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Montag, 26.09.2016
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Forscher entdecken kleinstes Genom der Pflanzenwelt

Erbgut einer fleischfressenden Wasserpflanze widerlegt Unverzichtbarkeit der Junk-DNA

Bei einer fleischfressenden Wasserpflanze haben Forscher Erstaunliches entdeckt: Ihr Erbgut ist nicht nur mit Abstand das kleinste aller höheren Pflanzen, es enthält auch verblüffend wenig "Junk-DNA". Der Zwerg-Wasserschlauch (Utricularia gibba) widerlegt damit die gerade erst aufgestellte Theorie, nach der die nichtkodierenden DNA-Abschnitte für die Regulation der Gene aller höheren Organismen unverzichtbar sind. Denn diese Pflanze kommt mit nur drei Prozent Junk-DNA bestens aus, wie Forscher im Fachmagazin "Nature" berichten. Zum Vergleich: Bei uns sind es fast 98 Prozent.
Fangblase des Zwerg-Wasserschlauchs im Elektronenmikroskop betrachtet

Fangblase des Zwerg-Wasserschlauchs im Elektronenmikroskop betrachtet

Auf den ersten Blick ist der Zwerg-Wasserschlauch (Utricularia gibba) eine ganz normale Wasserpflanze: An den Ufern von Teichen und flachen Sumpftümpeln wachsend, reckt er seine kleinen gelben Blüten über die Wasseroberfläche hinaus. Doch das harmlose Aussehen täuscht: der Zwerg-Wasserschlauch ist fleischfressend. Einige seiner Unterwasser-Blättchen sind zu aktiven Fangblasen umgebildet, mit denen er kleine Krebse und Wasserinsekten fängt. Dafür pumpt er das Wasser aus den Bläschen heraus und erzeugt so in ihnen einen Unterdruck, der seine Beute in die Falle saugt.

Doch die fleischfressende Pflanze besitzt noch eine Besonderheit, wie Enrique Ibarra-Laclette vom Nationalen Gen- und Biodiversitätslabor (LANGEBIO) im mexikanischen Guanajuato und seine Kollegen jetzt festgestellt haben. Sie hatten erstmals das Erbgut des Zwerg-Wasserschlauchs komplett sequenziert und waren dabei auf gleich mehrere unerwartete Merkmale gestoßen.

Kleinstes Genom aller höheren Pflanzen


Die erste Überraschung war die extrem geringe Größe des Genoms: Es besteht nur aus rund 80 Millionen Basenpaaren und ist damit das kleinste bekannte bei einer mehrzelligen Pflanze. Die zur gleichen Ordnung gehörenden Verwandten des Zwerg-Wasserschlauchs wie Weintraube oder Tomate sind um ein Mehrfaches größer, sie warten mit immerhin 490 bis 780 Millionen Basenpaaren auf. Aber das war noch nicht alles: "Erstaunlicherweise enthält das Genom von Utricularia gibba trotz dieser geringen Größe rund 28.500 Gene - und damit sogar etwas mehr als die Weintraube und nur etwas weniger als die Tomate", berichten die Forscher.


Die fleischfressende Pflanze hat demnach ihr Genom offenbar bis auf das Allernötigste reduziert - übrig blieben fast nur die proteinkodierenden Gene und ein paar kleine, für die Genregulation zuständigen Zwischenabschnitte. Was aber fast vollständig fehlt ist die Junk-DNA - die Wiederholungen von Genen, Genbruchstücke und DNA-Abschnitte, die lange als weitgehend funktionslos galten, aber einen Großteil unseres Erbguts ausmachen.

Sieht harmlos aus: Blüte des Zwerg-Wasserschlauchs

Sieht harmlos aus: Blüte des Zwerg-Wasserschlauchs

Junk-DNA: unverzichtbar - oder doch entbehrlich?


Dass diese "Junk-DNA" mehr ist als nur Genmüll, belegte zuletzt im September 2012 das Encyclopedia of DNA Elements Projekt (ENCODE). Seine Ergebnisse zeigten, dass die nichtkodierenden DNA-Bereiche in Wirklichkeit eine Art Steuerpult ist, das die Funktionsweise unsers Genoms kontrolliert. Es enthält Millionen molekularer Schalter, die unsere Gene nach Bedarf an und abschalten können. Seither gilt die Junk-DNA als quasi unverzichtbarer Bestandteil des Erbguts aller höheren Lebewesen.

Der unscheinbare Zwerg-Wasserschlauch weckt aber nun Zweifel an dieser Annahme. Denn obwohl diese Pflanze keineswegs simpel gestrickt ist und im Laufe ihrer Evolution sogar die Mal ihr gesamtes Genom verdoppelte, besitzt sie nur noch drei Prozent Junk-DNA. Den Rest hat sie im Laufe ihrer Evolution reduziert - und das wiederholt und radikal: Denn insgesamt dreimal im Laufe ihrer Stammesgeschichte verdoppelte die Pflanze ihr gesamtes Genom - nur um den Großteil der überschüssigen Kopien hinterher wieder abzuschaffen. "Diese an Duplikationen reiche Geschichte zeigt, wie effektiv diese Pflanze nicht-essenzielle DNA beseitigt hat", erklärt Studienleiter Luis Herrera-Estrella vom LANGEBIO.

Das aber bedeute auch, dass eine mehrzellige, komplex aufgebaute Pflanze mit zahlreichen verschiedenen Organen, Geweben und Zellen durchaus ohne Junk-DNA auskomme. "Diese wird - entgegen gängiger Annahme - demnach keineswegs immer gebraucht", konstatiert der Forscher. Es gebe offenbar durchaus alternative Evolutions-Strategien, die dazu führen, dass die Steuerelemente für die Genregulation kompakt inmitten der Gene sitzen, statt in die nichtkodierenden DNA-Bereiche ausgelagert zu werden. (Nature, 2013; doi: 10.1038/nature12132)
(Nature, 13.05.2013 - NPO)
 
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