Die Evolution von Apomixis in autopolyploiden alpinen Pflanzen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Elvira Hörandl
• Fachliche Zuordnung: Evolution und Systematik der Pflanzen und Pilze
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 222251156

Apomixis, die asexuelle Fortpflanzung mittels Samen, kommt häufig in Gebieten mit kälterem Klima vor. Dieses Phänomen wird durch einen Kombinationseffekt von Polyploidie und dem Fortpflanzungsmodus erklärt. Hier wird die Hypothese getestet, dass niedrige Temperaturen die Bildung unreduzierter Gameten bereits in diploiden, nicht-hybriden Pflanzen verursachen. Unreduzierte Eizellen können zur Polyploidisierung über eine female triploid bridge führen, und resultieren bei der Koppelung an Parthenogenese zu apomiktischer Samenbildung. Polyploidie hat Effekte auf die Anpassungsfähigkeit der Pflanzen an kalte Klimate, und vermutlich auch auf das Syndrom alpiner Zwergwüchsigkeit. Es wird vermutet, dass sowohl spontane Apomixis als auch die schnelle Anpassung auf epigenetische Veränderungen zurückgeht. In vorhergehenden Projekten wurde der Reproduktionsmodus und die ökologische Einnischung der alpinen diploid-autotetraploiden Modellpflanze Ranunculus kuepferi untersucht. Der tetraploide Zytotype zeigte eine Nischenverschiebung in kühlere Klimate; in diploiden kommt Apomixis selten, in tetraploiden regelmäßig vor, wobei Apomixis mit größerer Höhe und kühleren Klimaten korreliert. Die Tetraploiden zeigten Tendenzen zu Kleinwüchsigkeit. Experimentelle Kältebehandlungen zeigten ein spontanes Auftreten von Apomixis bei Diploiden, und Reduktion von sexuellem Samenansatz bei Tetraploiden. Im vorliegenden Projekt sollen die folgenden Hypothesen getestet werden: 1) Stabilität von apomiktischer Samenbildung in Diploiden und Tetraploiden in reziproken Kälte-Wärme-Behandlungen, untersucht mittels quantitativer flow cytometric seed screening; 2) Apomixis in diploiden als erster Schritt zur Polyploidisierung durch eine female triploid bridge, während kälte-induzierte Bildung unreduzierter männlicher Gameten eine geringere Rolle spielen (flow cyometric seed screening und Pollenanalysen); 4) Tetraploide reduzieren ihren Wuchs stärker in der Kälte durch Reduktion der Anzahl der Zellen, und zeigen höhere Frosttoleranz; 5) Variation in DNA-Methylierungen ist temperatur-abhängig und unterscheidet sich zwischen Ploidiestufen, Reproduktionsmodus, und Wuchs. Dazu werden methylation-sensitive AFLP Profile der Pflanzen in reziproken Kälte-Wärme-Behandlungen sowie mit Proben vom Wildstandort verglichen und mit Reproduktionsmodus, Ploidiestufe, und Wuchs korreliert. Das Projekt wird dazu beitragen, die Effekte von Reproduktionsmodus und Polyploidie zu unterscheiden. Die Entstehung von Apomixis in Diploiden ist kälte-induziert, während Polyploidie dazu beiträgt, die Populationen in kühleren Klimaten zu etablieren. Endogene Selektion für apomiktische Samenbildung und exogene Selektion für kälte-adaptierte polyploide Genotypen resultieren in einer Dominanz von apomiktischen Polyploiden in höheren Lagen der Alpen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen