Der heilige asiatische Wasserlotus, Nelumbo nucifera – der Sockel der Wahl für eine Vielzahl von ägyptischen und indischen Gottheiten. Es ist leicht zu erkennen, warum. Public Domain. Klicken Sie auf das Bild für den Link.
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Für Tiere ist die Vererbung von mehr als den üblichen zwei Kopien der DNA normalerweise eine sehr schlechte Sache. Das kann passieren, wenn zwei Spermien eine Eizelle befruchten oder wenn bei der sexuellen Zellteilung ein Fehler passiert und ein Spermium oder eine Eizelle mit der doppelten zugelassenen Nutzlast zurückbleibt. Aber für tierische Embryonen ist das Ergebnis meist dasselbe: Tod.
Das gilt besonders für Säugetiere und Vögel, wo mehr als zwei Kopien – ein Zustand, der als Polyploidie bezeichnet wird – etwas produziert, das euphemistisch als „allgemeine Entwicklungsstörung“ bezeichnet wird. Praktisch gesprochen bedeutet dies eine Systemschmelze, und sie geschieht sehr schnell. Beim Menschen treten bei etwa 5 % der Fehlgeburten drei oder mehr Kopien des gesamten Genoms auf.
Bei Vögeln sind nur zwei Fälle von erfolgreicher Polyploidie bekannt, bei Säugetieren nur einer: die südamerikanische rote Viscacha-Ratte (die viel niedlicher ist, als sie klingt). Sie hat vier Kopien ihres Genoms, was sie tetraploid macht.
Polyploidie ist bei anderen Tieren etwas häufiger. Es sind einige hundert Fälle von Polyploidie bei Insekten, Reptilien, Amphibien, Krustentieren, Fischen und anderen „niederen“ Tieren bekannt. Polyploidie kann bei diesen Lebewesen oft induziert werden; eine sogenannte „triploide Forelle“ macht unter Anglern im pazifischen Nordwesten Furore. Die drei Chromosomensätze des Fisches können sich während der sexuellen Zellteilung nicht richtig paaren, was sie steril macht, ihnen aber ermöglicht, größer zu werden als ihre diploiden Verwandten, da sie keine Energie für solche Frivolitäten wie Eier, Spermien und das Anbinden verschwenden müssen. Sie wissen ja, was Angler von großen Fischen halten, und so haben „Triploide“ bereits zu den entsprechenden epischen Angelvideos inspiriert.
Obwohl Polyploidie bei Tieren nicht häufig vorkommt, wird vermutet, dass sie vor Äonen bei der Evolution von Wirbeltieren, Rochenfischen und der Lachsfamilie (zu der auch die Forellen gehören) eine Rolle gespielt haben könnte. Aber im Großen und Ganzen ist Polyploidie für Tiere eine brenzlige und oft gefährliche Angelegenheit.
Nicht so für Pflanzen, die eine eher laissez-faire Haltung gegenüber der ganzen Angelegenheit zu haben scheinen.
In meinem Beitrag von dieser Woche über ein mutiertes diploides Moos habe ich erwähnt, dass es in der Lage ist, funktionale Eier und Spermien mit zwei Kopien des Genoms statt der üblichen einen zu produzieren. Mit anderen Worten, die Nachkommen dieser Mutante wären tetraploid. Die Tatsache, dass diese Pflanzen in der Lage zu sein scheinen, lebensfähige polyploide Nachkommen zu produzieren, deutet darauf hin, dass Polyploidie bei Moosen ein Instrument der Evolution sein kann, wie es auch bei vielen anderen Pflanzen der Fall ist, so die Autoren der Arbeit, über die ich geschrieben habe.
Denn im Gegensatz zu Tieren ist Polyploidie bei Pflanzen häufig, scheinbar harmlos und wird oft von der natürlichen Selektion als Instrument der Speziation genutzt. Vielleicht tolerieren Pflanzen die Genomverdopplung besser als Tiere, weil sie von Natur aus flexiblere Körperpläne als Tiere haben und mit den damit einhergehenden groben anatomischen Veränderungen leichter zurechtkommen.
Was auch immer der Grund sein mag, Pflanzenpolyploidie ist weit verbreitet. Wissenschaftler haben geschätzt, dass die Hälfte bis zwei Drittel der Blütenpflanzen polyploid sind, darunter mehr als 99 % der Farne und 80 % der Arten in der Familie der Gräser – die Quelle von Reis, Weizen, Gerste, Hafer und Mais. Das gilt auch für einen großen Teil unserer anderen Nutzpflanzen, darunter Zuckerrohr, Kartoffeln, Süßkartoffeln, Bananen, Erdbeeren und Äpfel. Es kann gut sein, dass wir künstlich dafür selektiert haben. Bei Pflanzen scheint die Genomvervielfältigung oft dazu beizutragen, dass mehr Zeug produziert wird, was gut ist, wenn man das Zeug essen will.
