Hybridization and expression of apomixis

Hybridisierung und Polyploidie stellen wichtige Evolutionsprozesse bei Blütenpflanzen dar und sind oft mit Änderungen im Fortpflanzungssystem verbunden. Es ist jedoch unklar, wie diese Prozesse Änderungen im Reproduktionsmodus verursachen. Das Projekt hat zum Ziel, die Auswirkungen von Hybridisierung auf Embryosackentwicklung und Embryogenese, und Komponenten asexueller Fortpflanzung (Apomixis) an einem natürlichen apomiktischen Polyploid-Komplex (Ranunculus auricomus) zu untersuchen. Die Änderungen im Phänotyp und in der Gen-Expression werden an natürlichen Apomikten, deren sexuellen Elternarten, sowie an experimentell erzeugten Hybriden von sexuellen Arten untersucht. Änderungen in der zeitlichen Abfolge der Gen- Expression, die möglicherweise zu Apomixis führen, sind von besonderem Interesse. Zu Beginn werden screenings mit flow cytometric seed screen, histologische Methoden und molekularen Nachkommenschaftstests durchgeführt, um geeignete Individuen für genauere Transkriptom-Analysen zu finden. An ausgewählten Individuen von Apomikten, sexuellen Pflanzen und den Hybriden wird das Transkriptom in der Samenanlage mittels 454 Sequenzanalyse erfasst, danach werden mittels Microarrays an spezifischen Gewebeproben die Expressionsmuster verglichen. Dieser Ansatz erlaubt den direkten Vergleich von apomiktischen und sexuellen Biotypen hinsichtlich Phänotyp und Genregulation und gibt möglicherweise Hinweise, wie Evolutionsschritte von Sex zu Apomixis in Hybriden erfolgen könnten. Wir erwarten neue Erkenntnisse über die Bedingungen und Prozesse, bei denen Apomixis auf natürliche Weise entstehen kann. Diese Frage ist nicht nur für die evolutionsbiologische Frage interessant, warum sexuelle Fortpflanzung bei höheren Organismen dominant ist; die Ergebnisse sind auch für biotechnologische Anwendungen, wie etwa die Herstellung apomiktischer Getreidesorten, relevant.

Hybridisierung und Duplikationen des Genoms (Polyploidie) stellen wichtige Faktoren für die Evolution von Blütenpflanzen dar und sind oft mit einer Änderung des Reproduktionsmodus verbunden. Apomixis, die Fortpflanzung mittels asexuell gebildeter Samen, ist fast stets mit Hybridisierung oder Polyploidie verknüpft. Das Projekt testet die Hypothese, dass Hybridbildung die apomiktische Entwicklung auslöst. Es wurden Kreuzungen sexueller Arten der Ranunculus auricomus Gruppe (Gold-Hahnenfuß) durchgeführt, und die Hybriden wurden hinsichtlich ihrer Entwicklungs- und Reproduktionsbiologie untersucht. Die Kreuzungen zeigten bereits in der ersten Generation die Entwicklung von Embryosäcken und damit die wichtigste Komponente von Apomixis. Molekular-phylogenetische Studien sowie geometrische Morphometrie bestätigen die hybridogene Herkunft von wild vorkommenden Apomikten. Vergleichende RNA Studien mittels der Illumina Sequenzierung und Auswertung von Markern (single nucleotide polymorphisms) bestätigen die hybridogene Herkunft der Apomikten und ein Alter von c. 70,000 Jahren. Die apomiktischen Linien zeigen keine Akkumulation von funktionell wirksamen Mutationen im Genom, divergieren aber sehr schnell voneinander. Diese Ergebnisse widersprechen traditionellen Hypothesen, dass Apomixis eine Sackgasse der Evolution aufgrund der Anhäufung von nachteiligen Mutationen wäre. Hingegen konnte durch unsere Ergebnisse eine neue Hypothese entwickelt werden, dass Apomixis eine Übergangsphase in der Evolution polyploider Pflanzen darstellt, die zur Diversifizierung und Arealerweiterung einer Gruppe beiträgt. Um diese Hypothese in einem größeren Ausmaß zu überprüfen, wurde das Vorkommen von Apomixis in allen Gattungen der Angiospermen kompiliert und in einer Datenbank online gestellt. Statistische Auswertungen zeigen eine deutliche Assoziation von Apomixis zu diversen und weitverbreiteten Pflanzenfamilien. Die RNA-Sequenzdaten haben die Gattung Ranunculus als Modellorganismus mit über 1200 annotierten Genen etabliert. Studien der Genexpression an vier verschiedenen Entwicklungsstadien mittels Microarrays zeigen, dass über 200 Gene in Apomikten und sexuellen Pflanzen verschieden exprimiert sind. Apomixis ist daher vermutlich durch Änderungen der Genexpression reguliert und eine flexible Reproduktionsstrategie. Populationsgenetische Studien und Analysen von Samen mittels Durchflusszytometrie an verschiedenen Ranunculus-Arten zeigen, dass ein hohes Ausmaß von fakultativer Sexualität und genetischer Variation innerhalb der Populationen vorliegt. Diese Resultate haben dazu beigetragen, eine neue Hypothese zu entwickeln, dass Sexualität eine Reaktion eines Organismus auf umweltinduzierten Stress darstellt.