Carnivory in Lamiales: understanding character evolution, substitution rate plasticity, and genome miniaturization
Final Report Abstract
Im Rahmen des vorliegenden Projektes konnte erstmalig eine robuste Hypothese zur Abfolge basaler Verzweigungen in der Angiospermen-Ordnung Lamiales aufgestellt werden, und die mehrfache unabhängige Evolution von Karnivorie in der Ordnung klar gezeigt werden. Für die Gattungen der Familie Lentibulariaceae, die im Fokus des Projektes stand, wurden Stammbäume mit erweitertem Taxon-Sampling rekonstruiert, die Evolution morphologischer Merkmale nachvollzogen und im Bedarfsfall bereits erste taxonomische Konsequenzen gezogen (neue Sektionen und Arten). Mit den im Projekt generierten Daten liegen nun erstmalig vollständig sequenzierte Chloroplastengenome von karnivoren Pflanzen vor. Eine Größenreduktion des Plastoms um etwa ein Zehntel konnte festgestellt werden, wofür hauptsächlich der Verlust von Genen für die NAD(P)H Dehydrogenase und veränderte Anteile von repetitiver plastidärer DNA verantwortlich sind. Ansonsten sind die Chloroplastengenome der sequenzierten Karnivoren strukturell unauffällig und weitgehend kollinear zu nahe verwandten nicht-karnivoren Vertretern der Lamiales. Auffallend waren eine plastomweite Erhöhung von Substitutionsraten und von Raten mikrostruktureller Evolution. Stufen zunehmend nachlassender negativer Selektion einmal beim Übergang zur Karnivorie und dann erneut bei der Diversifizierung innerhalb von Lentibulariaceae und der Entstehung der besonders stak abgeleiteten Linie aus Utricularia und Genlisea konnten für verschiedene Klassen von Genen nachgewiesen werden. Auch in den nicht-kodierenden Bereiche des Plastoms zeigen die Lentibulariaceae signifikant erhöhte Substitutionsraten. In ersten Analysen der Mitochondrien-Genome fanden sich keine vergleichbaren Muster. Mit Genlisea tuberosa wurde ein neuer Rekordhalter für das kleinste Angiospermen-Genom (1C = 61 Mbp) festgehalten, und Verteilungsmuster von Genomgröße, Ploidiestufen und Chromosomenzahlen wurden analysiert. Eine Verringerung des Anteils repetitiver DNA im Kern- Genom von Lentibulariaceae ist wesentliche Ursache der Reduktion, wobei jedoch die Diversität repetitiver Elemente erhalten bleibt. Die gewonnenen Daten und Erkenntnisse sind nun Grundlage für geplante Folgeprojekte, in denen aus funktioneller und Genomevolutions-Perspektive weiteren Fragen zu Fallen und Verdauung, Reduktion des Bauplans, Minimalem Angiospermengenom und paralleler Entfaltung des Karnivorensyndroms nachgegangen werden soll.
Publications
- Phylogenetics and character evolution in the carnivorous plant genus Genlisea A. St.-Hil. (Lentibulariaceae). Molecular Phylogenetics and Evolution 56, 768–783 (2010)
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- Towards resolving Lamiales relationships: insights from rapidly evolving chloroplast sequences. BMC Evolutionary Biology 10, 352 (2010)
Schäferhoff, B., Fleischmann, A., Fischer, E., Albach, D. C., Borsch, T., Heubl, G. & Müller, K. F.
- Disproportional plastome-wide increase of substitution rates and relaxed purifying selection in genes of carnivorous Lentibulariaceae. Molecular Biology and Evolution 31, 529–45 (2014) (Cover story)
Wicke, S., Schäferhoff, B., DePamphilis, C. W. & Müller, K. F.
(See online at https://doi.org/10.1093/molbev/mst261) - Evolution of genome size and chromosome numbers in the carnivorous plant genus Genlisea (Lentibulariaceae). Annals of Botany 114, 1651–1663 (2014)
Fleischmann, A., Michael, T., Rivadavia, F., Wang, W., Temsch, E., Greilhuber, J., Müller, K. F. & Heubl, G.
(See online at https://doi.org/10.1093/aob/mcu189)
