Chloroplastengenome sind keine „festen Baupläne“
Unter der Erstautorenschaft von Frau Eranga Pawani Witharana hat eine an unserem Labor angesiedelte Forschungsgruppe nachgewiesen, dass Chloroplastengenome über einen Zeitraum von mehreren zehn Millionen Jahren hinweg langsamen, aber kontinuierlichen strukturellen Veränderungen unterworfen waren.
Informationen zum Original-Forschungsartikel
Titel: Ongoing structural changes highlight the dynamic nature of chloroplast genomes
Autoren: Eranga Pawani Witharana, Nobuhiro Kotoda, Kiyohiko Seki, Shinji Fukuda & Yukio Nagano
Zeitschrift: Nucleic Acids Research, Volume 54, Issue 4, gkag117
Veröffentlicht: February 24, 2026
DOI: 10.1093/nar/gkag117
Zeitschriftenkennzahlen: 2025 Journal Impact Factor: 15.0; 2025 5-year Journal Impact Factor: 17.6; JCR Biochemistry & Molecular Biology: 14/328; 2025 CiteScore: 29.8; Scopus Genetics: 5/357 (Top 1.4%); 2025 SNIP: 5.1 (aktuelle vom Verlag veröffentlichte Kennzahlen, Stand Juli 2026)
Artikeltyp: Open Access
- Eine Analyse von 28 Arten der Unterfamilie Aurantioideae ergab das Vorliegen struktureller Heteroplasmie – das heißt, es existieren zwei strukturell unterschiedliche Chloroplastengenome innerhalb derselben Pflanze nebeneinander.
- Eine durch kurze invertierte Wiederholungssequenzen (inverted repeats) vermittelte Rekombination führt zu einer großen Inversion von etwa 22 kb.
- Die alternativen Genomkonfigurationen scheinen seit dem frühen Miozän – also vor etwa 12,1 bis 28,2 Millionen Jahren – zu bestehen.
- Die Studie stellt einen praxisorientierten Arbeitsablauf vor, mit dem sich auch selten vorkommende Chloroplastengenom-Konfigurationen anhand von Standard-Short-Read-Daten nachweisen lassen.
Chloroplastengenome und strukturelle Heteroplasmie
Pflanzenzellen enthalten neben der Kern-DNA ein eigenes Genom in den Chloroplasten. Da Chloroplastengenome relativ klein sind und lange als strukturell stabil galten, werden sie häufig in Untersuchungen zur Phylogenie und Evolution von Pflanzen eingesetzt.
Chloroplasten-DNA liegt in einer Zelle in hoher Kopienzahl vor, während nukleäre Loci vergleichsweise wenige Kopien aufweisen. Dieser Unterschied kann dazu führen, dass alternative Konfigurationen des Chloroplastengenoms in einem Individuum nebeneinander bestehen, statt dass sich eine Konfiguration sofort durchsetzt. Kern-DNA sollte nicht pauschal als stets in zwei Kopien pro Zelle vorhanden beschrieben werden, da Ploidie, Zellzyklus und Gewebezustand die Kopienzahl beeinflussen können.
Strukturelle Veränderungen im Laufe der Evolution
Die Studie untersuchte 28 Arten der Unterfamilie Aurantioideae und zeigte, dass eine intramolekulare homologe Rekombination zwischen zwei kurzen, invertierten Wiederholungssequenzen (sIRs) von 53 Basenpaaren Länge eine Inversion von etwa 22 kb in der „Large Single-Copy“-Region (LSC) des Chloroplasten-Genoms hervorruft. Das gleichzeitige Vorhandensein zweier struktureller Konfigurationen innerhalb eines Individuums wird als strukturelle Heteroplasmie bezeichnet.
Die beiden Konfigurationen blieben über einen Zeitraum von etwa 12,1 bis 28,2 Millionen Jahren hinweg in mehreren Arten erhalten und reichen bis in das frühe Miozän zurück. Muster, bei denen eine Neben-Isoform in einigen Abstammungslinien zur dominanten Form wurde, deuten auf eine mögliche Rolle der Gendrift hin. Die Ergebnisse zeigen, dass die strukturelle Evolution des Plastoms ein kontinuierlicher, schrittweiser Prozess ist und keine Abfolge von abrupt fixierten Zuständen.
Nachweis seltener Genomkonfigurationen
Die Analyse identifizierte diskordante Paired-End-Reads und Soft-Clipping-Reads, die strukturelle Bruchpunkte überspannen. Die Validierung (PCR) zeigte zudem, dass die Konfigurationen mit niedriger Frequenz authentisch und nicht bloß Sequenzierungs- oder Mapping-Artefakte waren.
Publikation und Medienberichterstattung
- Saga University press release
- Kagoshima University press release(Japanese/English PDF)
- Webseite der Vereinigten Graduiertenschule für Agrarwissenschaften der Universität Kagoshima
Obwohl kein Online-Artikel verfügbar ist, wurde über die Studie am 20. April 2026 auch in der Zeitung „Minami-Nippon“ berichtet.