Zum ersten Mal haben Wissenschaftler das Genom des Sosnowsky-Bärenklau untersucht, einer giftigen invasiven Pflanze, deren Saft Hautverbrennungen verursacht. Sie fanden heraus, dass ihr Genom fast doppelt so viele Gene aufweist wie die meisten anderen Pflanzen. Die Studie ist veröffentlicht In Das Pflanzenjournal.
Die Forschungsergebnisse öffnen dank der einzigartigen bioaktiven Moleküle des Bärenklau die Tür zu praktischen Anwendungen in der Medizin und Pharmakologie, die zur Entwicklung neuer Medikamente genutzt werden können.
Der Bärenklau (Heracleum sosnowskyi) ist eine invasive Pflanze, die sich weit über ihren natürlichen Lebensraum im Nordkaukasus hinaus ausgebreitet hat und eine große Bedrohung für Ökosysteme und die menschliche Gesundheit darstellt. Nach dem Zweiten Weltkrieg galt die Pflanze als vielversprechende Futterpflanze und wurde im Nordwesten des europäischen Russlands in großem Umfang angebaut.
Von dort aus begann es sich auszubreiten, drang schnell in größere Gebiete ein und verringerte die Artenvielfalt, indem es andere Pflanzenarten verdrängte. Darüber hinaus enthält sein Saft natürliche Giftstoffe, die den menschlichen Körper, vor allem die Haut und die Schleimhäute, sehr empfindlich gegenüber ultravioletter Strahlung machen und bei körperlichem Kontakt Hautverbrennungen und Reizungen verursachen können.
Forscher von Skoltech und ihre Kollegen vom AA Kharkevich Institute for Information Transmission Problems of RAS untersuchten das komplette Genom des Sosnowsky-Bärenklaus und fügten es bis auf Chromosomenebene zusammen.
Mithilfe eines DNA-Sequenzierers erhielt das Team Daten über das Genom der Pflanze und markierte einzelne Gene, die sich überraschenderweise als zu viele herausstellten: 55.000 im Gegensatz zu 25.000–35.000 bei den meisten anderen Pflanzen. Nachdem sie mehrere mögliche Hypothesen aufgestellt und verifiziert hatten, entdeckten die Forscher, dass zahlreiche Genduplikationen (Kopien) für dieses Phänomen verantwortlich sind.
„Das ist eher ungewöhnlich, da Pflanzen typischerweise Duplikationen im gesamten Genom und nicht nur in seinen einzelnen Teilen aufweisen. Viele Genfamilien mit einem starken Anstieg der Genzahl im Sosnowsky-Bärenklau entstehen durch die Synthese von Sekundärmetaboliten, darunter lineare Furanocumarine (Psoralen und seine Derivate), die den Bärenklau äußerst gefährlich machen“, erklärt Maria Logacheva, Assistenzprofessorin am Bio Center und Mitglied des Projektteams.
Die Forscher analysierten gründlich die Gene, die möglicherweise an der Synthese von Toxinen beteiligt sind, die bei Tageslicht Hautverbrennungen verursachen, und bestimmten experimentell die Funktion eines der Gene, das Marmesin in Psoralen umwandelt.
Die Forschungsergebnisse könnten für Medizin und Pharmakologie nützlich sein. Das Verständnis der spezifischen Merkmale des Genoms des Sosnowsky-Bärenklau wird dazu beitragen, seine einzigartigen bioaktiven Moleküle zu identifizieren und zu untersuchen, die zur Entwicklung neuer Medikamente und Behandlungsansätze für Hautprobleme genutzt werden könnten. Sie können Forschern auch dabei helfen, biologische Kontroll- und Überwachungsmethoden für diese schädliche Pflanze zu entwickeln.
„Wir planen, unsere Erforschung des Bärenklau-Genoms fortzusetzen und die genetische Vielfalt dieser Art in ihrem ursprünglichen Lebensraum und in „eingedrungenen“ Gebieten zu untersuchen. Dazu sammeln und analysieren wir Proben aus ganz Russland – von Kaliningrad bis zum Fernen Osten um die Ausbreitungsmuster und -strategien des Bärenklau herauszufinden und mehr über die Beziehungen zwischen dem Sosnowsky-Bärenklau und verwandten Arten wie dem Mantegazzis-Bärenklau zu erfahren, der sich in Westeuropa wie ein Lauffeuer ausbreitet“, schließt Logacheva.
Mehr Informationen:
Mikhail I. Schelkunov et al., Das Genom der toxischen invasiven Art Heracleum sosnowskyi trägt eine erhöhte Anzahl von Genen, obwohl es in jüngster Zeit keine Duplikationen des gesamten Genoms gab, Das Pflanzenjournal (2023). DOI: 10.1111/tpj.16500