Drift von Entwicklungssystemen und die Evolution von Redundanz in Pflanzen

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Lenhard
• Fachliche Zuordnung: Genetik und Genomik der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 399363547

Die Entwicklung in Eukaryoten wird weitgehend von einem konservierten Satz von regulatorischen Genen kontrolliert, die sehr ähnliche Funktionen in verwandten Arten erfüllen. Allerdings wurde eine Reihe von Beispielen in Hefe und Tieren beschrieben, bei denen ein phänotypisch konserviertes Merkmal durch divergente molekulare Wege kontrolliert wird. Diese sogenannte Drift von Entwicklungssystemen zeigt sich, wenn Mutationen in orthologen Genen in verwandten Arten verschiedene Phänotypen verursachen. Ein möglicher Grund dafür ist eine unterschiedliche Redundanz zwischen zwei Genen in einer, aber nicht der anderen Art. Wir haben im Roten Hirtentäschelkraut Capsella rubella ein einschlägiges Beispiel gefunden, bei dem eine Mutation im BLADE ON PETIOLE2 (BOP2) Gen zur Bildung von ektopischen Hochblättern (Brakteen) führt, die in bop2 Mutanten der verwandten Modellpflanze Arabidopsis thaliana nicht beobachtet wird; in letzterer ist die Bildung von ektopischen Hochblättern nur in bop1 bop2 Doppelmutanten zusammen mit weiteren mutanten Phänotypen zu sehen. Wir vermuten, dass dieser Unterschied die differentielle Redundanz zwischen BOP1 und BOP2 zwischen den beiden Arten widerspiegelt; beide Gene sind in A. thaliana für alle ihre Funktionen noch völlig redundant, aber nicht in C. rubella die Redundanz bei der Unterdrückung der Hochblattbildung aufgelöst wurde. Diese partielle Auflösung der Redundanz spiegelt einen ersten Schritt zur Subfunktionalisierung der beiden Gene, ein wichtiger Prozess in der Evolution der Redundanz. Bisher ist nur sehr wenig über die molekulare Basis, die Populationsgenetik und die Entwicklungskonsequenzen von frühen subfunktionalisierenden Mutationen in Pflanzen bekannt. Daher wird unser Projekt das Beispiel von BOP1/2 ausnutzen, um diese Fragen aus einer evolutionären und funktionalen Perspektive zu untersuchen. Wir werden die folgenden Hauptziele verfolgen. (1) Wir werden den molekularen Unterschied zwischen A. thaliana und C. rubella BOP1 definieren, der für den Verlust der BOP1-Funktion bei der Hochblattunterdrückung verantwortlich ist. Dies wird eine der ersten frühen subfunktionalisierenden Mutationen zwischen redundanten Genen in Pflanzen identifizieren. (2) Wir werden die Populationsgenetik dieser Mutation in Capsella analysieren, um die Hypothese zu testen, dass sie durch Drift in C. rubella fixiert wurde. Darüber hinaus werden wir den Status der BOP1/2 Redundanz in anderen Brassicaceen testen, um festzustellen, ob die Auflösung der Redundanz zwischen diesem Genpaar auch in anderen Taxa abläuft. (3) Wir werden die Hypothese prüfen, dass die Redundanz dazu dient, Entwicklungsprozesse robuster zu machen, indem wir die Häufigkeit von Entwicklungsfehlern in Bezug auf die Hochblattunterdrückung zwischen Capsella und Arabidopsis vergleichen. Zusammen werden diese Studien einen bisher unerreichten Einblick in die frühen Stadien der Subfunktionalisierung und in die Drift von Entwicklungssystemen in Pflanzen ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen