Het ontsluiten van de genetische informatie van een varen zou ons potentiële oplossingen kunnen bieden voor tal van problemen waarmee onze planeet vandaag de dag wordt geconfronteerd.
Bij genoomsequencing wordt de volgorde van de nucleotiden in elk specifiek DNA - molecuul bepaald. Deze exacte volgorde is van grote waarde om inzicht te krijgen in de genetische informatie die in het DNA is opgeslagen. Omdat genen coderen voor eiwitten die verantwoordelijk zijn voor de meeste lichaamsfuncties, kan deze informatie helpen om de effecten van hun functie in het lichaam te begrijpen. Het sequencen van het complete genoom van een organisme, oftewel al zijn DNA, is een complexe en uitdagende taak die stap voor stap moet worden uitgevoerd door het DNA in kleinere stukjes te breken, deze te sequencen en vervolgens weer samen te voegen. Zo duurde het sequencen van het complete menselijke genoom in 2003 13 jaar en kostte het in totaal 3 miljard dollar. Dankzij technologische vooruitgang kunnen genomen nu relatief sneller en goedkoper worden gesequenced met methoden zoals Sanger-sequencing en next-generation sequencing. Zodra een genoom is gesequenced en gedecodeerd, openen zich onbeperkte mogelijkheden voor het identificeren van potentiële onderzoeksgebieden binnen de biologie en het ontwikkelen van gerichte toepassingen.
Een team van 40 onderzoekers van Cornell University en over de hele wereld heeft het volledige genoom van een watervaren genaamd Azolla filiculoides 1,2 in kaart gebracht . Deze varen groeit doorgaans in warmere, tropische gebieden. Het project om de genomische geheimen van de varen te ontrafelen, was al een tijdje in de planning en werd ondersteund met 22,160 dollar van 123 donateurs via het crowdfundingplatform Experiment.com. Uiteindelijk ontvingen de onderzoekers financiering voor de sequentiebepaling van het Beijing Genomics Institute in samenwerking met de Universiteit Utrecht. Deze kleine drijvende varensoort, die op een vingernagel past, heeft een genoomgrootte van 75 gigabases (of miljard basenparen). Varens staan bekend om hun grote genomen , gemiddeld 12 gigabases, maar tot nu toe is geen enkel ander varengenoom ontcijferd. Dit omvangrijke project was erop gericht om inzicht te krijgen in het potentieel van deze varen.
Veel interessante aspecten van de varen Azolla zijn aan het licht gekomen door dit onderzoek naar de genoomsequentie , gepubliceerd in Nature Plants. Het onderzoek biedt aanknopingspunten voor toekomstig onderzoek naar mogelijke toepassingsgebieden van deze varen. De varen Azolla was bijna 50 miljoen jaar geleden wijdverspreid en groeide rond de Noordelijke IJszee . In die tijd was de aarde ook warmer dan nu, en men vermoedt dat deze varen een belangrijke rol speelde bij het koeler houden van de planeet door in de loop van 1 miljoen jaar ongeveer 10 biljoen ton koolstofdioxide uit de atmosfeer op te nemen. Hier zien we een potentiële rol voor deze varen in de strijd tegen en de bescherming van onze planeet tegen de opwarming van de aarde als gevolg van klimaatverandering.
Er wordt ook aangenomen dat de varen een belangrijke rol speelt bij stikstofbinding, een proces waarbij vrije stikstof (N2) in de atmosfeer – een inert gas dat in overvloed in de lucht aanwezig is – zich combineert met andere chemische elementen om meer reactieve stikstofverbindingen te creëren, zoals ammoniak en nitraten. Deze verbindingen kunnen vervolgens worden gebruikt voor diverse toepassingen, zoals meststoffen voor de landbouw. Genoomgegevens tonen een symbiotische relatie (wederzijds voordeel) aan tussen deze varen en een cyanobacterie genaamd Nostoc azollae. De varenbladeren huisvesten deze cyanobacteriën in kleine holtes, waar ze stikstof binden en zo zuurstof produceren die de varen en omliggende planten kunnen gebruiken. In ruil daarvoor verkrijgen de cyanobacteriën energie via de fotosynthese van de plant, wanneer de varen hen van brandstof voorziet. Deze varen zou daarom mogelijk kunnen worden gebruikt als een natuurlijke groene meststof en wellicht het gebruik van stikstofmeststoffen overbodig maken, wat zou leiden tot duurzamere landbouwpraktijken. De auteurs stellen dat, nu zowel de genomen van de cyanobacterie als die van de varen bekend zijn, onderzoek zich kan richten op de ontwikkeling en toepassing van dergelijke duurzame praktijken. Interessant genoeg wordt de varensoort Azolla al meer dan 1000 jaar door Aziatische boeren als groenbemesting in rijstvelden gebruikt.
Onderzoekers hebben ook een belangrijk natuurlijk gemodificeerd (insecticide) gen in de varen geïdentificeerd dat het vermogen heeft om insectenresistentie te bieden. Wanneer dit gen wordt overgedragen op katoenplanten, biedt het enorme bescherming tegen insecten. Men denkt dat dit 'insecticide'-gen wordt overgedragen of 'begaafd' van bacteriën op de varen en wordt gezien als een zeer specifiek onderdeel van de afstamming van de varen, dwz dat het met succes van generatie op generatie is doorgegeven. De ontdekking van mogelijke bescherming tegen insecten zal ongetwijfeld een sterke impact hebben op de landbouwpraktijken.
Deze studie toont aan dat de 'zuivere wetenschap' van het ontrafelen van de allereerste genomische informatie van varens een belangrijke stap is in de richting van het ontdekken en begrijpen van cruciale plantengenen. Het draagt ook bij aan een beter begrip van de evolutionaire geschiedenis van varens, dat wil zeggen hoe hun kenmerken zich door de generaties heen hebben ontwikkeld. Inzicht in planten is cruciaal om te onderzoeken en te begrijpen hoe flora en fauna vreedzaam samenleven op onze planeet , en dergelijk onderzoek verdient de nodige aandacht in plaats van het af te doen als iets dat niet belangrijk genoeg is. Na het sequencen van Azolla filiculoides en Salvinia cucullata staan er al meer dan 10 varensoorten op de planning voor verder onderzoek.
***
Bron (nen)
1. Fay-Wei L et al. 2018. Varengenomen verhelderen de evolutie van landplanten en cyanobacteriële symbiose. Nature Plants . 4(7). https://doi.org/10.1038/s41477-018-0188-8
2. Fernbase https://www.fernbase.org/ . [Geraadpleegd op 18 juli 2018].
***
