Evolution der Apomixis im Ranunculus cassubicus Komplex

Apomixis (d.h. Fortpflanzung mittels asexuell produzierter Samen), ist unter Höheren Pflanzen weit verbreitet. Trotz des beachtlichen Kenntnisstandes über die genetische Kontrolle von Apomixis ist über den Ursprung von Apomixis in der Natur und dessen Zusammenhang mit Polyploidisierung wenig bekannt. Einerseits werden Hybridisierung und Polyploidie als Voraussetzung für Apomixis angesehen, andererseits gibt es auch Hinweise auf Apomixis in diploiden oder autopolyploiden Pflanzen. Zielsetzung dieses Projektes ist die Untersuchung der Enstehung von apomiktischen Linien aus sexuellen Vorfahren anhand von wildwachsenden Populationen. Als Modell wurden zwei mitteleuropäische Vertreter des Ranunculus cassubicus-Komplexes gewählt, weil von diesen Arten bereits Daten über Fortpflanzungsmodus, Ploidiestufe und Genetischen Faktoren vorliegen. In R. cassubicifolius wurden bisher diploide und tetraploide sexuelle Populationen festgestellt, wobei Einzelindividuen apomiktisch sein könnten. In R. carpaticola wurden bisher diploide sexuelle und polyploide Apomikten vorgefunden, die letzteren sind vermutlich hybridogen aus R. cassubicifolius und R. carpaticola entstanden. Anhand der beiden Arten kann untersucht werden, ob Apomixis in autopolyploidien, allopolyploiden oder diploiden Populationen auftritt. Die genetische Diversität in natürlichen Populationen soll mittels DNA Markern (AFLPs und Mikrosatelliten) untersucht werden, um das Auftreten von Klonen innerhalb der Populationen festzustellen. Außerdem wird mit diesen Markern die Verwandtschaftsbeziehung der Sippen und der mutmaßlich hybridogene Urspung der Apomikten untersucht, wobei auch andere Arten des R. cassubicus-Komplexes einbezogen werden. Auf der Ebene von Individuen wird der Fortpflanzungsmodus anhand von Pollenqualität, Embryosack-Entwicklung und Nachkommenschaftstests festgestellt. Embryologische Studien sollen dabei das Auftreten von Aposporie zeigen; die Nachkommenschaft von kontrollierten Kreuzungen wird hinsichtlich Ploidiestufe und Genotyp mit denselben molekularen Markern wie die Eltern untersucht, um das Ausmaß von Parthenogenese und die Funktionalität der Apomixis zu zeigen. Die Ergebnisse lassen weitere Erkenntnisse für die Evolution apomiktischer Sippen erwarten. Information über die Bedingungen, unter denen Apomixis in natürlichen Populationen auftritt, lassen ein bessere Verständnis der Zusammenhänge von Apomixis, Hybridisierung und Polyploidie erwarten. Diese Erkenntisse sind auch für das Verständnis der genetischen Kontrolle von Apomixis von großer Bedeutung.

Innerhalb der Blütenpflanzen tritt Fortpflanzung mittels asexuell produzierter Samen (Apomixis) in zahlreichen weitverbreiteten und häufigen Artkomplexen auf. Die Untersuchung der Entstehung asexueller Linien, der Ursachen von genetischer Diversität in wildwachsenden Populationen, und der verwandtschaftlichen Beziehungen in diesem Artkomplex war das Ziel des Projektes. Die Ergebnisse zeigen, dass asexuelle Fortpflanzung nicht allein aufgrund von Duplizierung des Genoms entsteht, sondern erst nach einer zusätzlichen Kombination zweier Genome aufgrund von Hybridisierung zu beobachten ist. Die genetische Diversität in asexuellen Artkomplexen wird offenkundig sowohl von rezenten als auch von historischen Faktoren verursacht und weist auf eine beträchtliche Dynamik der Artentstehung hin. Die Verwandtschaftsverhältnisse innerhalb des asexuellen Artkomplexes sind aufgrund von Hybridisierung retikulat. Die Analysen wurden an mittel- bis osteuropäischen Arten der Gattung Hahnenfuß (Ranunculus cassubicus Komplex) durchgeführt, von denen bereits Voruntersuchungen vorlagen. Der Artkomplex inkludiert zwei sexuelle Arten: eine di- und tetraploide Art aus dem Alpengebiet, sowie eine zweite Spezies, die mit diploiden sexuelle und hexaploiden asexuellen Populationen in den Karpaten vorkommt. Die Analysen von DNA-Markern (Fingerabdruck-Methoden), DNA-Gehalt und Nachkommenschaftstests ergaben, dass die asexuellen hexaploiden Klone durch Hybridisierung von tetraploiden alpinen und diploiden Karpaten-Populationen entstanden sind. Dieser einmalige Vorgang hat vermutlich im Pleistozän stattgefunden, als Klimaschwankungen zu Arealverschiebungen der Arten verursacht haben. Die Kombination verschiedener Genome hat möglicherweise Apomixis ausgelöst; eine bloße Genomduplizierung, wie sie in der tetraploiden Sippe vorliegt, hat nicht zu asexueller Fortpflanzung geführt. Die genotypische Diversität ist in asexuellen Populationen wesentlich geringer als in sexuellen Arten, nicht jedoch die Diversität der Allele, die wahrscheinlich aufgrund der hybridogenen Entstehung und durch Mutationen erhöht wird. Eine hohe Diversität von Klonen existiert zwischen Populationen, was wahrscheinlich durch lokale fakultative Sexualität und Mutationen verursacht wird. Das Potential zur kontinuierlichen Enstehung neuer Klone könnte dazu beitragen, dass sich Klone in verschiedenen Habitaten etablieren können. Stammbaumanalysen anhand von DNA-Sequenzen weisen auf retikulate, durch Hybridisierung geprägte Verwandtschaftverhältnisse hin. Die Ergebnisse erbringen neue Erkenntnisse für die Bedingungen bei der Entstehung neuer asexueller Linien sowie für die Biodiversität von apomiktischen Artkomplexen. Die Dynamik in der Entstehung neuer Klone weist darauf hin, dass asexuelle Komplexe eine höheres evolutionäres Potential haben als bisher angenommen. Die Ergebnisse regen zu weiteren Untersuchungen der ökologischen Differenzierung und des Ausbreitungserfolges von asexuellen Pflanzen an, könnten aber auch potentiell für die Entwicklung und Verwendung von asexuellen Getreidearten von Bedeutung sein.