Obwohl die Genomvervielfältigung bei Pflanzen durch die gleichen Mechanismen, die ich oben für Tiere erwähnt habe, von selbst passieren kann, ist das nicht der häufigste Weg. Häufiger ist sie die Folge einer zufälligen Kreuzung zweier eng verwandter Arten. Dies führt in der Regel zu sterilen Nachkommen, da die nicht übereinstimmenden Chromosomen während der sexuellen Zellteilung nichts haben, womit sie sich paaren können. Wenn diese Chimäre jedoch zufällig ihr Genom dupliziert, wird die Fruchtbarkeit durch Paarung des gemischten Loses wiederhergestellt. Gleichzeitig sind ein tetraploider Organismus und eine neue Art entstanden.
Zum Beispiel sind zwei der wichtigsten Weizensorten, die heute angebaut werden, das Ergebnis einer sequentiellen hybriden Verdopplung und Vervierfachung der Genome ihrer wilden Vorfahren. Die ursprüngliche Vorgängersorte hatte 14 Chromosomen. Heute bauen Landwirte sowohl tetraploiden Hartweizen mit 28 Chromosomen als auch hexaploiden Brotweizen mit 42 Chromosomen an. Aus Hartweizen lassen sich schmackhaftere Nudeln herstellen, während das glutenhaltige hexaploide Mehl Proteinnetzwerke bildet, die sich zu luftigerem, leichterem Brot ausdehnen.
Zwei weitere polyploide Pflanzen machten letzte Woche von sich reden: das fleischfressende Blasenkraut und der heilige Lotus. Das Blasenkraut stand im Rampenlicht dank der Entdeckung, dass es fast frei von nicht-proteinkodierender „Junk“-DNA ist, einem Material, von dem fast jeder andere komplexe Organismus überschwemmt wird, auch Sie.
Aber die winzige, insektenfressende Pflanze hat es geschafft, diese Sparsamkeit zu erreichen, trotz dreier Runden der Genomverdopplung. Theoretisch hat sie acht Kopien von jedem Gen, im Vergleich zu den zwei Kopien des Vorfahren von fast allen echten oder „Eudicots“, einer riesigen Gruppe von Blütenpflanzen. Das macht sie oktoploid. (Es könnte sogar noch ploider sein, wenn man bedenkt, dass die Eudikotyledonen ihr Genom kurz nach ihrer Entwicklung verdreifacht zu haben scheinen.) Aber in der Praxis und aus Gründen, die die Wissenschaftler nicht ganz verstehen, hat das Blasenkraut irgendwie alle bis auf eine Kopie der meisten seiner duplizierten Gene gelöscht, zusammen mit der großen Mehrheit seiner nicht-proteinkodierenden DNA. Das nenne ich Effizienz.
Die vollständige Gensequenz des heiligen Lotus wurde am 10. Mai veröffentlicht. Lotus scheint die erste Pflanze zu sein, die sich vom Rest der Eudikotyledonen abgespalten hat, noch vor der frühen Genomverdreifachung, auf die ich oben angespielt habe. Aber sie hat ihr eigenes Genom irgendwann danach separat verdoppelt. Verdächtigerweise, so berichten die Autoren des Papiers, das die Sequenz enthüllt, scheint die Verdopplung vor etwa 65 Millionen Jahren stattgefunden zu haben.
Das ist natürlich bemerkenswert, weil es genau zu der Zeit war, als unser Planet von dem Asteroiden zerstört wurde, der den Dinosauriern – aber auch etwa 60 % der Pflanzenarten – den Garaus gemacht hat. In Zeiten von Umweltstress, so stellen die Autoren fest, scheinen sich Pflanzen, die ihr Genom dupliziert haben, besser anzupassen und zu überleben. Man könnte spekulieren, dass dies dem Rohmaterial zu verdanken ist, das ein zweiter, überflüssiger Satz von Genen der natürlichen Selektion zur Verfügung stellt, um Proteine mit neuen Funktionen zu schaffen.
Viele andere Pflanzenarten scheinen ihre Genome um die Zeit des K-T Asteroideneinschlags verdoppelt zu haben, schreiben die Autoren, was darauf hindeutet, dass, was auch immer die Bedingungen zu dieser Zeit waren, Polyploidie eine gute Überlebensstrategie für Pflanzen gewesen zu sein scheint. Sie war auch eine Option, die den Tieren weit weniger zur Verfügung stand, die aus diesem und wahrscheinlich vielen anderen Gründen (ihnen fehlt z. B. die Fähigkeit einiger Pflanzen, befestigte Ruhestrukturen zu bilden und sich schlafen zu legen) schwerere Verluste erlitten. Es wird angenommen, dass vielleicht 80 % der Tierarten der Erde in der katastrophalen Folge des Einschlags ausstarben.
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