Genome seltener Minzsorten enthüllt

Die Minze-Familie, wissenschaftlich bekannt als Lamiaceae, ist eine der grössten Pflanzenfamilien. Diese Familie umfasst viele Arten, die wichtig für ihre medizinischen, aromatischen und dekorativen Anwendungen sind. Unter diesen Arten sind die, die zu einer speziellen Gruppe namens Nepetoideae gehören, bekannt dafür, Terpenoide zu produzieren. Das sind Verbindungen, die in vielen Pflanzen vorkommen und oft für ätherische Öle extrahiert oder in der traditionellen Kräutermedizin verwendet werden. Beliebte Beispiele aus dieser Gruppe sind Minze, Lavendel, Zitronenmelisse und Katzenminze. Die einzigartigen Düfte dieser Pflanzen stammen von den Terpenoiden, die sie produzieren. Wegen ihrer Wichtigkeit in verschiedenen Bereichen gibt es grosses Interesse an der Erforschung dieser Pflanzenfamilie, einschliesslich der Genome von 36 verschiedenen Arten.

#Neue Genom-Zusammenstellungen

In diesem Artikel besprechen wir die Genom-Zusammenstellungen von zwei Arten aus der Nepetoideae-Gruppe: Drepanocaryum sewerzowii und Marmoritis complanata. M. complanata findet man in den Himalaya-Hengduan-Bergen, einem besonderen Gebiet, das für seine reiche Biodiversität bekannt ist. Diese Region hat raue Bedingungen, weshalb Pflanzen wie M. complanata kontrollieren müssen, wie sie keimen, um zu überleben. M. complanata wird auch in der traditionellen Medizin für verschiedene Gesundheitsprobleme wie Verdauungs- und Hautprobleme verwendet. D. sewerzowii hingegen ist in einem weiten Gebiet heimisch, das Iran, Zentralasien und Pakistan umfasst. Es ist das einzige Mitglied seiner Gattung.

Beide Arten gehören zu einer Untertribe namens Nepetinae, die Teil der Minze-Familie ist. Diese Untertribe umfasst etwa 375 Arten in 9 bis 12 verschiedenen Gattungen. Die bekannteste Gattung ist Nepeta, die zwischen 200 und 300 Arten enthält. Andere verwandte Gattungen sind Dracocephalum, Hymenocrater, Lophanthus, Agastache und Schizonepeta. Die Beziehung von M. complanata und D. sewerzowii zu anderen Arten in der Gruppe, wie Katzenminze und Agastache rugosa, hat die Untersuchung ihrer Genome motiviert.

#Wachstumsbedingungen für Pflanzen

Für diese Studie wurden die Samen von D. sewerzowii aus einer Samenbank im UK bezogen, während die Samen von M. complanata an einem bestimmten Ort in China gesammelt wurden. Die Samen wurden unter kontrollierten Bedingungen mit Wasser-Agar in einem Wachstumsraum zum Keimen gebracht. Der Raum hatte einen festgelegten Lichtzyklus und Temperaturen, was den Samen beim Keimen half. Nach der Keimung wurden die Sämlinge in Töpfe mit spezieller Erde umgepflanzt, um ihr Wachstum zu fördern. Sobald die Pflanzen etabliert waren, wurde ein Individuum ausgewählt, um eine klonale Population durch Stecklinge zu erhalten.

#Schätzung der Genomgrösse

Um die Grösse des Genoms zu schätzen, wurde die Durchflusszytometrie verwendet. Diese Methode beinhaltete die Vorbereitung eines Standardreferenz mit Gewebe von Katzenminze. Ein spezieller Durchflusszytometer mass die DNA in den Pflanzenproben. Dieser Prozess ermöglichte es den Wissenschaftlern, die Genomgrösse von D. sewerzowii auf etwa 330 Megabasen zu schätzen.

#DNA-Extraktion und Sequenzierung

Hochwertige DNA wurde aus jungen Blattgeweben beider Arten mit einem speziellen DNA-Extraktionskit extrahiert. Die Reinheit und Konzentration der DNA wurden überprüft, um sicherzustellen, dass sie für die Sequenzierung geeignet war. Die Wissenschaftler konzentrierten sich darauf, kleine DNA-Fragmente zu beseitigen, um eine hochwertige Probe zu erreichen. Die Sequenzierung wurde mit Oxford Nanopore Technologies durchgeführt, was die Erzeugung langer DNA-Lesezeichen ermöglicht. Die DNA wurde über mehrere Durchgänge sequenziert, um umfassende Daten zu erhalten.

Für D. sewerzowii erzeugte die Sequenzierung eine grosse Menge an Daten, was zu einer Gesamtlänge der Assembly von etwa 333,75 Megabasen führte. Die Assembly wurde optimiert, was ein Prozess zur Fehlerkorrektur und Gewährleistung der Qualität der Sequenz ist. Dies führte zu einem vollständigereren und genaueren Genom.

