Evolution des Plastidengenoms beim Vollparasiten Orobanche

Das Plastidengenom von Blütenpflanzen ist sehr einheitlich bezüglich Größe, Struktur, Zusammensetzung und molekularer Substitutionsraten. Die Zusammensetzung ist allerdings nicht völlig statisch, und es gibt einen generellen Trend zum Verlust genetischer Information durch Gendeletionen etwa als Folge des Transfers in das Kerngenom. Obwohl der Transfer funktioneller Gene aus dem Plastidengenom heute sehr selten ist oder überhaupt aufgehört hat, ist jener, der in nicht-funktionellen Kopien resultiert, noch immer recht häufig. Daneben gibt es in unterschiedlichen Gruppen verschiedene größere strukturelle Änderungen etwa durch den Verlust von Introns, Inversionen oder Transpositionen. Eine Gruppe, die besonders viele derartiger Änderungen zeigt, sind vollparasitische Blütenpflanzen. Diese Pflanzen sind zeitlebens von einer Wirtspflanze abhängig, von der sie Wasser, Nährstoffe und Makromoleküle aufnehmen. Nachdem sie keinerlei Photosynthese mehr betreiben, haben die relevanten Gene ihre Funktion verloren, was zur Pseudogenbildung und schließlich zu ihrem völligen Verlust führt. Bezeichnenderweise sind derartige gravierende Änderungen nicht nur auf jene Gene beschränkt, die in Photosynthese und Lichtatmung involviert sind. Obwohl die eben beschriebenen Muster generell auf all bisher diesbezüglich untersuchten Pflanzen zutreffen, gibt es doch wesentliche Unterschiede im Detail. So können bestimmte Photosynthesegene in nahe verwandten Gruppen entweder intakt, zu Pseudogenen verändert oder fehlend sein. Das Ziel dieser Studie ist es, die Evolution des Plastidengenoms in einer Gruppe vollparasitischer Gattungen aus der Familie der Orobanchaceae (Orobanche und verwandte Gattungen, darunter Epifagus, dessen Plastidengenom bereits zur Gänze sequenziert ist) zu untersuchen. Spezifisch werden folgende Aspekte analysiert werden: (i) Co- Linearität und strukturelle Änderungen; (ii) potentielle Funktionalität von Photosynthese- und Lichtatmungsgenen; (iii) Pseudogenbildung und Genverlust; (iv) erhöhte Substitutionsraten; (v) Heteroplasmie und horizontaler Gentransfer. Zu diesem Zweck werden die Plastidengenome von 10 Arten vollständig sequenziert werden. Die Bedeutung des Forschungsprojektes liegt darin, dass Mechanismen, Muster und Raten der DNA- und Plastidengenomevolution in einer Gruppe nahe verwandter vollparasitischer Blütenpflanzen gründlich untersucht werden können. Besonders können Fragen zur Evolution von Genen nach dem Verlust selektiver Drücke oder Möglichkeiten der Größenreduktion des Plastidengenoms in einem bislang nicht erreichten breiten vergleichenden Kontext untersucht werden.

Vollparasitische Blütenpflanzen betreiben keine Photosynthese mehr, weshalb große Teile der Genome der Plastiden (der für die Photosynthese zuständigen Organellen) keinerlei funktionellen Zwängen mehr unterliegen. Folgen davon sind, unter anderem, allgemein erhöhte Substitutionsraten sowie Funktionsverlust bei an Photosynthese und damit zusammenhängenden Prozessen beteilgten Genen, die letztendlich auch verloren gehen und solcherart zu einer deutlichen Größenreduktion des Plastidengenoms führen. Diese evolutionären Trends sind hier zum erstenmal in einem breiten vergleichenden Kontext untersucht worden. Die Hauptergebnisse sind: (1) Größenreduktion des Plastidengenoms wird zwar als genereller Trend bei vollparasitischen Pflanzen bestätigt, diese Reduktion erfolgt allerdings nicht in gleichmäßiger Form, sondern in einer oft gruppenspezifischen und von phylogenetischen Verwandtschaftsbeziehungen unabhängigen Art und Weise. (2) Zusätzlich zu Größenreduktion stellen Umstruktierungen des Genoms einen zweiten wichtigen Faktor der strukturellen Evolution des Plastidengenoms dar. Bezeichnenderweise treten solche Umstrukturierungen bereits bei noch photosynthetisch aktiven Parasiten auf, was darauf hindeutet, dass solche Änderungen nicht durch den Verlust der Photosynthese, sondern eher durch die Lebensform des Parasitismus (mit)bedingt sind. (3) Die Muster des Verlustes von Genfunktionen und von gesamten Genen sind wesentlich komplizierter als bislang angenommen. Insbesondere hängen diese nicht mit der Entbehrlichkeit einzelner Funktionen zusammen, sondern mit anderen, noch zu identifizierenden, Faktoren. Einige in Photosyntheseprozessen beteiligte Gene besitzen offenkundig weitere bislang nicht bekannte Funktionen, da sie zumindest potentiell noch funktionell sind. Umgekehrt zeigen andere Gene, die man bislang für stark konserviert erachtet hat, bereits unterschiedliche Stufen der Degradation und Reduktion. Fortschritte der letzten Jahre im Bereich von Sequenziertechnologien ("next-generation sequencing") erlauben es nun, die Sequenzen auch besonders schwieriger Plastidengenome zu ermitteln. Unter Verwendung von Simulationen quantifizieren wir den Ausgleich zwischen erhöhter Abdeckung des Genoms (je mehr Sequenzierdaten, umso höher die Abdeckung des Plastidengenoms) und daraus resultierenden Problemen (z. B. steigende Rechnerressourcen, Assemblierungsprobleme und -qualität). Wir entwickeln eine neue Strategie der Datenaufbereitung und -analyse, die auch für einen normalen Desktop-Computer geeignet ist und solcherart die Auswertung dieser enormen Datenmengen von der Verfügbarkeit von Hochleistungsrechnern unabhängig macht.