Mutationsdynamik nicht-kodierender Genomabschnitte und ihr Potential für die Rekonstruktion der Evolution eudikotyler Angiospermen
Final Report Abstract
Die Eudikotylen stellen die größte natürliche Verwandtschaftsgruppe innerhalb der Angiospermen dar. Sie umfassen ca. 75% der Artendiversität (geschätzt 270.000 Arten) und umfassen Modellpflanzen wie Arabidopsis, die überwiegende Zahl der Gehölzpflanzen und Bäume in temperaten sowie tropischen Regionen, sowie die meisten Nutzpflanzen außerhalb der Süßgräser. Im Rahmen des Projektes „Mutationsdynamik nicht-kodierender Genomabschnitte und ihr Potential für die Rekonstruktion der Evoluflon eudikotyler Angiospermen" wurde ein repräsentatives Spektrum von ca. 350 verschiedenen Gattungen der Eudikotylen mit molekularen Methoden untersucht, mit dem Ziel die Verwandtschaftsverhältnisse besser zu verstehen. Dazu wurden gezielt nichtkodierende und schnell evolvierende Abschnitte des Chloroplastengenoms (Introns und Spacer) vergleichend sequenziert. Bisherige Arbeiten stützten sich weitgehend auf die Sequenzierung und phylogenetische Analyse stark konservierter Gene, wie zum Beispiel rbcL. Den Anlass zum Projekt gaben eigene Beobachtungen bei sogenannten altertümlichen Angiospermen (Seerosen, Magnolien und Verwandte), die nahelegten, dass schnell evolvierende Plastiden-Introns und Spacer vielversprechende phylogenetische Marker sind, und erheblich bessere Information pro sequenzierter Base enthalten als kodierende Gene. Eine weitere Eigenschaft dieser nicht-kodierenden Genomabschnitte sind häufige mikrostrukturelle Mutationen (d.h. Insertionen, Verdopplungen, Inversionen von Sequenzelementen < 200 nt). Das zweite zentrale Ziel des Projektes war daher die Mutationsdynamik von Introns und Spacern genauer zu verstehen. Die Erwartungen hinsichtlich des phylogenetischen Informationsgehaltes der hier erstmals in diesem Umfang analysierten Marker haben sich voll erfüllt. Die Ergebnisse umfassen die derzeit am besten gestützte Phylogenie der früh abzweigenden Eudikotylen, der Rosiden und der Caryophyllales. Eine Überraschung war die Neu-Umschreibung der Huerteales als eine isolierte Ordnung innerhalb der Rosiden. welche die Schwestergruppe zu einem Brassicales+Malvales Clade darstellt. Die Ergebnisse zur molekularen Evolution nicht-kodierender Plastiden-DNA werden derzeit in einem Sonderband der Zeitschrift Plant Systematics und Evolution zusammengefasst mit Ergebnissen anderer Autoren publiziert (Editors T. Borsch, D. Quandt, M. Koch). Es ergeben sich neue Ansätze für das Alignment und die Merkmalskodierung, die effiziente phylogenetische Rekonstruktionen basierend auf nicht-kodierender DNA ermöglichen. Die Ergebnisse legen nahe, dass einheittiche Gap-Costs und ähnlichkeitsbasierte Algorithmen aufgrund der stark unterschiedlichen Mutaflonsdynamik der unterschiedlichen Genomabschnitte keine idealen Ansätze darstellen, sondern vielmehr die durch mikrostrukturelle Mutationen betroffenen Sequenzelemente als Merkmale verstanden werden müssen. Gruppe II Introns (hier wurden die Introns in petD und tmK analysiert) enwiesen sich als ideale Marker für die Phylogenie-Rekonstruktion, insbesondere für Fragestellungen, bei denen eine hohe Zahl verschiedener Arten einbezogen werden muss (Biogeographie, Genese der Diversität in artenreichen Gattungen und Familien, Evolution ganzer Floren). Vielversprechend ist die Sequenzierung dieser Introns für ein molekulares Biodiversitäts-Assessment kombiniert mit phylogenetischen Fragestellungen.
Publications
- (2007). Phylogeny of basal eudicots: insights from non-coding and rapidly evolving DNA. Org. Divers. Evol. 7, 55-77
Worberg A, D Quandt, A-M Barniske, C Löhne, KW Hilu, T Borsch
- (2009). Huerteales sister to Brassicales plus Malvales, and newly circumscribed to include Dipentodon, Gerrardina, Huertea, Perrotetia and Tapiscia. Taxon 58: 468-478
Worberg A, M H Alford, D Quandt, T Borsch
- (2009). The petD group ll intron as a species level marker: ufility for tree inference and species identification in the diverse genus Campanula (Campanulaceae). Willdenowia 39: 7-33
Borsch T, N Korotkova, T Raus, W Lobin, C Löhne