Für M. complanata wurden verschiedene Sequenzierungsmethoden ausprobiert, um die Genom-Zusammenstellung zu verbessern. Die erhaltenen Daten deuteten darauf hin, dass es viele duplizierte Sequenzen gab, was auf die Präsenz von Haplotigen hinweist, die Teile des Genoms aus einer einzelnen Version eines Gens sind. Die endgültige Assembly für M. complanata betrug etwa 258 Megabasen nach Zusammenlegung und Verfeinerung der Daten.

#Assembly und Annotation

Die Genom-Zusammenstellungen zeigten, dass beide Arten einen signifikanten Anteil ihres Genoms aus Wiederholungen hatten. Bei D. sewerzowii wurden etwa 62 % des Genoms aus wiederholten Sequenzen gefunden, während M. complanata etwa 53 % Wiederholungen aufwies. Die Mehrheit dieser Wiederholungen waren lange terminale Wiederholungen, die eine Art von repetitiver DNA-Sequenz sind.

Nachdem diese Wiederholungen identifiziert wurden, konzentrierten sich die Wissenschaftler auf die Annotation der Genome, also die Identifizierung der Gene innerhalb des Genoms. Sie sagten Genregionen in beiden Arten voraus, was zu etwa 24.221 Genregionen für D. sewerzowii und 25.080 für M. complanata führte. Die BUSCO-Analyse, die eine Methode zur Bewertung der Vollständigkeit von Genannotationen ist, wies auf ein hohes Mass an Vollständigkeit für beide Genome hin.

RNA-Sequenzierung wurde ebenfalls durchgeführt, um die Genexpression in verschiedenen Pflanzengeweben zu untersuchen. Diese Analyse ergab, dass ein grosser Teil der vorhergesagten Gene aktiv exprimiert wurde, was ein gutes Indiz für ihre Funktionalität in der Pflanze ist.

#Vergleich der Genomstrukturen

Die Wissenschaftler verglichen auch die Genom-Zusammenstellungen von D. sewerzowii und M. complanata mit anderen eng verwandten Arten. Dies beinhaltete die Untersuchung der Struktur der Genome, um konservierte Bereiche, bekannt als Makrosyntenie, zwischen den Arten zu finden. Die Ergebnisse zeigten, dass beide Arten Ähnlichkeiten in der Genomstruktur mit einer Art namens Agastache rugosa hatten, während Marmoritis complanata einige einzigartige Merkmale aufwies.

Die phylogenetischen Beziehungen – also wie die Arten miteinander verwandt sind – wurden ebenfalls untersucht. Die Analyse verwendete Genmodelle, die aus den Genomen abgeleitet wurden, um einen Artenbaum zu erstellen. Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass D. sewerzowii eng mit M. complanata und anderen Gattungen innerhalb der Minze-Familie verwandt ist. Diese Informationen helfen, ein klareres Bild davon zu bekommen, wie sich diese Pflanzen entwickelt haben und wie sie miteinander in Beziehung stehen.

#Bedeutung der Ergebnisse

Die in dieser Studie präsentierten Genom-Zusammenstellungen sind bedeutend, da sie wichtige Einblicke in die Minze-Familie bieten. Mit der schnellen Rate, mit der Pflanzen-Genome erstellt werden, tragen diese Ergebnisse zu unserem Verständnis der Pflanzen-Genetik und Evolution bei. Die Gene- und Wiederholungsannotationen sowie die Expressionsstudien bieten eine wertvolle Ressource für Forscher, die an vergleichender Genomik interessiert sind.

Diese Arbeit erweitert nicht nur das wachsende Wissen über die Minze-Familie, sondern dient auch als Grundlage für zukünftige Studien. Indem man die evolutionären Veränderungen untersucht, die zu der vielfältigen Palette an spezialisierten Verbindungen in der Lamiaceae-Familie führten, können Forscher mehr darüber lernen, wie Pflanzen sich anpassen und in verschiedenen Umgebungen gedeihen.

#Fazit

Die Genom-Zusammenstellungen von D. sewerzowii und M. complanata stellen bedeutende Fortschritte im Verständnis der Minze-Familie dar. Diese Zusammenstellungen bieten Details über die genetische Zusammensetzung dieser Arten und heben auch ihre Beziehungen zu anderen Pflanzen in der Familie hervor. Die Einblicke, die aus dieser Forschung gewonnen wurden, werden helfen, weitere Erkundungen der einzigartigen Merkmale dieser Pflanzen und ihrer potenziellen Anwendungen in der Medizin und im Gartenbau zu leiten.