Diversität und Evolution von Paprika und Chillis (Solanaceae)

Evolution, Diversifizierung und Artbildung bei Pflanzen werden gewöhnlich von genomischen, epigenetischen, Genomgrößen- und chromosomalen Änderungen begleitet. Repetitive DNA, die einen großen Bestandteil pflanzlicher Genome ausmacht, ist ein wichtiger Treiber genomischer Evolution. Trotz deutlicher Fortschritte in den letzten Jahren sind nach wie vor zahlreiche Fragen aus diesem Bereich offen. Ein geeignetes und attraktives System, um Aspekte genomischer Evolution in einer Gruppe nahe verwandter Sippen zu untersuchen, ist die Gattung Capsicum (Solanaceae). Ihre ca. 40 Arten sind in Mittelamerika zentriert und sind von großer wirtschaftlicher Bedeutung, da die Gattung die weltweit bedeutenden Gemüse- und Gewürzpflanzen Paprika und Chilli beinhaltet. Alle bislang untersuchten Arten sind diploid mit zwei mehrfach entstandenen Chromosomengrundzahlen (x = 12, 13) und signifikanter Variation im Hinblick auf Heterochromatingehalt und Genomgröße. Hypothesen bezüglich der Verwandtschaftsbeziehungen und chromosomaler und Genomgrößenevolution existieren. Moderne Sequenziermethoden zusammen mit molekularen, bioinformatischen und zytogenetischen Techniken erlauben, die evolutionären Richtungen genomischer Evolution im Allgemeinen und innerhalb dieser wichtigen Gattung im Besonderen zu verstehen. Im diesem Projekt wird eine Kombination von Methoden angewandt, um die zwischenartlichen Verwandtschaftsbeziehungen und die Genomevolution in Capsicum zu analysieren. Molekular- phylogenetische Ansätze werden den phylogenetischen Rahmen etablieren, innerhalb dessen Genomevolution im Zusammenhang mit Artdifferenzierung und Domestikation sowie die genetische Grundlage von Selbstinkompatibilität analysiert werden können. Die vergleichende Untersuchung dieser Gattung wird signifikante Fragen bezüglich des Einflusses und der Häufigkeit genomischer Änderungen im Zusammenhang mit Diversifizierung und Artbildung beantworten. Dabei wird die molekulare Phylogenie der Gattung vervollständigt, die in weiterer Folge zur Ermittlung der Evolution spezifischer Merkmale, insbesonderesolche der genomischen Zusammensetzung und Struktur, herangezogen wird. Hypothesen bezüglich Trends und Mechanismen chromosomaler Evolution in Capsicum (z. B. Entstehung der beiden Chromosomengrundzahlen) sowie Herkunft und Zusammensetzung des Heterochromatins werden getestet. Die repetitive DNA wilder und kultivierter Capsicum-Sippen wird genauercharakterisiert, um jeneElemente, die für Genomgrößenänderungen verantwortlich sind, zu identifizieren. Schließlich werden die genetischen Grundlagen unterschiedlicher reproduktiver Strategien der kultivierten Chilli C. pubescens mittels S- Genotypisierung charakterisiert, um die Rolle von Selbstinkompatibilität für die Artendiversität zu verstehen.

ZUSAMMENFASSUNG Die Gattung Capsicum (Solanaceae) umfasst etwa 40 in Mittel- und Südamerika zentrierte Arten und alle kultivierten Paprika- und Chili-Sorten, weshalb die Gattung auch von großer wirtschaftlicher Bedeutung ist. Die Gattung ist ein exzellentes Modellsytem, um die Diversität und die Evolution genetischer Repeats unter natürlicher und anthropogener Selektion, die gewöhnlich in der Reduktion genetischer Diversität resultiert, zu analysieren. Alle Capsicum-Arten sind diploid mit 2n = 24 oder 2n = 26 Chromosomen. Trotz Fehlens von Polyploidie gibt es eine bis zu 4,5-fache Variation in der Genomgröße. Mit Hilfe genomischer RADseq-Daten konnte eine gut aufgelöste phylogenetische Hypothese der gesamten Gattung erstellt werden, wonach neun Linien unterschieden werden können. Während die Gattung etwa 19 Mio. Jahre alt ist, sind jene Gruppen, zu denen auch die domestizierten Arten gehören, nur 2 Mio. Jahre alt. Die ursprüngliche Chromosomenzahl wurde als 2n = 24 rekonstruiert, und 2n = 26 ist zweimal unabhängig entstanden. Ausgehend von einer kleinen anzestralen Genomgröße kam es in verschiedenen Linien unabhängig voneinander zu einer Genomgrößenzunahme, Änderungen, die unabhängig von denen in den Chromosomenzahlen sind. Chromosomen- und Genomgrößenänderungen hängen stark von Änderungen in der Zusammensetzung und der Lokalisierung von repetitiver DNA ab. Generelle Profile repetitiver DNA wurden von allen außer zwei Capsicum-Arten mit Hilfe NGS-Sequenzierung (Illumina) und einschlägiger bioinformatischer Analysen (RepeatExplorer) erstellt. In allen Capsicum-Genomen wurde die repetitive DNA von einer dispersen Superfamilie von Gypsy Retrotransposons dominiert, die für die Genomgrößenzunahmen verantwortlich ist. Repetitive DNA der fünf domestizierten Capsicum-Sippen hatte eine deutliche geringere Variabilität als die wildwachsender Arten. Obwohl Ribosomale RNA und Satelliten-DNA nur in geringen Mengen als Retrotransposons vorhanden waren, trugen sie signifikant zu intra- und interspezifischer chromosomaler Variation in den Hauptgruppen bei. Während in den kultivierten Sippen lediglich 3-5 Satelliten-DNA-Familien gefunden werden konnten, waren es in den wilden Sippen bis zu 10. Im Gegensatz dazu besaßen die kultivierten Sippen mehr Loci mit größerer Variation hinsichtlich der Lokalisierung. Neu identifizierte Tandem-Repeats wurden mittel Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) auf den Chromosomen lokalisiert. Zahl und Lokalisierung individueller Satelliten-DNA-Familien erlauben die Identifizierung einzelner Chromosomenpaare in den meisten Arten.