Analyse der Auswirkungen von DNA-Reparaturen und homologen Rekombinationswegen auf die Genomintegrität in Pflanzen

• Antragsteller: Professor Dr. Holger Puchta; Professor Dr. Korbinian Schneeberger
• Fachliche Zuordnung: Genetik und Genomik der Pflanzen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 458717077

Als ortsgebundene Organismen können Pflanzen externen, mutagenen Risiken, die die Integrität ihres Genoms gefährden, nicht einfach entkommen. Da die Pflanzenkeimbahn nicht vorbestimmt ist, können neue Mutationen sogar auf nachfolgende Generationen übertragen werden. Daher haben Pflanzen eine Vielzahl von DNA-Reparaturmechanismen entwickelt, um für eine Sicherung der Genomstabilität (SGS) zu sorgen. Um die individuellen Funktionen dieser Faktoren für SGS zu analysieren, haben wir eine einzigartige Sammlung von Mutationsakkumulationslinien (MA) in verschiedenen SGS-Mutantenhintergründen von Arabidopsis thaliana erstellt. Dies schließt unabhängig gewachsene, selbstbestäubte und von Einzelkeimlingen abstammende Linien von 16 Einzel- und 10 Doppelmutanten ein, die bis zur Generation F18 vermehrt wurden. Durch "whole-genome sequencing" (WGS) können wir die Art und Häufigkeit genomischer Veränderungen angeben, die sich aufgrund des Fehlens spezifischer SGS-Pfade über die Generationen ansammeln. Da wir erwarten, dass diese Änderungen nicht nur kleine und lokale, sondern auch komplexe Mutationen beinhalten, werden wir "long-read" basierte Assemblierungen dieser Genome durchführen. Wir werden die Assemblierungen durch "short read" Daten bestätigen, die uns auch Einblicke in Kopienanzahl von repetitiven Elementen wie der 45S-rDNA geben werden. Da die 45S-rDNA für das Überleben der Pflanzen essentiell ist, aber auch zu Umlagerungen und Kopierverlust neigt, werden wir die Genomdaten mit ddPCR und FISH ergänzen, um deren Kopienanzahl direkt zu messen. Darüber hinaus werden wir die Gentranskriptionsveränderungen aufgrund von genotoxischen Stress untersuchen, der durch das Fehlen von SGS-Faktoren in den verschiedenen Linien verursacht wird. Die Analyse von RNAseq-Daten wird die unterschiedliche Expression der DNA-Schadensantwortfaktoren hervorheben und aufdecken, ob sich transgenerationale Anpassungsprozesse entwickeln. Zusätzlich zu Veränderungen in den Genomen und Transkriptomen erwarten wir, dass die Akkumulation schwerer DNA-Schäden in den Mutantenlinien auch zu Defekten im Pflanzenwachstum führen kann. Wir wollen phänotypische Effekte analysieren und untersuchen, ob sie im Laufe mehrerer Generationen zunehmen. Eine Charakterisierung des Wurzelwachstums als Indikator für replikative DNA-Schäden wird uns erste Einblicke in mögliche Wachstumsdefekte geben. Zusätzlich werden die Auswirkungen auf die Fertilität in den MA-Linien, durch Schotenlängen- und Samenanzahlmessungen, analysieren. Die Analyse dieser einzigartigen MA-Sammlung auf all diesen Ebenen wird uns einen beispiellosen Einblick in die Mechanismen für SGS in Pflanzen geben, wie verschiedene Wege die Stabilität des transgenerationalen Genoms gewährleisten und wie sich Pflanzengenome im Zeitraffer verändern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen