Het ontsluiten van de genetische informatie van een varen zou ons mogelijke oplossingen kunnen bieden voor meerdere problemen waarmee onze planeet tegenwoordig wordt geconfronteerd.
In genoom volgorde aanbrengen in, DNA sequencing wordt gedaan om de volgorde van nucleotiden in elk specifiek DNA-molecuul te bepalen. Deze exacte volgorde is van waarde om het type genetische informatie in het DNA te kunnen begrijpen. Aangezien genen coderen voor eiwitten die verantwoordelijk zijn voor de meeste lichaamsfuncties, kan deze informatie helpen om het effect van hun functie in het lichaam te begrijpen. Het sequencen van het volledige genoom van een organisme, dwz al zijn DNA, is een complexe en uitdagende taak en moet beetje bij beetje worden gedaan door DNA in kleinere stukjes te breken, ze te sequensen en dan alles samen te voegen. Zo duurde de sequentie van het volledige menselijke genoom in 2003 13 jaar en kostte het in totaal 3 miljard dollar. Met vooruitgang in technologie kunnen genomen relatief sneller en tegen lagere kosten worden gesequenced met behulp van methoden zoals Sanger-sequencing en Next-generation sequencing. Zodra een genoom is gesequenced en gedecodeerd, openen zich onbeperkte mogelijkheden voor het identificeren van potentiële gebieden van biologisch onderzoek en het boeken van vooruitgang in de richting van gerichte ontwikkeling van toepassingen.
Een team van 40 onderzoekers van de Cornell University en over de hele wereld heeft het volledige genoom van een water in kaart gebracht varen genaamd Azolla filiculoides1,2. Deze varen groeit vaak in warmere temperaturen en tropische gebieden van de wereld. Het project om de genomische geheimen van de varen te ontrafelen zit al een tijdje in de pijplijn en werd ondersteund door fondsen van 22,160 dollar van 123 donateurs via een crowdfundingsite genaamd Experiment.com. Onderzoekers kregen uiteindelijk financiering om de sequencing uit te voeren van het Beijing Genomics Institute in samenwerking met de Universiteit Utrecht. Deze kleine drijvende varensoort die over een vingernagel past, heeft een genoomgrootte van 75 gigabase (of miljard basenparen). Van varens is bekend dat ze grote genomen hebben, gemiddeld 12 gigabase groot, maar tot nu toe is geen van de grotere genomen van varens gedecodeerd. Een dergelijk uitgebreid project was bedoeld om aanwijzingen te geven over wat het potentieel van deze varen zou kunnen zijn.
Veel interessante aspecten van varen Azolla zijn ontdekt in deze genoomsequencing-studie die is gepubliceerd in Natuur Planten en hebben richting gegeven voor toekomstig onderzoek naar mogelijke gebieden waarin deze varen nuttig kan zijn. De varen Azolla was wijdverbreid en groeide bijna 50 miljoen jaar geleden op deze planeet rond de Noordelijke IJszee. Gedurende die tijd was de aarde ook warmer in vergelijking met de huidige omstandigheden en men dacht dat deze varen een belangrijke rol speelde bij het koeler houden van de planeet door in de loop van 10 miljoen jaar ongeveer 1 biljoen ton koolstofdioxide uit de atmosfeer op te vangen. Hier zien we een potentiële rol voor deze varen in het bestrijden en beschermen van onze planeet tegen de opwarming van de aarde als gevolg van klimaatverandering.
Men denkt ook dat de varen een belangrijke rol speelt bij stikstofbinding, een proces dat vrije stikstof (N2) in de atmosfeer - een inert gas dat overvloedig aanwezig is in de lucht - combineert met andere chemische elementen om meer reactieve stikstofgebaseerde verbindingen te creëren, zoals ammoniak, nitraten enz. die vervolgens in verschillende toepassingen kunnen worden gebruikt, zoals kunstmest voor landbouwdoeleinden. Genoomgegevens vertellen ons over een symbiotische relatie (wederzijds voordeel) van deze varen met een cyanobacteriën genaamd Nostoc azollae. Het varenblad herbergt deze cyanobacteriën in kleine gaatjes en deze bacteriën binden stikstof en produceren daardoor: zuurstof die de varen en de omringende planten zouden kunnen gebruiken. Op zijn beurt, cyano bacteriën energie verzamelen door de fotosynthese van de plant wanneer de varen hem van brandstof voorziet. Daarom kan deze varen mogelijk worden gebruikt als een natuurlijke groene meststof en mogelijk het gebruik van stikstofmeststoffen elimineren die duurzamere landbouwpraktijken propageren. Auteurs zeggen dat met zowel het genoom van cyanobacteriën als nu de varen, onderzoek kan worden gericht op het ontwikkelen en toepassen van dergelijke duurzame praktijken. Interessant is dat varen Azolla al meer dan 1000 jaar als groenbemester in rijstvelden wordt toegevoegd door Aziatische boeren.
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.
Dit onderzoek toont aan dat 'pure wetenschap' van het ontrafelen van de allereerste genomische informatie uit varens een grote stap is in de richting van het blootleggen en begrijpen van cruciale plantengenen. Het helpt ook bij een beter begrip van de evolutionaire geschiedenis van varens, dwz hoe hun kenmerken zich door de generaties heen hebben ontwikkeld. Het begrijpen van planten is van cruciaal belang om te onderzoeken en te begrijpen hoe flora en fauna in der minne samengaan op onze planeet en aan dergelijk onderzoek moet belang worden gehecht in plaats van het te bestempelen als iets dat niet significant genoeg is. Na het sequensen van Azolla filiculoides en Salvinia cucullata, zijn er al meer dan 10 varensoorten in de pijplijn voor verder onderzoek.
***
{U kunt de originele onderzoekspaper lezen door op de DOI-link hieronder in de lijst met geciteerde bron(nen) te klikken}
Bron (nen)
1. Fay-Wei L et al. 2018. Varengenomen verhelderen de evolutie van landplanten en cyanobacteriële symbiose. Natuur Planten. 4 (7). https://doi.org/10.1038/s41477-018-0188-8
2. Varenbasis https://www.fernbase.org/. [Toegang tot 18 juli 2018].
***
