Lang lebe der Lotos

Genom der sonderbaren Pflanze vollständig sequenziert

23.05.2013 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Warum überdauern Lotossamen Jahrtausende? Mit der Entschlüsselung des Genoms geht die Suche nach den verantwortlichen Genen jetzt erst richtig los. (Quelle: © istockphoto.com / Hsing-Wen Hsu)

Warum überdauern Lotossamen Jahrtausende? Mit der Entschlüsselung des Genoms geht die Suche nach den verantwortlichen Genen jetzt erst richtig los. (Quelle: © istockphoto.com / Hsing-Wen Hsu)

Das älteste Samenkorn, das jemals zur Keimung gebracht worden ist, stammt von der Indischen Lotosblume (Nelumbo nucifera) und war 1300 Jahre alt. Jetzt ist das Genom dieser Pflanze entschlüsselt und Forscher hoffen, darin auf „Jungbrunnen“-Gene zu stoßen.

Die indische Lotosblume wird in asiatischen Kulturen für viele Dinge geschätzt. Ihre Wurzelknollen, Samen und Blätter dienen als Nahrungsmittel und nahezu alle Teile der Pflanze werden in der Naturheilkunde eingesetzt. Ihr Anwendungsspektrum reicht von Durchfall bis Depression, von Herzproblemen bis Hodenkrebs. Hierzulande schätzt man vor allem die Selbstreinigungskraft der Lotosblätter, die das biologische Vorbild für selbstreinigende Fassadenfarbe und Autolacke waren.

Von besonderem Interesse für die Wissenschaftler ist die Langlebigkeit der Lotossamen. Anfang der 1990er Jahre fanden sie einen 1300 Jahre alten Lotossamen, der nichts an seiner Keimfähigkeit eingebüßt hatte. Dass das kein Einzelfall war, bestätigte sich einige Jahre später, als die Forscher mit Hilfe von einheimischen Bauern in der Provinz Liaoning in China etwa einhundert Lotossamen sammelten, die alle zwischen 450 und 500 Jahre alt waren. Achtzig Prozent davon keimten im Labor aus. Die Samen vieler anderer Pflanzen bleiben meist nicht länger als zwanzig Jahre lebensfähig.

Jetzt ist es den Wissenschaftlern gelungen, das Genom der Lotospflanze zu entschlüsseln. Die schätzungsweise 27.000 Gene liegen Buchstabe für Buchstabe vor Ihnen. Dabei fiel den Forschern auf, dass das Erbgut der Lotosblume sich nur sehr gemächlich verändert. Die Mutationsrate der DNA ist etwa dreißig Prozent langsamer als die der Weintraube, deren Genom bisher als das am langsamsten evolvierende galt.

Der Lotos: Ein genetisches Fossil?

Aus diesem Grund ist der Lotos auch so interessant für Evolutionsbiologen. Bereits vor mehr als 125 Millionen Jahren hat sich der Lotos von dem gemeinsamen Vorfahren der Eudikotyledonen abgespaltet und eigenständig entwickelt. Eigenständig, aber eben sehr langsam. Das zeigt der hohe Anteil an ursprünglichen Genen, die im Lotosgenom enthalten sind. In schneller evolvierenden Pflanzen sind diese längst verloren gegangen. Aufgrund der großen Ähnlichkeit zum gemeinsamen Vorfahr erhoffen Forscher sich einen tieferen Einblick in die Entwicklungsgeschichte der Blütenpflanzen.

Als Ursache für die besonders langsame Evolution gibt es mehrere Vermutungen: Zum könnte die  Langlebigkeit der Samen dazu beigetragen haben, dass der Lotos evolutionär von den anderen Blütenpflanzen so weit abgeschlagen ist. ­­ Da die Samen extrem lange keimfähig bleiben, könnte es passieren, dass sich zwei Lotospflanzen kreuzen, die aus ganz unterschiedlich alten Samen entstanden sind. Die neu aufgetretenen Mutationen in der jüngeren Pflanze werden bei so einer Kreuzung gleich wieder von den alten, unveränderten Genen überdeckt. Evolution? Fehlanzeige.

Auch die asexuelle, vegetative Vermehrung über Rhizome, die z.B. von Erdbeeren und Kartoffeln bekannt ist, wirkt einer Entwicklung neuer Eigenschaften entgegen. Bei der Bildung von Ablegern, Knollen oder Rhizomen sind die neuen Pflanzen einfach nur Klone der Elternpflanze und eine Vermischung und Neukombination des Erbguts findet nicht statt. Neue Eigenschaften entstehen so ebenfalls nicht.

