Identische Genome, doch verschiedene Eigenschaften: Der Safrankrokus als Modell für die Epigenetik von Qualitätsmerkmalen und Umweltanpassungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Frank R. Blattner; Dr. Tony Heitkam; Professor Dr. Björn Usadel
• Fachliche Zuordnung: Evolution und Systematik der Pflanzen und Pilze ; Genetik und Genomik der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 433081887

Safran, das teuerste Gewürz der Welt, wird aus den Narben des Safrankrokus Crocus sativus gewonnen. Da diese autotriploide Art (2n = 3x = 24, 1C = 3,45 Gbp) steril ist, wird sie ausschließlich vegetativ über Tochterzwiebeln vermehrt. Safran entstand nur einmal vor etwa 3000 Jahren in Südgriechenland. Seitdem wird eine einzige klonale Linie in vielen Ländern und Klimabedingungen angebaut. Safrans Umweltanpassungen und Unterschiede in der Gewürzqualität scheinen hauptsächlich auf epigenetischen Unterschieden zu beruhen. Die Safrankultivierung ist somit ein einzigartiges Langzeitexperiment zur epigenetischen Differenzierung und Anpassung unter menschlicher Selektion. Wir wollen dieses System nutzen, indem wir die Veränderungen des triploiden Safrangenoms gegenüber seinem diploiden Vorläufer vergleichen, und die DNA-Methylierungs-Unterschiede von Safransorten aus verschiedenen Anbaugebieten erfassen. Zusätzlich wollen wir messen, inwieweit die vegetative Vermehrung die Anhäufung schädlicher Mutationen (Muller‘s ratchet) im Safrangenom ermöglichte.Die Arbeitsgruppen der drei PIs arbeiten bereits an Safran: Prof. Björn Usadel (RWTH Aachen) untersucht den sekundären Stoffwechsel des Safrans, und zieht Erkenntnisse aus der Erstellung pflanzlicher Referenz-Genomsequenzen. Dr. Tony Heitkam (TU Dresden) erforscht die Genom- und Karyotyp-Evolution des Safrans unter Zuhilfenahme der Repeat-Fraktion, während Dr. Frank Blattner (IPK Gatersleben) die Evolution von Crocus und die Safran-Domestikation thematisiert und eine große Sammlung von Crocus-Individuen aufgebaut hat. Erst kürzlich zeigten die beiden letzteren PIs Safrans Autotriploidie und seine Abstammung von Crocus cartwrightianus aus Südgriechenland. Im Gegensatz zu Safrankrokus ist der wilde C. cartwrightianus diploid und beherbergt eine hohe genetische Vielfalt innerhalb und zwischen den Populationen.Wir wollen hochwertige Referenz-Genomsequenzen von C. cartwrightianus und C. sativus mit umfassender Gen- und Repeat-Annotation erstellen, die physikalisch mit den Chromosomen korreliert sind. Als erstes wird das diploide C. cartwrightianus Genom erstellt, um als Referenz für die Assemblierung des heterozygot triploiden Safrangenoms zu dienen. Wir werden phänotypische und metabolische Unterschiede untersuchen, und die zugrundeliegende epigenetische Variation zwischen den Safranakzessionen charakterisieren.Als Ergebnis erwarten wir(i) die Safran- und C. cartwrightianus Referenz-Genomsequenzen als Grundlage für vergleichende und epigenetische Analysen; (ii) die annotierten Gen- und Repeat-Fraktionen von C. cartwrightianus und C. sativus zur Verankerung der epigenetischen Analyse; (iii) die klare Definition der genetischen Unterschiede zwischen dem di- und triploiden Genom, insbesondere in Bezug auf homöologe Regionen, und die Auswirkungen von Muller’s ratchet auf vegetativ vermehrte Sorten; (iv) die eindeutige Bestimmung der DNA-Methylierungs-Unterschiede zwischen verschiedenen Safran-Ökotypen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen