Letztes Jahr, Jaume Pellicer führte ein Team von Wissenschaftlerkollegen in einen Wald auf Grande Terre, einer Insel östlich von Australien. Sie waren auf der Suche nach einem Farn namens Tmesipteris oblanceolata. Da es nur wenige Zentimeter groß war, war es auf dem Waldboden nicht leicht zu finden.
„Es fällt nicht ins Auge“, sagte Pellicer, der am Botanischen Institut im spanischen Barcelona arbeitet.„Sie würden wahrscheinlich darauf treten und es nicht einmal merken.“
Den Wissenschaftlern gelang es schließlich, den unscheinbaren Farn zu entdecken. Als Pellicer und seine Kollegen ihn im Labor untersuchten, entdeckten sie, dass er ein außergewöhnliches Geheimnis birgt. Tmesipteris oblanceolata hat den größten bekannten Genom auf der Erde. Wie die Forscher in einer am Freitag veröffentlichten Studie beschrieben, enthalten die Zellen des Farns mehr als 50-mal so viel DNA wie unsere.
Wenn Sie es seltsam finden, dass eine so bescheidene Pflanze ein so gigantisches Genom hat, dann geht es Wissenschaftlern genauso. Das Rätsel entstand in den 1950er Jahren, als Biologen entdeckten, dass die Doppelhelix der DNA Gene kodiert. Jedes Gen besteht aus einer Reihe genetischer Buchstaben, und unsere Zellen lesen diese Buchstaben, um entsprechende Proteine herzustellen.
Wissenschaftler gingen davon aus, dass Menschen und andere komplexe Spezies viele verschiedene Proteine produzieren und deshalb größere Genome haben. Doch als sie die DNA verschiedener Tiere untersuchten, stellten sie fest, dass sie sich gewaltig irrten. Frösche, Salamander und Lungenfische haben weitaus größere Genome als Menschen.
Es stellt sich heraus, dass Genome viel seltsamer sind, als Wissenschaftler erwartet hatten. Wir tragen beispielsweise etwa 20.000 proteinkodierende Gene in uns, aber sie machen nur 1,5 % der 3 Milliarden Buchstabenpaare in unserem Genom aus.
Weitere etwa 9 % bestehen aus DNA-Abschnitten, die zwar keine Proteine kodieren, aber dennoch wichtige Aufgaben erfüllen. Einige von ihnen fungieren beispielsweise als Schalter, die benachbarte Gene an- und ausschalten.
Die restlichen 90 % des menschlichen Genoms haben keine bekannte Funktion. Manche Wissenschaftler haben für diese riesige Menge mysteriöser DNA einen liebevollen Spitznamen: „Müll“.
Manche Arten besitzen nur wenig Junk-DNA, andere dagegen eine erstaunliche Menge davon. Der afrikanische Lungenfisch beispielsweise besitzt etwa die gleiche Anzahl proteinkodierender Gene wie wir, diese sind jedoch über ein riesiges Genom verstreut, das insgesamt 40 Milliarden Paare von DNA-Buchstaben umfasst – 13 Mal so viel DNA wie unser eigenes Genom.
Anfang der 2000er Jahre, als Pellicer seine Ausbildung zum Botaniker absolvierte, war er fasziniert, als er erfuhr, dass einige Pflanzenstämme ebenfalls riesige Genome besitzen. Zwiebeln beispielsweise haben ein fünfmal so großes Genom wie unseres.
Als Pellicer 2010 seine Arbeit in den Kew Gardens in London aufnahm, bekam er die Chance, eine Pflanzenfamilie namens Büschelblumen zu studieren, von denen bekannt war, dass sie große Genome besitzen. Er verbrachte Monate damit, Blätter mit einer Rasierklinge zu zerkleinern, Zellen von Dutzenden Arten zu isolieren und ihre DNA zu wiegen.
Als er das Genom einer Pflanze namens Paris japonica wog, die in den Bergen nahe Nagano in Japan wächst, war er vom Ergebnis schockiert. Das Genom dieser gewöhnlichen Blume enthielt 148 Milliarden Buchstabenpaare – ein Weltrekord.
