Pflanzengenome sind bekannt für ihre komplexe Struktur, und die Untersuchung polyploider Genome mit mehreren Chromosomensätzen ermöglicht es den Forschenden, tiefgreifende Fragen der Genetik zu beantworten. Eine zentrale Frage betrifft den Mechanismus der sogenannten Subgenom-Dominanz, der die Erhaltung und Ausprägung von Genen über mehrere Chromosomensätze hinweg beeinflusst. In ihrer Studie konzentrierten sich Fukushima und sein Team auf die bisher unbekannte genomische Struktur von Nepenthes gracilis und untersuchten die komplexen Beziehungen zwischen den Subgenomen.
Mithilfe moderner Hochdurchsatz-Sequenzierungstechniken und bioinformatischer Analysen konnten die Forschenden bei der tropischen Kannenpflanze eine dekaploide Genomstruktur – also zehn Chromosomensätze in einer Zelle – nachweisen. Dabei stießen sie auf eine klare 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 sind. Diese überraschende Entdeckung lässt vermuten, dass die rezessiven Subgenome einen wichtigen Beitrag zur evolutionären Anpassung der Pflanze leisten“, sagt Kenji Fukushima vom Lehrstuhl für Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik der Universität Würzburg. Dies gelte insbesondere für Merkmale wie die Kannenblätter, die zum Insektenfang verwendet werden, und die Zweihäusigkeit, also das Vorhandensein getrennter männlicher und weiblicher Pflanzen. „Wir zeigen, dass die Zweihäusigkeit bei dieser Pflanze auf X-Y Geschlechtschromosomen beruht, also ganz ähnlich wie beim Menschen vererbt wird. Diese für Pflanzen ungewöhnliche Eigenschaft entstand ebenfalls in einem der vier rezessiven Subgenome. Im Gegensatz zu menschlichen Geschlechtschromosomen gibt es bei Nepenthes jedoch nur sehr wenige Gene, die Weibchen von Männchen unterscheiden“, sagt Mathias Scharmann vom Institut für Biochemie und Biologie der Universität Potsdam.
Neben der Erforschung der Genetik von Nepenthes gracilis trägt die Studie zum allgemeinen Verständnis bei, welche Rolle Polyploidie bei der Evolution spielt und wie neue Gene entstehen. Die gewonnenen Erkenntnisse könnten auch in anderen Bereichen der Pflanzenforschung Anwendung finden und verbessern unser Verständnis von pflanzlichen Genomen und wie Pflanzen komplexe und neuartige Merkmale ausbilden können. Die Ergebnisse erlauben Rückschlüsse auf Pflanzenvielfalt und Anpassung im Allgemeinen und können etwa wertvolle Beiträge zur Landwirtschaft leisten.
Link zur Publikation: Franziska Saul, Mathias Scharmann, Takanori Wakatake, Sitaram Rajaraman, André Marques, Matthias Freund, Gerhard Bringmann, Louisa Channon, Dirk Becker, Emily Carroll, Yee Wen LowCharlotte Lindqvist, Kadeem J. Gilbert, Tanya Renner, Sachiko Masuda, Richter, Vogg, Shirasu, Todd P. Michael, Rainer Hedrich, Victor A. Albert, Kenji Fukushima: Subgenome dominance shapes novel gene evolution in the decaploid pitcher plant Nepenthes gracilis. In: Nature Plants, 23. November 2023. Doi: 10.1038/s41477-023-01562-2
Link zur vollständigen Pressemitteilung der Universität Würzburg:
https://www.uni-wuerzburg.de/aktuelles/pressemitteilungen/single/news/kannenpflanze/
Originalpublikation:
Franziska Saul, Mathias Scharmann, Takanori Wakatake, Sitaram Rajaraman, André Marques, Matthias Freund, Gerhard Bringmann, Louisa Channon, Dirk Becker, Emily Carroll, Yee Wen LowCharlotte Lindqvist, Kadeem J. Gilbert, Tanya Renner, Sachiko Masuda, Richter, Vogg, Shirasu, Todd P. Michael, Rainer Hedrich, Victor A. Albert, Kenji Fukushima: Subgenome dominance shapes novel gene evolution in the decaploid pitcher plant Nepenthes gracilis. In: Nature Plants, 23. November 2023. Doi: 10.1038/s41477-023-01562-2
Kontakt:
Dr. Mathias Scharmann, Institut für Biochemie und Biologie
Tel.: 0331/977-55 83
E-Mail: mathias.scharmannuuni-potsdampde