Die Ackerschmalwand ist eng mit der Leierblatt-Felsenkresse verwandt, ihr Genom ist aber deutlich kleiner Evolution kann Erbgut schnell verkleinern - scinexx | Das Wissensmagazin
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Die Ackerschmalwand ist eng mit der Leierblatt-Felsenkresse verwandt, ihr Genom ist aber deutlich kleiner

Evolution kann Erbgut schnell verkleinern

Blüten von Arabidopsis lyrata (links) und Arabidopsis thaliana (rechts). © Ya-Long Guo/ MPI für Entwicklungsbiologie

Nicht immer besitzen zwei eng verwandte Pflanzenarten auch ähnliche genetische Baupläne, wie Forscher jetzt herausfanden: Ein Genvergleich der Ackerschmalwand mit einer sehr engen Verwandten enthüllte, dass das Genom der letzteren fast doppelt so umfangreich ist. Wie die Forscher in „Nature Genetics“ berichten, entstanden die Unterschiede durch massiven Genverlust in evolutionär recht kurzer Zeit herausgebildet.

Die Größe des Genoms variiert bei verschiedenen Arten im Pflanzenreich stark. Als Extreme des bisher bekannten Spektrums kennen Wissenschaftler die Einbeere (Paris), deren Genom gut tausendfach so lang ist wie das der fleischfressenden Reusenfalle (Genlisea). Doch ist die Verwandtschaft oft so weitläufig, dass sich kaum feststellen lässt, welche Kräfte der Evolution im Einzelnen gewirkt haben. Um die Mechanismen aufzuklären, eignen sich am besten eng verwandte, aber trotzdem in ihrer Genom-Größe differierende Arten.

Genvergleich eng verwandter Arten

Daher haben Forscher um Detlef Weigel am Max-Planck-Institut (MPI) für Entwicklungsbiologie in Tübingen zusammen mit einem internationalen Forscherteam eine Art aus dem engen Umfeld der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), der wohl bestuntersuchten Blütenpflanze in der Genetik, für Evolutionsuntersuchungen ausgewählt. Die Wahl fiel auf die Leierblatt-Felsenkresse (Arabidopsis lyrata), die sich, anders als die Ackerschmalwand, nicht selbst befruchten kann. „Ackerschmalwand und Leierblatt-Felsenkresse hatten noch vor rund zehn Millionen Jahren einen gemeinsamen Vorfahren, dann trennten sich ihre Entwicklungslinien“, erklärt Ya-Long Guo vom MPI für Entwicklungsbiologie.

Fast doppelt so viele Basenpaare

Das Genom der Ackerschmalwand ist schon seit längerem vollständig entschlüsselt: Es umfasst eine Folge von 125 Millionen Basenpaaren, darunter 27.025 Gene, die sich auf fünf Chromosomen verteilen. Die Sequenzierung des Genoms eines nordamerikanischen Stamms der Leierblatt-Felsenkresse ergab nun für diese Art eine um mehr als die Hälfte längere Basenfolge von 207 Millionen Buchstaben. Diese Buchstabenfolgen ergeben allerdings nicht in allen Bereichen sinnvolle Wörter und Texte, so dass die Zahl der Gene zwischen den beiden Arten der Kreuzblütengewächse nicht ganz so stark differiert: rund 32.670 Gene sind es bei der Leierblatt-Felsenkresse – verteilt auf acht Chromosomen.

Selektionsvorteil durch gekürztes Genom?

Die Analysen zeigen, dass diese Unterschiede vor allem durch DNA-Verlust bei der Ackerschmalwand zustande kamen: Die Forscher fanden Hunderttausende von kleinen Kürzungen, meist in Bereichen zwischen den Genen oder in beweglichen genetischen Elementen, den Transposons. An einigen Stellen des Ackerschmalwand-Genoms sind zudem umfangreiche Teile entfallen. Nach Erkenntnissen der Wissenschaftler gehen auch aktuell weiterhin Elemente aus dem Genom der Ackerschmalwand verloren.

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„Wir gehen davon aus, dass bei der Leierblatt-Felsenkresse die genetische Ausstattung der gemeinsamen Vorfahren weitgehend erhalten geblieben ist, auch sie hatten acht Chromosomen. Die Ackerschmalwand mit ihrem schlankeren Genom sehen wir als in der Evolution abgeleitete Form an“, sagt Ya-Long Guo.

Für den Tübinger Forscher war dennoch überraschend, um wie viel größer das Genom der Leierblatt-Felsenkresse gegenüber dem der Ackerschmalwand ist. Bei der Selektion scheint ein kleineres Genom Vorteile zu haben. Dafür spricht auch, dass bei der Ackerschmalwand vor allem solche Transposons eliminiert wurden, die negativ auf die umliegenden Gene wirken. Mit ihrer Analyse haben die Forscher die Voraussetzungen für weitere Erkenntnisse darüber geschaffen, wie die Evolution auf der Ebene der Gene und Moleküle bei Pflanzen wirken kann. (Nature Genetics, 2011; doi: 10.1038/ng.807)

(Max-Planck-Gesellschaft, 11.04.2011 – NPO)

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