Bregner får endelig et genom, hvilket afslører en historie med DNA-hamstring og kleptomani

Bregner er berygtet for at indeholde enorme mængder DNA og et alt for stort antal kromosomer. Trodser alle forventninger, har en bregne, der ikke er større end en middagstallerken, i øjeblikket titlen for det højeste kromosomtal, med hele 720 par proppet ind i hver af dens kerner. Denne forkærlighed for bregner til at hamstre DNA har slået videnskabsmændene i stå, og den uoverskuelige størrelse af deres genomer har gjort det vanskeligt at sekvensere, samle og fortolke dem.

Nu er to artikler offentliggjort i tidsskriftet Nature Plants omskriver historien med de første genomer i fuld længde for homosporøse bregner, en stor gruppe, der indeholder 99 % af al moderne bregnediversitet.

"Hvert genom fortæller en anden historie," sagde medforfatter Doug Soltis, en fremtrædende professor ved Florida Museum of Natural History. "Bregner er de nærmeste levende slægtninge til alle frøplanter, og de producerer kemiske afskrækkende midler til planteædere, som kan være nyttige til landbrugsforskning. Alligevel har de indtil nu forblevet den sidste store afstamning af grønt liv uden en genomsekvens."

To hold af forskere afslørede hver for sig genomet af Ceratopteris (Ceratopteris richardii) denne torsdag og genomet fra den flyvende edderkoppe-abetræbregne (Alsophila spinulosa) i sidste måned.

Analyse af Ceratopteris-genomet giver hints til at løse det mangeårige mysterium om, hvorfor bregner i gennemsnit bevarer mere DNA end andre planter. Sammenligninger med genomer fra andre grupper førte også til den overraskende opdagelse, at bregner stjal generne for flere af deres anti-urteædende toksiner fra bakterier.

Ceratopteris-genomet giver penge til en årtier gammel teori og efterlader flere spørgsmål end svar

Siden 1960'erne har den mest foretrukne forklaring på, hvorfor bregner indeholder så meget DNA, påberåbt sig voldsomme hel-genomduplikationer, hvor et ekstra sæt kromosomer ved et uheld overføres til en organismes afkom. Dette kan nogle gange være gavnligt, da alle de ekstra gener så kan bruges som råmateriale til udviklingen af ​​nye egenskaber. Faktisk er hel-genomduplikation blevet impliceret i oprindelsen af ​​næsten alle afgrødeplanter.

Helgenomduplikering er almindelig hos planter og endda nogle dyr, men de fleste organismer har en tendens til at kassere den ekstra genetiske bagage over tid, hvilket slanker sig tilbage til mindre genomer, der er metabolisk nemmere at vedligeholde.

"Dette har været et vigtigt diskussionspunkt i det sidste halve århundrede og har ført til alle slags modstridende resultater," sagde hovedforfatter Blaine Marchant, en postdoktor ved Stanford University og tidligere kandidatstuderende i Florida Museum. "At prøve at finde ud af den evolutionære proces, der ligger til grund for dette paradoks, er utrolig vigtigt."

Med de første fuldt samlede homosporøse bregne-genomer var videnskabsmænd endelig parate til at løse dette spørgsmål, men det var ikke let at komme dertil. Sekvensering af det store, komplekse genom af Ceratopteris tog over otte års arbejde og den kombinerede indsats fra snesevis af forskere fra 28 institutioner rundt om i verden, herunder det amerikanske Department of Energy Joint Genome Institute. Det endelige resultat var 7,46 gigabaser DNA, mere end dobbelt så stor som det menneskelige genom.

Hvis Ceratopteris havde samlet op på DNA gennem gentagne genomduplikationshændelser, forventede forskerne, at store dele af dets 39 kromosompar ville være identiske. Det, de fandt i stedet, var en blandet pose af gentagne sekvenser og millioner af korte snipper kaldet springgener, som tegnede sig for 85 % af bregnens DNA. I stedet for flere genomkopier, indeholder Ceratopteris for det meste genetiske affald akkumuleret over millioner af år.

