Die Rolle von Rekombination in der schnellen adaptiven Evolution von pflanzenpathogenen Pilzen: Eine vergleichende Studie in Populationsgenomik

• Antragstellerin: Professorin Eva Holtgrewe-Stukenbrock, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Evolution und Systematik der Pflanzen und Pilze ; Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung ; Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Organismische Interaktionen, chemische Ökologie und Mikrobiome pflanzlicher Systeme
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 274402545

Antagonistische Koevolution zwischen Pathogenen und ihren Wirten kann sehr schnelle adaptive Veränderungen in beiden Partnern hervorrufen. In diesem Projekt wollen wir die grundlegenden Mechanismen der schnellen Adaptation in zwei nah verwandten Arten von pflanzenpathogenen Pilzen, Zymoseptoria tritici (ein Pathogen des kultivierten Weizens) und Z. ardabiliae (ein Pathogen von wilden Gräsern), verstehen. Die beiden Arten unterscheiden sich nicht nur in ihren Wirten und ihrer Umwelt (Agrar- versus Grasland-Ökosysteme) sondern auch in ihrer effektiven Populationsgröße. Wie bereits von uns gezeigt, ist dabei die effektive Populationsgröße in Z. tritici signifikant höher trotz der starken gerichteten Selektion, unter der dieses Pathogen in Weizenfeldern steht. Darüber hinaus konnten wir in unseren Analysen einen großen Einfluss der natürlichen Selektion auf die Genomevolution on Z. tritici nachweisen. Eine hohe Effektivität der Selektion könnte dabei durch Rekombination vermittelt werden. In diesem Projekt wollen wir die Rolle der Rekombination in der schnellen Adaptation von Z.tritici und Z. ardabiliae untersuchen. Hierbei können wir durch das Vergleichen von Mustern in der Genomevolution zwischen den beiden Arten aus gegensätzlichen Umweltbedingungen, den Einfluss der Beschränkungen aufgrund der Ökologie auf die Evolution von Pathogenen ableiten. Mittels Populationsgenomik werden wir die genomweite Rekombinationsrate in den beiden Arten bestimmen. Unsere vorläufigen Analysen zeigten einen starker Einfluss der Rekombination sowie Rekombinations-Hot-Spots auf kodierende Sequenzen in den beiden Arten. Wir werden die von einer hohen Rekombinationsrate in Hot-Spots betroffenen Gene identifizieren und die Rolle der hohen Rekombinationsrate in der schnellen Adaptation evaluieren. Darüber hinaus werden wir Signaturen positiver Selektion in den Genomen von Z. tritici und Z.ardabiliae mittels Composite Liklelihood Ratio (CLR) Statistik identifizieren. Hierdurch werden wir die genomweite Verteilung der selektiven Sweeps in den beiden Arten herleiten und diese Information mit der Rekombinationskarte korrelieren, um die Bedeutung der Rekombination in adaptiven Evolution besser beschreiben zu können. Abschließend werden wir funktionale Analysen von Kandidatengenen, welche Signaturen einer rezenten positiven Selektion aufweisen, durchführen. Diese Gene werden mittels unserer Analysen zur Variation der Rekombinationsrate und der selektiven Sweeps identifiziert. Zusammenfassend wird dieses Projekt neue Erkenntnisse zu den Mechanismen der schnellen adaptiven Evolution von Pflanzenpathogenen liefern, mit besonderem Fokus auf die Rolle der Variation der Rekombinationsrate. Wir werden abschließend Gene mit rezenter, schneller, adaptiver Evolution identifizieren, sowie deren Rolle beschreiben.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1819: Rapid evolutionary adaptation: Potential and constraints
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Wolfgang Stephan