Auf den ersten Blick der uralte Wasserfarn Azolla filiculoides ist bescheiden. Es ist in jeder Hinsicht winzig, mit mückengroßen Blättern, die bequem auf der Spitze Ihres kleinsten Fingers sitzen können.

Aber diese Miniaturpflanze hat mehr zu bieten, als man auf den ersten Blick sieht. Einige Forscher glauben, dass seine Stickstofffixierungsfähigkeiten und seine insektenresistenten Eigenschaften in der Landwirtschaft genutzt werden könnten, um die Welt zu ernähren. Andere glauben, dass seine Fähigkeit, Kohlendioxid mit hohen Raten zu absorbieren, dazu beitragen könnte, die hohen Konzentrationen des berüchtigten Treibhausgases in der Atmosphäre zu reduzieren.

Eine neuere Studie Sequenzierung des gesamten Genoms des winzigen Farns ist der erste Schritt, um zu verstehen, wie er am besten dazu beiträgt, die wachsende Weltbevölkerung zu ernähren und den Klimawandel zu bekämpfen.

Die Studie ist das erste Mal, dass ein Farngenom vollständig sequenziert wurde.

Der Grund dafür ist, dass Farnarten berüchtigt lange Genome haben, was sie zu unattraktiven Optionen für die Genomsequenzierung macht. Bei den Farngenomen handelt es sich im Durchschnitt um 12-Gigabasen oder um 12-Milliarden-Basenpaare von DNA-Sequenzen, einige sind jedoch so lang wie 148-Gigabasen. Das AzollaDas Genom von .75 ist bei bescheidenen .XNUMX-Datenbanken relativ kurz.

In der Studie kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Nature Plantssequenzierten die Forscher die Gesamtheit der Azolla Genom, sowie das Genom einer zweiten Farnart, Salvinia cucullata.

Das Projekt wurde durch Crowdsourcing finanziert und erhielt von den Unterstützern von 22,160 $ 147 - 123 Prozent des geplanten Ziels Experiment.com. Während die Forscher ursprünglich nur die Sequenzierung planten Azolla Das zusätzliche Geld ermöglichte es ihnen, die Studie zu erweitern und die Salvinia Genom auch.

Über 40-Wissenschaftler aus der ganzen Welt nahmen an der Studie teil, die von geleitet wurde Fay-Wei Li, ein Pflanzenevolutionsbiologe am Boyce Thompson Institute (BTI) und stellvertretender Assistenzprofessor für Biologie an der Cornell University, und Kathleen M. PryerProfessor am Department of Biology der Duke University.

Warum zum Azolla ist so wichtig

Das Azolla kann sowohl Kohlendioxid als auch Stickstoff mit einer hohen Rate absorbieren und ist genetisch mit Insektenresistenz codiert.

Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften glauben einige Wissenschaftler, dass der winzige Farn einen großen Einfluss auf eine Vielzahl von Gebieten haben könnte.

"Azolla hat eine wirklich coole Biologie und Evolutionsgeschichte “, sagte Li. “Azolla geht eine Symbiose mit Cyanobakterien zur Stickstofffixierung ein und wird aus diesem Grund seit hundert Jahren in Asien als Gründüngung und Zwischenfrucht für Reisfelder verwendet.

"Außerdem, trotz seiner winzigen Statur, Azolla hat eine wichtige Rolle in der geologischen Geschichte der Erde gespielt. Vor ungefähr 50 Millionen Jahren fand in der Arktis eine riesige Azolla-Blüte statt, bei der eine erhebliche Menge Kohlendioxid abgebaut wurde, die die Erde wahrscheinlich ein wenig abkühlte - Geologen nennen dies das „Azolla-Ereignis“. "

Die Studie

Die Genomsequenz von Azolla enthüllte den Ursprung des Proteins hinter der Insektenresistenz des Farns. Das Auffinden der genetischen Informationen hinter dieser Eigenschaft könnte es Wissenschaftlern ermöglichen, Insektenresistenzen in andere Pflanzenarten zu kodieren.

