Studie findet neuartige Genentwicklung in der dekaploiden Kannenpflanze Nepenthes gracilis

In einer aktuellen Studie untersuchte ein Team um den Würzburger Botaniker Kenji Fukushima die Genomstruktur der fleischfressenden Kannenpflanze Nepenthes gracilis und zeigte, wie Polyploidie – das Phänomen, mehr als zwei Chromosomensätze in Zellen zu haben – zu evolutionären Innovationen beiträgt. Fukushima leitet eine Arbeitsgruppe am Lehrstuhl für Botanik I der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU).

Die Ergebnisse der Studie liegen nun vor veröffentlicht im Tagebuch Naturpflanzen.

Auf den Spuren der Subgenom-Dominanz

Pflanzengenome sind für ihre komplexe Struktur bekannt und die Untersuchung polyploider Genome mit mehreren Chromosomensätzen ermöglicht es Forschern, tiefgreifende Fragen zur Genetik zu beantworten. „Unsere Ergebnisse liefern nicht nur wichtige Einblicke in die adaptive Landschaft des Nepenthes-Genoms, sondern erweitern auch unser Verständnis darüber, wie Polyploidie die Entwicklung neuer Funktionen stimulieren kann“, erklärt Professor Victor Albert von der University at Buffalo. Albert ist der Co-Senior-Autor der Studie.

Eine zentrale Frage beschäftigt sich mit dem Mechanismus der sogenannten Subgenom-Dominanz, die die Retention und Expression von Genen über mehrere Chromosomensätze hinweg beeinflusst.

Dieser Prozess führt häufig zu einem dominanten Subgenom, das reicher an Genen ist. Rezessive Subgenome hingegen verlieren Gene. In ihrer Studie konzentrierten sich Fukushima und sein Team auf die bisher unbekannte Genomstruktur von Nepenthes gracilis und untersuchten die komplexe Beziehung zwischen den Subgenomen.

Rezessive Subgenome als innovative Triebkräfte

Mithilfe moderner Hochdurchsatz-Sequenzierungstechniken und bioinformatischer Analysen konnten die Forscher eine dekaploide Genomstruktur – also die Tatsache, dass in einer Zelle zehn Chromosomensätze vorhanden sind – in der tropischen Kannenpflanze identifizieren. Dabei stießen sie auf eine eindeutige Signatur der Subgenom-Dominanz, die zu einem dominanten und vier rezessiven Subgenomen führte.

„Interessanterweise stellte sich jedoch heraus, dass es die rezessiven Subgenome sind, die mit neuen Genen angereichert werden. Diese überraschende Entdeckung legt nahe, dass die rezessiven Subgenome einen wichtigen Beitrag zur evolutionären Anpassung der Pflanze leisten“, sagt Fukushima. Dies gilt insbesondere für Definitionsmerkmale wie Kannenblätter, die zum Fangen von Insekten verwendet werden, und für die Diözie, das Vorhandensein getrennter männlicher und weiblicher Pflanzen.

In weiteren Analysen identifizierte das Team spezifische Gene auf den rezessiven Subgenomen, die mit diesen einzigartigen Merkmalen in Verbindung gebracht werden können. Ein interessantes Beispiel ist ein männerspezifisches Gen auf dem neu identifizierten Y-Chromosom, das eine entscheidende Rolle bei der Diözie spielen könnte. Sie entdeckten auch eine Gruppe von Genen, die speziell beim Fangen von Kannen exprimiert werden und wahrscheinlich zur Entwicklung von Fleischfressern in Nepenthes beitragen.

Mögliche Anwendungen in der Landwirtschaft

Neben der Erforschung der Genetik von Nepenthes gracilis trägt die Studie zum allgemeinen Verständnis der Rolle der Polyploidie in der Evolution und der Entstehung neuer Gene bei. Die gewonnenen Erkenntnisse könnten auch in anderen Bereichen der Pflanzenforschung Anwendung finden und unser Verständnis der Pflanzengenome und der Art und Weise, wie Pflanzen komplexe und neuartige Merkmale bilden können, verbessern. Darüber hinaus lassen die Ergebnisse Rückschlüsse auf die Pflanzenvielfalt und -anpassung im Allgemeinen zu und können beispielsweise wertvolle Beiträge für die Landwirtschaft leisten.

„Dort sind Mechanismen des Nährstofftransports und der Nährstoffvermehrung von besonderem Interesse“, erklärt Fukushima. Die Erkenntnisse aus der Studie könnten dazu beitragen, diese Prozesse besser zu verstehen und so zu nachhaltigen und effizienten landwirtschaftlichen Praktiken beizutragen.