Analyse der komplexen Karyotypevolution in Krokussen

• Antragstellerin: Dr. Dörte Harpke
• Fachliche Zuordnung: Evolution und Systematik der Pflanzen und Pilze
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465449547

Dysploidie wird als Hauptursache für die Rediploidisierung nach Polyploidisierung angenommen und könnte auch ein Treiber der Diversifizierung sein, indem sie Karyotyp-Unterschiede erzeugt, die als Reproduktionsbarrieren wirken. Unser Wissen über diese Prozesse basiert jedoch auf sehr wenigen gut untersuchten Beispielen und mechanistische Erklärungen fehlen gänzlich. Die hohe Häufigkeit von dysploiden Chromosomenzahländerungen in der Gattung Crocus ist ungewöhnlich für Pflanzen mit monozentrischen Chromosomen. Im Extrem wurde dabei die Chromosomengrundzahl innerhalb weniger Millionen Jahre von n = 15 auf n = 4 reduziert bei gleichzeitiger Verdopplung der Genomgröße. Das sympatrische und parapatrische Auftreten von eng verwandten Crocus Taxa ohne morphologisch erkennbare Hybriden legt nahe, dass ihre unterschiedlichen Chromosomenzahlen Kreuzungsbarrieren darstellen könnten. Molekulare Analysen zeigten jedoch bereits das Vorhandensein von homoploider Hybridisierung in einigen Crocus Gruppen trotz unterschiedlicher Karyotypen der Elternarten. Daher sind detaillierte populations- und zytogenetische Analysen notwendig, um zu verstehen, welche Rolle unterschiedliche Karyotypen und Chromosomenzahlen bei der reproduktiven Isolation spielen könnten, und um zu klären, welche Mechanismen auf Chromosomenebene wirken. Es wird angenommen, dass Genomduplikationen (WGD; whole-genome duplication) Dysploidie auslöst. Daher ist die anfängliche Identifizierung von WGD-Ereignissen in der gesamten Gattung entscheidend, um sie mit veränderten Dysploidie-Häufigkeiten zu korrelieren. Allerdings kann Polyploidie bei Crocus nicht aus der reinen Chromosomenzahl oder Genomgröße abgeleitet werden. Stattdessen werden wir k-mer-Frequenzen von NGS-Daten und die Identifizierung paraloger Gene in Transkriptom- oder Shotgun-Sequenzdaten von Vertretern der relevanten Crocus Gruppen verwenden. (i) Sobald die Kladen mit WGD-Ereignissen in der Gattung identifiziert sind, können wir analysieren ob und wie schnell Dysploidie auf Polyploidisierung folgt und ob einzelne WGD-Ereignisse multiple chromosomale Umlagerungen auslösen, die schließlich zu Arten mit unterschiedlichen Chromosomenzahlen führen.(ii) Um die Veränderungen des dysploiden Karyotyps zu verfolgen, werden wir das Schicksal der Chromosomen/Chromosomenarme durch Dysploidie-Ereignisse verfolgen, indem wir chromosomale FISH-Marker in drei ausgewählten Artengruppen von Crocus entwickeln und einsetzen.(iii) Parallel dazu werden Kreuzungsexperimente durchgeführt, um den Einfluss verschiedener (dysploider) Karyotypen auf die Stärke der reproduktiven Isolation oder deren Fehlen zu ermitteln. Das vorgeschlagene Projekt wird die komplexe Chromosomenevolution von Krokussen entschlüsseln, wichtige Einblicke in die Rolle der Dysploidie in der Pflanzenevolution geben und soll die Gattung als Modell für Mechanismen und Regulation der Dysploidie in monozentrischen Pflanzen etablieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Frank R. Blattner