Evolution der sexuellen Fortpflanzung bei Pflanzen

In den vergangenen fünf Jahren hat die Forschung enorme Fortschritte beim Verständnis über die Physiologie und Mechanismen der Befruchtung bei der Modellpflanze Arabidopsis erzielt. Hierbei hat sich gezeigt, dass es sich bei Gameten um hochdifferenzierte Zelltypen mit ganz eigenen Transkriptionsprofilen handelt. Fortschritte durch den Einsatz neuer Fluoreszensmarker und Lebend- Zell-Aufnahmeverfahren haben neue Einsichten in die Vorgänge der Gametenanlockung, -freisetzung und interaktion sowie der Reprogrammierung des Chromatins geführt. Dennoch ist unser Verständnis über die Komplexität der doppelten Befruchtung, dem Hauptmerkmal der Blütenpflanzen, noch recht unvollständig. Die Mechanismen, die zur Entwicklung der doppelten Befruchtung geführt haben sind nahezu unbekannt. Daher beantragen wir mit Schlüsselsystemen der Pflanzenevolution volkommen neue Einblicke in die ursprünglichen Mechanismen der Gameten-Differenzierung und Befruchtung zu bekommen: wir wollen co-funktionelle Gennetzwerke herstellen indem wir gametische Expressions- Atlanten des Lebermooses Marchantia, des Blasenmützenmooses Physcomitrella und der ursprünglichsten Blütenpflanze Amborella herstellen. Diese sollen durch entsprechende Netzwerke aus Arabidopsis und den Nutzpflanzen Mais, Reis und Tomate komplementiert werden. Die Netzwerke sollen anschließend genutzt werden, um die Konservierung co-funktioneller Gennetzwerke der Gametogenese, Pollenschlauchwachstum und Befruchtungsmechanismen in Blütenpflanzen zu untersuchen und um neue molekulare Befruchtungsmarker zu identifizieren. Wir wollen z.B. Befruchtungsfaktoren identifizieren, die während der Evolution von Ein- (Gräser) und Zweikeimblättrigen Pflanzen aus ursprünglichen Pflanzen verloren gegangen sind bzw. sich neu entwickelt haben. Darüber hinaus soll die Funktionalität und evolutionäre Konservierung bekannter Schlüsselregulatoren und neuer im Projekt identifizierter Befruchtungsgene untersucht werden. Langfristig werden die identifizierten Mechanismen auch helfen den enormen Einfluss von Umweltstress auf die sexuelle Fortpflanzung zu verstehen um dieses Wissen langfristig zur Erzeugung Stress-resistenter Sorten zu nutzen. In diesem Projekt erzeugte Daten werden es zusätzlich erlauben die erste umfassende Karte des Vorkommens von Chromatin-Reprogrammierung in Pflanzengameten und den Befruchtungsprodukten herzustellen. Ein besseres Verständnis über diese epigenetischen Ereignisse ist eine wesentliche Voraussetzung, um Vererbung von epigenetischen Markierungen über Generationen und insbesondere unter Einfluss von Stress zu verstehen. Dies ist jedoch eine grundlegende Voraussetzung, um die Nutzpflanzenproduktivität auch unter veränderten Umweltbedingungen verbessern zu können. Zusammenfassend werden die Ergebnisse von EVOREPRO zu einem besseren Verständnis über die Evolution der sexuellen Fortpflanzung von ökonomisch wichtigen Nutzpflanzen führen.

Unser Projekt EVOREPRO liefert erstmalig klare Einblicke in die molekulare Evolution der sexuellen Reproduktion bei Pflanzen und erklärt die Ursprünge der doppelten Befruchtung bei Blütenpflanzen. Um dies zu erreichen, arbeiten acht Partner-Forschungsgruppen aus Europa und den USA zusammen. Wir verwenden dafür vergleichende Gen-Expressions- Techniken zur Analyse der Regulationsnetzwerke der sexuellen Reproduktion bei mehreren agrarisch genutzten Blütenpflanzen und der Modellpflanze Arabidopsis. Außerdem untersuchen wir auch die basale Blütenpflanze (bedecktsamige Pflanze) Amborella und zwei Vertreter der ältesten basalen Landpflanzen, Marchantia und Physcomitrella. Das Forschungsteamidentifiziertebisher unbekannteSchlüsselkomponenten der Keimzellenentwicklung und anderer Vorgänge, die in den Keimzellen innerhalb der Befruchtung ablaufen: z.B. die Teilung und Spezifizierung der Keimzellen, Interaktionen und Aktivierung. Die Gruppe von Fred Berger fand innerhalb der Abstammungslinie den evolutionären Ursprung der Bildung von Pflanzenspermien und entdeckte einen bisher unbekannten Mechanismus der Chromatin-Reprogrammierung epigenetischer Informationen in männlichen Keimzellen. Dieses neue Wissen kann dazu beitragen, die Befruchtung verschiedener Agrarpflanzen zu erleichtern und kann somit höhere Ernteerträge ermöglichen.