Hybridization and expression of apomixis
Final Report Abstract
Hybridisierung und Duplikationen des Genoms (Polyploidie) stellen wichtige Faktoren für die Evolution von Blütenpflanzen dar und sind oft mit einer Änderung des Reproduktionsmodus verbunden. Apomixis, die Fortpflanzung mittels asexuell gebildeter Samen, ist fast stets mit Hybridisierung oder Polyploidie verknüpft. Das Projekt testet die Hypothese, dass Hybridbildung die apomiktische Entwicklung auslöst. Es wurden Kreuzungen sexueller Arten der Ranunculus auricomus Gruppe (Gold-Hahnenfuß) durchgeführt, und die Hybriden wurden hinsichtlich ihrer Entwicklungs- und Reproduktionsbiologie untersucht. Die Kreuzungen zeigten bereits in der ersten Generation die Entwicklung von Embryosäcken und damit die wichtigste Komponente von Apomixis. Molekular-phylogenetische Studien sowie geometrische Morphometrie bestätigen die hybridogene Herkunft von wild vorkommenden Apomikten. Vergleichende RNA Studien mittels der Illumina Sequenzierung und Auswertung von Markern (single nucleotide polymorphisms) bestätigen die hybridogene Herkunft der Apomikten und ein Alter von c. 70,000 Jahren. Die apomiktischen Linien zeigen keine Akkumulation von funktionell wirksamen Mutationen im Genom, divergieren aber sehr schnell voneinander. Diese Ergebnisse widersprechen traditionellen Hypothesen, dass Apomixis eine Sackgasse der Evolution aufgrund der Anhäufung von nachteiligen Mutationen wäre. Hingegen konnte durch unsere Ergebnisse eine neue Hypothese entwickelt werden, dass Apomixis eine Übergangsphase in der Evolution polyploider Pflanzen darstellt, die zur Diversifizierung und Arealerweiterung einer Gruppe beiträgt. Um diese Hypothese in einem größeren Ausmaß zu überprüfen, wurde das Vorkommen von Apomixis in allen Gattungen der Angiospermen kompiliert und in einer Datenbank online gestellt. Statistische Auswertungen zeigen eine deutliche Assoziation von Apomixis zu diversen und weitverbreiteten Pflanzenfamilien. Die RNA-Sequenzdaten haben die Gattung Ranunculus als Modellorganismus mit über 1200 annotierten Genen etabliert. Studien der Genexpression an vier verschiedenen Entwicklungsstadien mittels Microarrays zeigen, dass über 200 Gene in Apomikten und sexuellen Pflanzen verschieden exprimiert sind. Apomixis ist daher vermutlich durch Änderungen der Genexpression reguliert und eine flexible Reproduktionsstrategie. Populationsgenetische Studien und Analysen von Samen mittels Durchflusszytometrie an verschiedenen Ranunculus-Arten zeigen, dass ein hohes Ausmaß von fakultativer Sexualität und genetischer Variation innerhalb der Populationen vorliegt. Diese Resultate haben dazu beigetragen, eine neue Hypothese zu entwickeln, dass Sexualität eine Reaktion eines Organismus auf umweltinduzierten Stress darstellt.
Publications
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