die Obergrenzen des biologisch Möglichen auf, und wir hoffen, diese Rätsel eines Tages lösen zu können.“

Adam Millward, Chefredakteur des Guinnessbuchs der Rekorde, sagt: „Die Vorstellung, dass dieser unscheinbare Farn 50 Mal mehr DNA besitzt als der Mensch, ist eine demütigende Erinnerung daran, dass es noch so viel Unbekanntes über das Pflanzenreich gibt und dass Rekordhalter nach außen hin nicht immer die auffälligsten sind.“