"Wenn man in einen Wald geht, ist es normalerweise sehr auffällig, dass Farne keine Anzeichen von Insektenschäden aufweisen", sagte Li. „Vor einigen Jahren wurde aus Farnen ein hochwirksames insektizides Protein isoliert, und als das für dieses Protein kodierende Gen in Baumwollpflanzen eingeführt wurde, zeigten die transgenen Baumwollpflanzen eine bemerkenswerte Resistenz gegen Insektenschädlinge.

„Wir haben festgestellt, dass dieses Gen nur in Farngenomen vorkommt und wahrscheinlich durch horizontalen Gentransfer von Bakterien stammt. Mit anderen Worten, die Fähigkeit von Farnen, Insektenfresser abzuwehren, beruht wahrscheinlich auf einer 'genetischen Gabe' von Bakterien. “

Die Genomsequenz der Studie enthüllte auch Schlüsselmerkmale der AzollaStickstofffixierung Fähigkeiten.

Der Farn hat eine symbiotische Beziehung zu den Cyanobakterien Nostoc Azollae, ein blaugrünes Bakterium, das in winzigen Taschen im Farnblatt sitzt und seine Energie durch Photosynthese gewinnt und Sauerstoff produziert. Die Cyanobakterien fixieren Stickstoff, der von der Azolla, während der Farn die Cyanobakterien in Form von Zucker füttert.

Durch ihre Analyse des Genoms zeigten die Forscher eindeutige Hinweise auf eine Spekulation zwischen dem Azolla und die Cyanobakterien.

Es ist diese Eigenschaft, die dem Farn so viel Potenzial gibt, in der Landwirtschaft als natürlicher Ersatz für Düngemittel auf Stickstoffbasis verwendet zu werden. Es ist auch der Hauptgrund, warum es seit Jahrhunderten als Gründüngung und Zwischenfrucht für Reisfelder verwendet wird.

Aber es ist das Azolla's Fähigkeit zur Absorption von Kohlendioxid, die von Forschern, die glauben, dass die Pflanze bei der Reduzierung des globalen Kohlendioxidgehalts nützlich sein könnte, besondere Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat.

Die dichte Blüte, die vor Millionen von Jahren die Arktis bedeckte, zog bis zu 10 Billionen Tonnen Kohlendioxid an. Wissenschaftler untersuchen nun die Pflanze, um zu sehen, ob dies möglich ist heute in ähnlicher Weise genutzt.

Die Sequenzierung des Genoms ist der erste Schritt, um zu verstehen, wie die Azolla kann im Kampf gegen den Klimawandel eingesetzt werden.

"Mit diesen ersten Genomdaten von Farnen kann die Wissenschaft wichtige Erkenntnisse für das Verständnis der Pflanzengene gewinnen", sagte Li in einer Erklärung. "Wir können jetzt seine Eigenschaften als nachhaltiges Düngemittel erforschen und vielleicht Kohlendioxid aus der Atmosphäre gewinnen."

Was kommt als nächstes?

Li glaubt, dass die Studie wichtige Auswirkungen auf die zukünftige Forschung haben könnte.

Als Teil der 10K-Pflanzengenomprojektarbeiten die Forscher mit dem Beijing Genomics Institute in Shenzhen, China, um den Farnbaum des Lebens strategisch für die Genomsequenzierung zu untersuchen, sagte Li.

Sie haben bereits 10-Farnspezies für die Genomsequenzierung markiert, was es leicht macht, sich eine nahe Zukunft vorzustellen, in der die Forscher dieses Ziel erreicht haben.

Dies würde viele Rätsel aufklären - es könnte zum Beispiel aufdecken, warum das Farngenom so groß ist - und den Forschern im Allgemeinen ein weitaus tieferes Verständnis der Struktur und Evolution des Farngenoms vermitteln.

"Farne sind einer der spezifischsten Zweige im Pflanzenbaum des Lebens, aber es waren keine genomischen Daten verfügbar - in der Tat waren Farne die einzige Pflanzenlinie, der ein Referenzgenom fehlte", sagte Li.

„Mit diesen beiden Farngenomen ist es nun endlich möglich, die Gen- und Genomentwicklung über den gesamten Lebensbaum hinweg zu vergleichen. Wir gehen davon aus, dass unsere genomischen Ressourcen viele neue Forschungsrichtungen eröffnen und zu vielen coolen Entdeckungen führen werden! “