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Lotosblumen besitzen viele faszinierende Eigenschaften. Ihre Blätter sind

Lotosblumen besitzen viele faszinierende Eigenschaften. Ihre Blätter sind "selbstreinigend" und in der chinesischen Heilkunde werden der Lotusblüte heilende Kräfte zugeschrieben.

Bildquelle: © iStockphoto.com/ Aimin Tang

Genomverdoppelungen als Spielwiese der Evolution

Was sich jedoch positiv auf die Evolution auswirkt, sind Genomduplikationen. Die sind bei Pflanzen häufig anzutreffen. Viele bekannte Kulturarten wie Weizen, Kartoffel und Baumwolle haben ihre Genome im Laufe der Evolution verdoppelt oder verdreifacht und sogar mit Genomen anderer Arten kombiniert.

Die Pflanzen nutzen die mehrfach Kopien der Gene als Spielwiese für Veränderungen. Günstige Mutationen werden beibehalten und verbessern die Überlebenschancen. Schädliche Mutationen können gefahrlos gelöscht werden, schließlich ist eine Sicherheitskopie des gleichen Gens noch vorhanden. Auf diese Weise verschwindet nach und nach ein Großteil der doppelten Gene wieder. Nur bei Lotos sind auch nach 65 Millionen Jahren noch fast vierzig Prozent davon vorhanden. Ein Paradies für Forscher, die herausfinden wollen, wie sich Gene entwickeln und neue Eigenschaften annehmen.

Was mutiert wird im Lotosgenom schnell wieder repariert

Eine weitere Ursache, warum gerade der Lotos im Vergleich zu anderen Blütenpflanzen im Schneckentempo evolviert, sehen die Wissenschaftler in den besonders effektiven DNA-Reparaturmechanismen der Lotospflanze. Die Reparaturenzyme arbeiten anscheinend so effektiv, dass Mutationen ausradiert werden, bevor sie sich als dauerhafte Erbgutveränderung niederschlagen können.

Daraus könnten sich auch neue medizinische Anwendungsmöglichkeiten ergeben. Denn im Erbgut jedes Lebewesens treten ständig Fehler auf. DNA-Stränge zerbrechen und müssen geflickt werden, Basen werden versehentlich falsch eingebaut oder gar gelöscht. Solche Mutationen können harmlos sein und unbemerkt bleiben oder aber zu unkontrolliertem Zellwachstum und damit zu Krebs führen. Wenn Menschen so gute Reparaturenzyme hätten wie die Lotospflanze, dann wären schädliche Mutationen in unserer DNA seltener.

„Zu verstehen, wie der Reparaturmechanismus der Lotospflanzen funktioniert und welche möglichen Anwendungen für die menschliche Gesundheit sich daraus ergeben, ist im Prinzip ein dreistufiger Prozess“, erklärt Crysten Blaby-Haas, eine der Autorinnen der Studie. Die Genomsequenzierung war nur der Erste. Die richtigen Gene zu finden und therapeutisch anzuwenden sind die nächsten Herausforderungen.

Der Startschuss für die Suche nach den Jungbrunnen-Genen ist gefallen

Der indische Lotos ist die erste echte Wasserpflanze, deren Genom bisher sequenziert wurde. Die Genomanalyse der Forscher liefert auch erste Hinweise, dass der Lotos bestimmte Genfamilien als besondere Anpassung an das Leben im Wasser erweitert hat. Einige von ihnen sind beispielsweise für die Ausbildung der wasserabweisenden Wachsschicht auf den Blättern verantwortlich. Andere ermöglichen es der Pflanze in nährstoffarmen Gewässern zu wachsen.

Das entschlüsselte Lotosgenom soll vor allem helfen, Gene aufzuspüren, die für die Langlebigkeit der Samen und den besonders wirksamen Reparaturmechanismus verantwortlich sind. Auch über weitere, agronomisch wichtige Eigenschaften wie die Qualität und den Ertrag der Rhizome, Nährstoffgehalt und Größe der Samen, Blütenarchitektur und Blütezeit soll das Lotosgenom Aufschluss geben. Die Suche nach den „Jungbrunnen“-Genen hat begonnen.


Quelle:

Ming, R. et al. (2013): Genome of the long-living sacred lotus (Nelumbo nucifera Gaertn.). In Genome-Biology, (Online-Veröffentlichung, 10. Mai 2013). Doi: 10.1186/gb-2013-14-5-r41

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Titelbild: Warum überdauern Lotossamen Jahrtausende? (Quelle: © istockphoto.com / Hsing-Wen Hsu)