In den folgenden Jahren schickten ihm Kollegen frische Farnproben aus Australien und Neuseeland zum Zerkleinern. Er entdeckte, dass auch diese Pflanzen riesige Genome hatten, wenn auch nicht ganz so groß wie das der Paris japonica.
Pellicer wusste, dass auf einigen Pazifikinseln verwandte Farnarten wuchsen. 2016 begann er, eine Expedition nach Grande Terre zu planen, einem Teil des Archipels Neukaledonien.
Erst 2023 erreichte er endlich die Insel. Zusammen mit einem Team, zu dem auch Kollegen aus Kew, sein Doktorand Pol Fernández und lokale Pflanzenexperten gehörten, sammelte er zahlreiche Arten.
Zurück in Barcelona war Fernández überrascht, als er entdeckte, dass das Genom von Tmesipteris oblanceolata etwa 160 Milliarden Paare von DNA-Buchstaben enthielt. Dreizehn Jahre nachdem Pellicer ein rekordverdächtiges Genom entdeckt hatte, erlebte auch sein Doktorand den Nervenkitzel, den Rekord zu brechen.
Es gibt zwei Hauptwege, auf denen sich Genome im Laufe der Evolution ausdehnen. Viele Arten tragen virusähnliche DNA-Abschnitte in sich. Wenn sie neue Kopien ihrer Genome erstellen, erstellen sie manchmal versehentlich eine zusätzliche Kopie dieses Virusabschnitts. Über viele Generationen hinweg kann eine Art Tausende neuer Kopien ansammeln, wodurch ihr Genom anschwillt.
Es ist auch möglich, dass eine Art plötzlich zwei Genome statt einem hat. Ein zusätzliches Genom kann zum Beispiel entstehen, wenn sich zwei eng verwandte Arten paaren. Ihre hybriden Nachkommen erben dann möglicherweise den gesamten DNA-Satz beider Eltern.
Pellicer und seine Kollegen vermuten, dass eine Kombination aus virusähnlicher DNA und duplizierten Genomen für die enorme Menge an Genmaterial bei Tmesipteris oblanceolata. Aber sie wissen nicht, warum dieser bescheidene Farn am Ende ein Rekordgenom hat, während andere Arten – wie wir – so viel weniger DNA haben.
Es ist möglich, dass die meisten Arten nach und nach DNA in ihren Genomen ansammeln, ohne dabei Schaden zu nehmen. „In der Biologie geht es oft um die Frage ‚warum nicht?‘ und nicht um ‚warum?‘“, sagt Julie Blommaert, eine Genomikerin am New Zealand Institute for Plant and Food Research, die an der neuen Studie nicht beteiligt war.
Irgendwann können Genome jedoch so groß werden, dass sie zur Last werden. Zellen müssen sich möglicherweise ausdehnen, um all die zusätzliche DNA aufzunehmen. Sie brauchen auch mehr Zeit und mehr Nährstoffe, um neue Kopien ihrer riesigen Genome zu erstellen. Ein Organismus mit einem übergroßen Genom kann gegenüber einem Rivalen mit einem kleineren den Kürzeren ziehen. Daher könnten Mutationen, die nicht benötigte DNA herausschneiden, von der Evolution begünstigt werden.
Es ist möglich, dass Tiere und Pflanzen wirklich riesige Genome nur in speziellen Umgebungen entwickeln können, beispielsweise in stabilen Klimazonen, in denen es wenig Konkurrenz gibt. „Vielleicht sind sie deshalb so selten – sie werden weggerissen, weil sie nicht effizient sind“, sagte Pellicer.
Selbst im einladendsten Zuhause können Genome nicht unendlich groß werden. Tatsächlich vermutet Pellicer, dass Tmesipteris oblanceolata die physikalische Grenze eines Genoms beinahe erreicht haben könnte. „Ich glaube, wir sind nah dran“, sagte er.
Andere sind sich nicht so sicher.
„Ich weiß nicht, ob wir schon eine Obergrenze erreicht haben“, sagte Brittany Sutherland, eine Botanikerin an der George Mason University in Virginia, die nicht an der Studie beteiligt war. Sie wies darauf hin, dass Botaniker die Genomgrößen von nur 12.000 Pflanzenarten gemessen haben, sodass noch 400.000 andere Arten zu untersuchen seien. „Was wir an Schätzungen haben, ist ein Tropfen auf den heißen Stein“, sagte sie.
