Varens zijn berucht omdat ze enorme hoeveelheden DNA en een te groot aantal chromosomen bevatten. Alle verwachtingen tartend, heeft een varen die niet groter is dan een bord momenteel de titel voor het hoogste aantal chromosomen, met maar liefst 720 paren gepropt in elk van zijn kernen. Deze voorliefde van varens voor het hamsteren van DNA heeft wetenschappers met stomheid geslagen, en de onhandelbare grootte van hun genomen heeft het moeilijk gemaakt om ze te sequensen, samen te stellen en te interpreteren.

Nu zijn er twee artikelen gepubliceerd in het tijdschrift Nature Plants herschrijven de geschiedenis met de eerste volledige genomen voor homosporous varens, een grote groep die 99% van alle moderne varendiversiteit bevat.

"Elk genoom vertelt een ander verhaal", zegt co-auteur Doug Soltis, een vooraanstaande professor bij het Florida Museum of Natural History. "Varens zijn de nauwste levende verwanten van alle zaadplanten en ze produceren chemische afschrikmiddelen voor herbivoren die nuttig kunnen zijn voor landbouwonderzoek. Maar tot nu toe zijn ze de laatste belangrijke lijn van groen leven gebleven zonder een genoomsequentie."

Twee teams van onderzoekers onthulden deze donderdag het genoom van Ceratopteris (Ceratopteris richardii) en vorige maand dat van de vliegende spinaapboomvaren (Alsophila spinulosa).

Analyse van het Ceratopteris-genoom biedt hints voor het oplossen van het al lang bestaande mysterie waarom varens gemiddeld meer DNA vasthouden dan andere planten. Vergelijkingen met genomen van andere groepen leidden ook tot de verrassende ontdekking dat varens de genen voor verschillende van hun anti-herbivore toxines van bacteriën hebben gestolen.

Het Ceratopteris-genoom gaat in tegen een decennia-oude theorie en laat meer vragen dan antwoorden achter

Sinds de jaren zestig riep de meest populaire verklaring voor waarom varens zoveel DNA bevatten ongebreidelde duplicaties van het hele genoom op, waarbij een extra set chromosomen per ongeluk wordt doorgegeven aan de nakomelingen van een organisme. Dit kan soms gunstig zijn, omdat alle extra genen dan kunnen worden gebruikt als grondstof voor de evolutie van nieuwe eigenschappen. In feite is duplicatie van het hele genoom betrokken bij de oorsprong van bijna alle gewassen.

Duplicatie van het hele genoom komt veel voor bij planten en zelfs bij sommige dieren, maar de meeste organismen hebben de neiging om de extra genetische bagage in de loop van de tijd overboord te gooien en af ​​te slanken tot kleinere genomen die metabolisch gemakkelijker te onderhouden zijn.

"Dit is de afgelopen halve eeuw een belangrijk discussiepunt geweest en heeft tot allerlei tegenstrijdige resultaten geleid", zegt hoofdauteur Blaine Marchant, een postdoctoraal onderzoeker aan de Stanford University en voormalig afgestudeerde student van het Florida Museum. "Het is ongelooflijk belangrijk om het evolutionaire proces dat aan deze paradox ten grondslag ligt te achterhalen."

Met de eerste volledig geassembleerde homosporeuze varengenomen, waren wetenschappers eindelijk bereid om deze vraag aan te pakken, maar het was niet eenvoudig om daar te komen. Het sequencen van het grote, complexe genoom van Ceratopteris vergde meer dan acht jaar werk en de gezamenlijke inspanning van tientallen onderzoekers van 28 instellingen over de hele wereld, waaronder het Joint Genome Institute van het Amerikaanse Department of Energy. Het uiteindelijke resultaat was 7,46 gigabases aan DNA, meer dan het dubbele van het menselijk genoom.

Als Ceratopteris DNA had opgehoopt door herhaalde genoomduplicatiegebeurtenissen, verwachtten onderzoekers dat grote delen van zijn 39 chromosoomparen identiek zouden zijn. Wat ze in plaats daarvan vonden, was een allegaartje van repetitieve sequenties en miljoenen korte fragmenten, springgenen genaamd, die 85% van het DNA van de varen uitmaakten. In plaats van meerdere genoomkopieën, bevat Ceratopteris voornamelijk genetisch afval dat zich in de loop van miljoenen jaren heeft opgehoopt.

