Chromosomen und Evolution von Melampodium (Asteraceae)

Nanostrukturierte magnetische Materialien (ultradünne Schichten, Multischichten oder Supergitter, Nanodrähte, geordnete Ensembles kleiner Cluster - "quantum dots") stellen ein wesentliches Element bei der Entwicklung elektronischer Komponenten und DatenSpeicher Medien dar. Das im Entstehen begriffene Konzept der "Spintronik" basiert auf der Tatsache, daß Elektronen nicht nur eine Ladung, sondem auch einen Spin besitzen und erfordert die Herstellung nanodimensionierter Materialien mit maßgeschneidert magnetischen Eigenschaften. Die Modellierung nanostrukturierter Magnete stellt eine bedeutende Herausforderung an die Festkörpertheorie und die rechnergestützte Materialforschung dar. Auf der Nanometer- Skala besitzen magnetische Materialien oft Eigenschaften die sich drastisch von denen des makroskopischen Materials unterscheiden. Lokale Information wie etwa das magnetische Profil einer ultradüunnen Schicht oder die Austausch-Kopplung zwischen parallel angeordneten Nanodrähten ist einem Laboratoriums-Experiment nicht direkt zugänglich, kann aber mit hoher Genauigkeit mit Hilfe moderner Spin-DichteFunktional Methoden berechnet werden. In den vergangen Jahren haben diese Techniken wesentlich zur Erweiterung unserer Kenntnisse über dünne magnetische Schichten und Multischichten beigetragen, viele Frage bleiben aber noch offen. Das Ziel des hier vorgelegten Projekts ist es, diese Studien fortzusetzen und auszudehnen: wir möchten mehr über die Faktoren lernen, die die atomare und magnetische Struktur von dünnen Schichten, Nanodrähten und Clustern bestimmen indem wir die atomare Beweglichkeit untersuchen und dadurch über die energetische Optimierung hinaus Zugang zu kinetischen Faktoren erhalten. Darüber hinaus sollen magnetische Anisotropie, Austausch-Kopplung, magnetische Fluktuation und Anregungen, sowie elektronische Transportprozesse in nanostrukturierten Materialien untersucht werden. Wir hoffen auf diese Weise den Weg zu einem rechnergestützten Entwurf nanostrukturierter magnetischer Materialien beizutragen.

Veränderungen der Chromosomenzahl spielten eine wichtige Rolle in der Evolution der Blütenpflanzen. Verdoppelung von ganzen Genomen (Eupolyploidie) und Zu- oder Abnahme von einzelnen Chromosomen (Aneuploidie) gibt es in mehr als der Hälfte der ca. 250.000 Arten. Viele frühere Studien haben versucht, die Diversität der Chromosomen innerhalb bestimmter Pflanzengruppen, oft Gattungen, zu verstehen und die beobachteten zytologischen Unterschiede mit einer bekannten Phylogenie zu korrelieren. Neue molekulare Phylogenien, die durch große Datenmengen bessere statistische Unterstützung bieten, können nun für Gruppen erstellt werden, die eine große chromosomale Variation aufweisen, um die Art und Geschwindigkeit von Chromosomenveränderung besser zu verstehen. Die vorgeschlagene Forschung wird die Chromosomenevolution in der Gattung Melampodium aus der Familie der Korbblütler (Asteraceae) untersuchen, die eine lange Reihe von haploiden Chromosomenzahlen von n = 9, 10, 11, 12, 18, 20, 23, 25 1, 27, 30, und 33 aufweist. Die 39 Arten der Gattung sind in den südwestlichen USA, Mexiko und Mittelamerika verbreitet. Nah verwandte Gattungen sind Acanthospermum (n = 11; 7 Arten; Lateinamerika) und Lecocarpus (n = 11; 3 Arten; Galapagos Inseln). Früher publizierte taxonomische Arbeiten, phenetische und kladistische Untersuchungen, und Perspektiven über Isolations- und Artbildungsmechanismen in Melampodium liefern viele Hypothesen über Verwandtschaftsverhältnisse und Evolution, die mit neuen molekularen phylogenetischen und zytologischen Techniken getestet werden können. Der erste Teil des ganzheitlichen Forschungsprojekts wird klassische und molekulare zytologische Techniken verwenden, um zytogenetische Erklärungen für die Diversität und Evolution der Chromosomen in der ganzen Gattung und im Komplex mit weißen Strahlblüten zu liefern. DNS-Lokalisierungen werden neue Daten für den Vergleich von Karyotypen zwischen Taxa beisteuern, um Hypothesen über die Mechanismen von Chromosomenveränderungen, besonders zwischen Allopolyploiden, und die Ursprünge der Tetraploiden innerhalb des Areals der Diploiden im Komplex mit weißen Strahlblüten zu generieren. [Dieser Teil des Projekts wurde bereits Dr. Weiss-Schneeweiss als Teil eines Hertha-Firnberg Stipendiums zuerkannt.] Der zweite Teil des Forschungsprojekts (hier beantragt) wird mit Markern der Kern- und Chloroplasten-DNS (cpDNS) die Phylogenie der ganzen Gattung (und verwandter Gattungen als Außengruppen) rekonstruieren. Material wird sequenziert und Phylogenien mit einer Kombination von Parsimonie, Maximum Likelihood und Bayesian Algorithmen rekonstruiert werden. Eine robuste phylogenetische Hypothese wird es ermöglichen, den Verlauf der Chromosomenevolution in der Gattung zu verfolgen. Besondere Aufmerksamkeit wird den Ursprüngen der Allopolyploiden gewidmet werden, die in einem kladistischen Kontext nur schwer enträtselt werden können. Mechanismen der diploiden Artbildung werden auch im Zusammenhang mit ökologischen und Verbreitungsdaten untersucht werden. Die vorgeschlagene Forschung wird auch die Beziehungen zwischen Populationen des Komplexes mit weißen Strahlblüten im nordöstlichen Mexiko und angrenzenden südwestlichen USA in einem phylogeographischen Kontext mit DNS-Fingerprinting analysieren. Die drei Arten dieses Komplexes (M. argophyllum, M. cinereum und M. leucanthum) haben annähernd allopatrische und ökologische unterschiedliche Areale. Wie diese Populationen vom Rest der Gattung abstammten und dann nacheiszeitlich nordwärts wanderten, wird durch quantitative Auswertungen von vergleichenden AFLP und cpDNS-Restriktionsschnittstellendaten abgeleitet werden. Außerdem werden die Ursprünge und Erhaltungsmechanismen der tetraploiden Cytotypen im Gebiet der diploiden M. cinereum und M. leucanthum mit molekulare Daten und Feldstudien untersucht werden.