"De funktionelle gener er adskilt af store mængder repetitivt DNA. Og selvom vi endnu ikke er sikre på, hvordan Ceratopteris og andre bregne-genomer blev så store, er det klart, at den fremherskende opfattelse af gentagne episoder af genomduplikering ikke understøttes," sagde medforfatter Pam Soltis, en kurator i Florida Museum og en fremtrædende professor.

Forfatterne bemærker, at det er for tidligt at drage nogen faste konklusioner, især da dette er den første analyse af dens omfang udført i denne gruppe. Krydssammenligninger med yderligere bregne-genomer nede ad vejen vil hjælpe med at tegne et klarere billede af, hvordan disse planter udviklede sig.

Alligevel peger resultaterne på en klar forskel i den måde, homosporøse bregner administrerer deres genetiske indhold på sammenlignet med næsten alle andre planter, sagde Marchant.

"Det, vi ser ud til at finde ud af, er, at ting som blomstrende planter, der i gennemsnit har meget mindre genomer end bregner, bare er bedre til at slippe af med junk-DNA. De er bedre til at droppe reservekromosomer og endda reducere efter små duplikationer."

Begner stjal gentagne gange toksiner fra bakterier

Et nærmere kig på milliarder af DNA-basepar i Ceratopteris afslørede flere forsvarsgener, der koder for en særlig skummel type poredannende toksin. Disse toksiner binder sig til celler, hvor de bliver aktiveret og danner små, hule ringe, der slår sig ind i cellemembranen. Vand strømmer ind i cellerne gennem de resulterende huller, hvilket får dem til at briste.

Poredannende toksiner er blevet intensivt undersøgt af forskere for deres potentielle brug i nanopore-teknologi, forklarede Marchant. Oftest findes de dog i bakterier.

"Dette er det første konkrete bevis på disse bakterielle toksin-relaterede gener i bregne-DNA," sagde Marchant og bemærkede, at ligheden ikke er en tilfældighed.

I stedet for at udvikle dette toksin alene, ser Ceratopteris ud til at have fået det direkte fra bakterier gennem en proces kaldet horisontal genoverførsel. Og i betragtning af, at der var flere kopier af genet spredt ud mellem tre separate kromosomer, er det sandsynligt, at dette skete mere end én gang.

"Det fascinerende er, at de mange kopier af disse gener dukker op i forskellige dele af planten," sagde han. "Nogle er stærkt udtrykt i stilken og rødderne, mens andre kopier udelukkende udtrykkes i bladene, og andre er generelt udtrykt på tværs af alle væv. Vi kan ikke være sikre på den nøjagtige funktion af disse gener på dette tidspunkt, men deres lighed med de toksin-dannende gener i bakterier tyder bestemt på, at disse gener er forsvarsrelaterede."

Dette ville ikke være første gang bregner har inkorporeret fremmed DNA i deres genomer. En undersøgelse fra 2014 viser, at bregner kan have udviklet deres karakteristiske evne til at vokse i skyggefulde omgivelser ved at låne gener fra fjernt beslægtede planter.

Men præcis hvordan organismer adskilt af millioner af års evolution er i stand til at bytte fuldt funktionelle gener, er stadig uklart.

"Mekanismerne bag horisontal genoverførsel forbliver et af de mindst undersøgte områder af landplanteevolution," forklarede Doug Soltis. "Over evolutionære tidsskalaer er det lidt ligesom at vinde i lotteriet. Hver gang en plante bliver såret, er dens indre modtagelig for invasion fra mikrober, men det virker fantastisk at deres DNA bliver inkorporeret i genomet."

Forfatterne siger, at dette blot er det første skridt i en lang række undersøgelser med praktiske anvendelser lige fra udviklingen af ​​nye biopesticider til innovative nye bevaringsstrategier.

Flere af forfatterne er involveret i den nuværende indsats for at sekventere genomerne af alle kendte eukaryote organismer inden for en 10-årig tidsramme. Kaldet Earth Biogenome Project, vil bestræbelsen generere utallige genomiske ressourcer, som forskere vil have hænderne fulde med at analysere i en overskuelig fremtid. + Udforsk yderligere

Træbregne-genom giver indsigt i dets udvikling