"De functionele genen worden gescheiden door grote hoeveelheden repetitief DNA. En hoewel we nog niet zeker weten hoe de Ceratopteris en andere varengenomen zo groot zijn geworden, is het duidelijk dat de heersende opvatting van herhaalde afleveringen van genoomduplicatie niet wordt ondersteund," zei co-auteur Pam Soltis, curator van het Florida Museum en vooraanstaande professor.

De auteurs merken op dat het te vroeg is om harde conclusies te trekken, vooral omdat dit de eerste analyse van de reikwijdte is die in deze groep is uitgevoerd. Kruisvergelijkingen met aanvullende varengenomen op de weg zullen helpen om een ​​duidelijker beeld te krijgen van hoe deze planten evolueerden.

Toch wijzen de resultaten op een duidelijk verschil in de manier waarop homosporeuze varens hun genetische inhoud beheren in vergelijking met bijna alle andere planten, zei Marchant.

"Wat we lijken te vinden, is dat dingen zoals bloeiende planten, die gemiddeld veel kleinere genomen hebben dan varens, gewoon beter zijn in het verwijderen van junk-DNA. Ze zijn beter in het laten vallen van reservechromosomen en zelfs inkrimpen na kleine duplicaties."

Varens stalen herhaaldelijk gifstoffen van bacteriën

Een nadere blik op de miljarden DNA-basenparen in Ceratopteris onthulde meerdere verdedigingsgenen die coderen voor een bijzonder sinister type porievormend toxine. Deze gifstoffen binden zich aan cellen, worden geactiveerd en vormen kleine, holle ringen die zich een weg banen in het celmembraan. Water stroomt door de gaten in de cellen, waardoor ze scheuren.

Poriënvormende toxines zijn intensief bestudeerd door wetenschappers voor hun potentiële gebruik in nanoporiëntechnologie, legde Marchant uit. Meestal worden ze echter aangetroffen in bacteriën.

"Dit is het eerste concrete bewijs van deze bacteriële toxine-gerelateerde genen in varen-DNA," zei Marchant, erop wijzend dat de gelijkenis geen toeval is.

In plaats van dit toxine alleen te ontwikkelen, lijkt Ceratopteris het rechtstreeks van bacteriën te hebben verkregen via een proces dat horizontale genoverdracht wordt genoemd. En aangezien er meerdere kopieën van het gen waren verspreid over drie afzonderlijke chromosomen, is het waarschijnlijk dat dit meer dan eens is gebeurd.

"Wat fascinerend is, is dat de vele kopieën van deze genen in verschillende delen van de plant verschijnen," zei hij. "Sommige komen sterk tot expressie in de stengel en wortels, terwijl andere kopieën alleen in de bladeren tot expressie komen, en andere komen over het algemeen tot expressie in alle weefsels. We kunnen op dit moment niet zeker zijn van de exacte functie van deze genen, maar hun overeenkomst met de toxinevormende genen in bacteriën suggereren zeker dat deze genen defensiegerelateerd zijn."

Dit zou niet de eerste keer zijn dat varens vreemd DNA in hun genomen hebben opgenomen. Een onderzoek uit 2014 geeft aan dat varens hun karakteristieke vermogen om te groeien in schaduwrijke omgevingen mogelijk hebben ontwikkeld door genen te lenen van verre verwante planten.

Het blijft echter onduidelijk hoe organismen die door miljoenen jaren evolutie van elkaar zijn gescheiden, volledig functionele genen kunnen uitwisselen.

"De mechanismen achter horizontale genoverdracht blijven een van de minst onderzochte gebieden van de evolutie van landplanten", legt Doug Soltis uit. "Over evolutionaire tijdschalen is het een beetje zoals het winnen van de loterij. Elke keer dat een plant gewond raakt, is het interieur vatbaar voor invasie van microben, maar het lijkt verbazingwekkend dat hun DNA in het genoom wordt opgenomen."

De auteurs zeggen dat dit slechts de eerste stap is in een lange reeks studies met praktische toepassingen, variërend van de ontwikkeling van nieuwe biopesticiden tot innovatieve nieuwe conserveringsstrategieën.

Verschillende van de auteurs zijn betrokken bij de huidige poging om de genomen van alle bekende eukaryote organismen binnen een tijdsbestek van 10 jaar te sequensen. Met de naam Earth Biogenome Project, zal het streven onnoemelijke genomische bronnen genereren die onderzoekers in de nabije toekomst hun handen vol zullen hebben om te analyseren. + Verder verkennen

Genoom van boomvaren geeft inzicht in zijn evolutie