Aufklärung der genetischen Grundlagen und der molekularen Mechanismen von Diözie in Pappeln

• Antragsteller: Dr. Niels Müller
• Fachliche Zuordnung: Genetik und Genomik der Pflanzen ; Forstwissenschaften
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406678375

Obwohl die meisten Pflanzen Hermaphroditen sind, ist Diözie, also die Trennung von weiblichen und männlichen Blüten auf separate Individuen, hunderte wenn nicht tausende von Malen evolutionär unabhängig voneinander entstanden. Die zugrunde liegende Genetik ist allerdings nur ansatzweise entschlüsselt. Mit diesem Antrag möchten wir die genetischen und molekularen Grundlagen von Diözie in Pappeln aufklären, um übergreifende Fragen bezüglich der Evolution von Paarungssystemen in Pflanzen zu beantworten.Trotz eines evolutionär alten Ursprungs von Diözie in der Gattung Populus, erscheinen die zugrunde liegenden Sexchromosomen erst kürzlich divergiert zu sein. Unterschiedliche genomische Positionen der sexdeterminierenden Regionen (SDRs) sowie verschiedene heterogametische Eltern (XY- vs. ZW-System) legen außerdem eine unabhängige Evolution in verschiedenen Pappelarten nahe. Dennoch deuten unsere ersten Analysen darauf hin, dass die genomische Komplexität lediglich Variationen des gleichen Themas darstellt. Ein konservierter Ein-Gen-Mechanismus, mit weitreichender Bedeutung für die Evolution von Sexchromosomen, scheint die Diözie in der gesamten Gattung zu kontrollieren.In diesem Projekt möchten wir testen, ob (i) die SDRs von Weißpappeln und Aspen eine Region mit supprimierter Rekombination und entgegengesetzte Heterogametie (XY vs. ZW) aufweisen, ob (ii) das Pappelhomolog des ARABIDOPSIS RESPONSE REGULATOR 17 (ARR17) Gens die Diözie in der gesamten Gattung über einen Ein-Gen-Mechanismus kontrolliert, und ob (iii) die molekularen Mechanismen, welche zur differentiellen Geschlechtsausprägung führen, über die verschiedenen Pappelarten hinweg konserviert sind.Dafür werden wir (i) die SDR der Weißpappel kartieren, Rekombinationshäufigkeiten entlang der SDRs von Weibchen und Männchen in F1-Populationen bestimmen und reziproke P. alba x P. tremula Kreuzungen analysieren, (ii) früh-blühende transgene Pappellinien erzeugen, in welchen ARR17 mittels CRISPR-Cas ausgeschaltet wird oder eine zusätzliche Kopie exprimiert wird, und den ARR17 Locus molekular charakterisieren, und (iii) mittels RNA-Sequenzierung von weiblichen und männlichen Blütenknospen sexspezifische Genexpression bestimmen und durch Integration der Ergebnisse mit weiteren funktionellen genomischen Daten die Gennetzwerke, welche eine differentielle Geschlechtsausprägung bedingen, identifizieren.Die Ergebnisse werden sowohl von praktischer Relevanz für Pflanzenzüchter diözischer Pflanzen sein als auch unser Verständnis der genetischen, molekularen und evolutionären Prozesse, die Eingeschlechtigkeit und Diözie verursachen, voranbringen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Privatdozent Dr. Matthias Fladung; Privatdozentin Dr. Birgit Kersten