„Es fällt nicht ins Auge“, sagte Pellicer, der am Botanischen Institut im spanischen Barcelona arbeitet.„Sie würden wahrscheinlich darauf treten und es nicht einmal merken.“
Den Wissenschaftlern gelang es schließlich, den unscheinbaren Farn zu entdecken. Als Pellicer und seine Kollegen ihn im Labor untersuchten, entdeckten sie, dass er ein außergewöhnliches Geheimnis birgt. Tmesipteris oblanceolata hat den größten bekannten Genom auf der Erde. Wie die Forscher in einer am Freitag veröffentlichten Studie beschrieben, enthalten die Zellen des Farns mehr als 50-mal so viel DNA wie unsere.
Wenn Sie es seltsam finden, dass eine so bescheidene Pflanze ein so gigantisches Genom hat, dann geht es Wissenschaftlern genauso. Das Rätsel entstand in den 1950er Jahren, als Biologen entdeckten, dass die Doppelhelix der DNA Gene kodiert. Jedes Gen besteht aus einer Reihe genetischer Buchstaben, und unsere Zellen lesen diese Buchstaben, um entsprechende Proteine herzustellen.
Wissenschaftler gingen davon aus, dass Menschen und andere komplexe Spezies viele verschiedene Proteine produzieren und deshalb größere Genome haben. Doch als sie die DNA verschiedener Tiere untersuchten, stellten sie fest, dass sie sich gewaltig irrten. Frösche, Salamander und Lungenfische haben weitaus größere Genome als Menschen.
Es stellt sich heraus, dass Genome viel seltsamer sind, als Wissenschaftler erwartet hatten. Wir tragen beispielsweise etwa 20.000 proteinkodierende Gene in uns, aber sie machen nur 1,5 % der 3 Milliarden Buchstabenpaare in unserem Genom aus.
Weitere etwa 9 % bestehen aus DNA-Abschnitten, die zwar keine Proteine kodieren, aber dennoch wichtige Aufgaben erfüllen. Einige von ihnen fungieren beispielsweise als Schalter, die benachbarte Gene an- und ausschalten.
Die restlichen 90 % des menschlichen Genoms haben keine bekannte Funktion. Manche Wissenschaftler haben für diese riesige Menge mysteriöser DNA einen liebevollen Spitznamen: „Müll“.
Manche Arten besitzen nur wenig Junk-DNA, andere dagegen eine erstaunliche Menge davon. Der afrikanische Lungenfisch beispielsweise besitzt etwa die gleiche Anzahl proteinkodierender Gene wie wir, diese sind jedoch über ein riesiges Genom verstreut, das insgesamt 40 Milliarden Paare von DNA-Buchstaben umfasst – 13 Mal so viel DNA wie unser eigenes Genom.
Anfang der 2000er Jahre, als Pellicer seine Ausbildung zum Botaniker absolvierte, war er fasziniert, als er erfuhr, dass einige Pflanzenstämme ebenfalls riesige Genome besitzen. Zwiebeln beispielsweise haben ein fünfmal so großes Genom wie unseres.
Als Pellicer 2010 seine Arbeit in den Kew Gardens in London aufnahm, bekam er die Chance, eine Pflanzenfamilie namens Büschelblumen zu studieren, von denen bekannt war, dass sie große Genome besitzen. Er verbrachte Monate damit, Blätter mit einer Rasierklinge zu zerkleinern, Zellen von Dutzenden Arten zu isolieren und ihre DNA zu wiegen.
Als er das Genom einer Pflanze namens Paris japonica wog, die in den Bergen nahe Nagano in Japan wächst, war er vom Ergebnis schockiert. Das Genom dieser gewöhnlichen Blume enthielt 148 Milliarden Buchstabenpaare – ein Weltrekord.
In den folgenden Jahren schickten ihm Kollegen frische Farnproben aus Australien und Neuseeland zum Zerkleinern. Er entdeckte, dass auch diese Pflanzen riesige Genome hatten, wenn auch nicht ganz so groß wie das der Paris japonica.
Pellicer wusste, dass auf einigen Pazifikinseln verwandte Farnarten wuchsen. 2016 begann er, eine Expedition nach Grande Terre zu planen, einem Teil des Archipels Neukaledonien.
Erst 2023 erreichte er endlich die Insel. Zusammen mit einem Team, zu dem auch Kollegen aus Kew, sein Doktorand Pol Fernández und lokale Pflanzenexperten gehörten, sammelte er zahlreiche Arten.
Zurück in Barcelona war Fernández überrascht, als er entdeckte, dass das Genom von Tmesipteris oblanceolata etwa 160 Milliarden Paare von DNA-Buchstaben enthielt. Dreizehn Jahre nachdem Pellicer ein rekordverdächtiges Genom entdeckt hatte, erlebte auch sein Doktorand den Nervenkitzel, den Rekord zu brechen.
Es gibt zwei Hauptwege, auf denen sich Genome im Laufe der Evolution ausdehnen. Viele Arten tragen virusähnliche DNA-Abschnitte in sich. Wenn sie neue Kopien ihrer Genome erstellen, erstellen sie manchmal versehentlich eine zusätzliche Kopie dieses Virusabschnitts. Über viele Generationen hinweg kann eine Art Tausende neuer Kopien ansammeln, wodurch ihr Genom anschwillt.
Es ist auch möglich, dass eine Art plötzlich zwei Genome statt einem hat. Ein zusätzliches Genom kann zum Beispiel entstehen, wenn sich zwei eng verwandte Arten paaren. Ihre hybriden Nachkommen erben dann möglicherweise den gesamten DNA-Satz beider Eltern.
Pellicer und seine Kollegen vermuten, dass eine Kombination aus virusähnlicher DNA und duplizierten Genomen für die enorme Menge an Genmaterial bei Tmesipteris oblanceolata. Aber sie wissen nicht, warum dieser bescheidene Farn am Ende ein Rekordgenom hat, während andere Arten – wie wir – so viel weniger DNA haben.
Es ist möglich, dass die meisten Arten nach und nach DNA in ihren Genomen ansammeln, ohne dabei Schaden zu nehmen. „In der Biologie geht es oft um die Frage ‚warum nicht?‘ und nicht um ‚warum?‘“, sagt Julie Blommaert, eine Genomikerin am New Zealand Institute for Plant and Food Research, die an der neuen Studie nicht beteiligt war.
Irgendwann können Genome jedoch so groß werden, dass sie zur Last werden. Zellen müssen sich möglicherweise ausdehnen, um all die zusätzliche DNA aufzunehmen. Sie brauchen auch mehr Zeit und mehr Nährstoffe, um neue Kopien ihrer riesigen Genome zu erstellen. Ein Organismus mit einem übergroßen Genom kann gegenüber einem Rivalen mit einem kleineren den Kürzeren ziehen. Daher könnten Mutationen, die nicht benötigte DNA herausschneiden, von der Evolution begünstigt werden.
Es ist möglich, dass Tiere und Pflanzen wirklich riesige Genome nur in speziellen Umgebungen entwickeln können, beispielsweise in stabilen Klimazonen, in denen es wenig Konkurrenz gibt. „Vielleicht sind sie deshalb so selten – sie werden weggerissen, weil sie nicht effizient sind“, sagte Pellicer.
Selbst im einladendsten Zuhause können Genome nicht unendlich groß werden. Tatsächlich vermutet Pellicer, dass Tmesipteris oblanceolata die physikalische Grenze eines Genoms beinahe erreicht haben könnte. „Ich glaube, wir sind nah dran“, sagte er.
Andere sind sich nicht so sicher.
„Ich weiß nicht, ob wir schon eine Obergrenze erreicht haben“, sagte Brittany Sutherland, eine Botanikerin an der George Mason University in Virginia, die nicht an der Studie beteiligt war. Sie wies darauf hin, dass Botaniker die Genomgrößen von nur 12.000 Pflanzenarten gemessen haben, sodass noch 400.000 andere Arten zu untersuchen seien. „Was wir an Schätzungen haben, ist ein Tropfen auf den heißen Stein“, sagte sie.