Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Lang lebe der Lotus: Genom der sonderbaren Pflanze vollständig sequenziert

04.06.2013
Das älteste Samenkorn, das jemals zur Keimung gebracht worden ist, stammt von der Indischen Lotusblume (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 Lotusblume 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.


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

Ihr Anwendungsspektrum reicht von Durchfall bis Depression, von Herzproblemen bis Hodenkrebs. Hierzulande schätzt man vor allem die Selbstreinigungskraft der Lotusblätter, die das biologische Vorbild für selbstreinigende Fassadenfarbe und Autolacke waren.

Von besonderem Interesse für die Wissenschaftler ist die Langlebigkeit der Lotussamen. Anfang der 1990er Jahre fanden sie einen 1300 Jahre alten Lotussamen, 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 Lotussamen 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 Lotuspflanze zu entschlüsseln. Die schätzungsweise 27.000 Gene liegen Buchstabe für Buchstabe vor Ihnen. Dabei fiel den Forschern auf, dass das Erbgut der Lotusblume 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 Lotus: Ein genetisches Fossil?

Aus diesem Grund ist der Lotus auch so interessant für Evolutionsbiologen. Bereits vor mehr als 125 Millionen Jahren hat sich der Lotus 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 Lotusgenom 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 Lotus evolutionär von den anderen Blütenpflanzen so weit abgeschlagen ist. ­­ Da die Samen extrem lange keimfähig bleiben, könnte es passieren, dass sich zwei Lotuspflanzen 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.

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 Lotus 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 Lotusgenom schnell wieder repariert

Eine weitere Ursache, warum gerade der Lotus im Vergleich zu anderen Blütenpflanzen im Schneckentempo evolviert, sehen die Wissenschaftler in den besonders effektiven DNA-Reparaturmechanismen der Lotuspflanze. 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 Lotuspflanze, dann wären schädliche Mutationen in unserer DNA seltener.

„Zu verstehen, wie der Reparaturmechanismus der Lotuspflanzen 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 Lotus ist die erste echte Wasserpflanze, deren Genom bisher sequenziert wurde. Die Genomanalyse der Forscher liefert auch erste Hinweise, dass der Lotus 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 Lotusgenom 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 Lotusgenom 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

Ming, R. et al. | Pflanzenforschung.de
Weitere Informationen:
http://www.pflanzenforschung.de/index.php?cID=8955

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Aus-Schalter für Nebenwirkungen
22.06.2018 | Max-Planck-Institut für Biochemie

nachricht Ein Fall von „Kiss and Tell“: Chromosomales Kissing wird fassbarer
22.06.2018 | Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

Noch mehr Reichweite oder noch mehr Nutzlast - das wünschen sich Fluggesellschaften für ihre Flugzeuge. Wegen ihrer hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten kommen daher zunehmend leichte Faser-Kunststoff-Verbunde zum Einsatz. Bei Rümpfen oder Tragflächen sind permanent Innovationen in diese Richtung zu beobachten. Um dieses Innovationsfeld auch für Flugzeugräder zu erschließen, hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF jetzt ein neues EU-Forschungsvorhaben gestartet. Ziel ist die Entwicklung eines ersten CFK-Bugrads für einen Airbus A320. Dabei wollen die Forscher ein Leichtbaupotential von bis zu 40 Prozent aufzeigen.

Faser-Kunststoff-Verbunde sind in der Luftfahrt bei zahlreichen Bauteilen bereits das Material der Wahl. So liegt beim Airbus A380 der Anteil an...

Im Focus: IT-Sicherheit beim autonomen Fahren

FH St. Pölten entwickelt neue Methode für sicheren Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen mittels Funkdaten

Neue technische Errungenschaften wie das Internet der Dinge oder die direkte drahtlose Kommunikation zwischen Objekten erhöhen den Bedarf an effizienter...

Im Focus: Innovative Handprothesensteuerung besteht Alltagstest

Selbstlernende Steuerung für Handprothesen entwickelt. Neues Verfahren lässt Patienten natürlichere Bewegungen gleichzeitig in zwei Achsen durchführen. Forscher der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) veröffentlichen Studie im Wissenschaftsmagazin „Science Robotics“ vom 20. Juni 2018.

Motorisierte Handprothesen sind mittlerweile Stand der Technik bei der Versorgung von Amputationen an der oberen Extremität. Bislang erlauben sie allerdings...

Im Focus: Temperaturgesteuerte Faser-Lichtquelle mit flüssigem Kern

Die moderne medizinische Bildgebung und neue spektroskopische Verfahren benötigen faserbasierte Lichtquellen, die breitbandiges Laserlicht im nahen und mittleren Infrarotbereich erzeugen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung im renommierten Fachblatt Optica, dass sie die optischen Eigenschaften flüssigkeitsgefüllter Fasern und damit die Bandbreite des Laserlichts gezielt über die Umgebungstemperatur steuern können.

Das Besondere an den untersuchten Fasern ist ihr Kern. Er ist mit Kohlenstoffdisulfid gefüllt - einer flüssigen chemischen Verbindung mit hoher optischer...

Im Focus: Temperature-controlled fiber-optic light source with liquid core

In a recent publication in the renowned journal Optica, scientists of Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) in Jena showed that they can accurately control the optical properties of liquid-core fiber lasers and therefore their spectral band width by temperature and pressure tuning.

Already last year, the researchers provided experimental proof of a new dynamic of hybrid solitons– temporally and spectrally stationary light waves resulting...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leben im Plastikzeitalter: Wie ist ein nachhaltiger Umgang mit Plastik möglich?

21.06.2018 | Veranstaltungen

Kongress BIO-raffiniert X – Neue Wege in der Nutzung biogener Rohstoffe?

21.06.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen im August 2018

20.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

22.06.2018 | Materialwissenschaften

Lernen und gleichzeitig Gutes tun? Baufritz macht‘s möglich!

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

GFOS und skip Institut entwickeln gemeinsam Prototyp für Augmented Reality App für die Produktion

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics