Ökologische Transcriptomics in Schwester-Allopolyploiden

Hybridisierung und Genom-Verdopplung sind in der gesamten evolutionären Geschichte der Landpflanzen häufig und allgegenwärtig, und sie wirken als wichtige Stimulatoren der Artbildung. Unmittelbar nach einem Polyploidisierungsereignis muss das Genom seine Organisation und Funktionalität auf genetischem und epigenetischem Niveau wiederherstellen. Diese Änderungen können neue Expressionsmuster induzieren, welche zu phänotypischen Änderungen und erhöhter evolutionärer Flexibilität führen können. Wir wissen, dass mehrfache Entstehung von Allopolyploiden durchaus häufig ist, aber die langfristige evolutionäre Bedeutung dieser wiederholten Bildung ist unklar. Wiederholte Polyploidisierung kann in unterschiedlichen genetischen Linien resultieren, und es ist noch unerforscht, wie solche Linien ihre Eigenständigkeit bewahren können obwohl sie aus den gleichen Elternarten hervorgegangen sind und das gleiche Ploidie-Niveau teilen. In diesem Projekt soll die genomweite natürliche Diversität in Expressionsraten von Genen bei nahe verwandten Arten untersucht werden. Wir wollen jene Gene zu finden, die die Anpassung an verschiedene Umweltbedingungen steuern. Wir nutzen die allerneuesten Fortschritte in Genom-Technologien, wie Hochdurchsatz-Sequenzierungsverfahren, die von den Plattformen Roche Titanium FLX und Illumina GA angeboten werden. Wir testen die Hypothese dass nur wenige, Schlüssel-Eigenschaften kontrollierende Loci für rasche, ökologische Diversifizierung notwendig sind. Unser Modellsystem sind ökologisch divergierende aber nah verwandte Arten der Orchideengattung Dactylorhiza. Wegen der für evolutionäre Zeiträume kurzen Zeitspanne seit der wahrscheinlichen Entstehung der Modell-Arten, gehen wir davon aus, dass Unterschiede zwischen den Phänotypen durch divergierende regulatorische Netzwerke (Expressionsraten) begründet sind und nicht durch physische Unterschiede in kodierenden Bereichen des Genoms. Mit der FLX-Plattform werden wir ein Referenz-Transkriptom sequenzieren. Dieses wird verwendet, um Millionen kurzer, quantitativ sequenzierter "Tags" zu verorten, die mit Illumina-Technologie in einem SAGE-ähnlichen Verfahren für mehrere untersuchte Individuen generiert wurden. Weiter, suchen wir sowohl quantitative Expressionsmuster, die mit Umweltparametern der Standorte korrelieren, als auch Loci, die eine stärkere Differenzierung zwischen den Arten als innerhalb der Arten zeigen. Diese Loci werden weiter untersucht und ihre Variation soll charakterisiert werden. Das Projekt ist eine der bisher umfangreichsten Studien natürlicher Variation in einer allopolyploiden Pflanzengruppe, und wird zu einem besseren Verständnis der Auswirkung von Polyplodie auf die Evolution jener Stoffwechselvorgänge führen, die für Adaptation und Artbildung entscheidend sind. Schlussendlich wird das vorgeschlagene Projekt eine absolut neue Perspektive für die Verbindung zwischen Polyploidie und funktioneller Diversität bieten, und es wird zu einem besseren Verständnis und daher einer besseren Vorhersagbarkeit des Spektrums genetischer und epigenetischer Prozesse führen, die auf dem intraspezifischen Niveau (Populationsniveau) aktiv sind.

Plötzliche Veränderungen in der Umwelt, beispielsweise im Zuge des Klimawandels, aber auch interne Faktoren, wie Hybridisierung oder eine Verdoppelung des gesamten Chromosomensatzes, verursachen häufig rasche Anpassungen von Lebewesen an die veränderten Bedingungen. Dieses Projekt untersuchte die molekularen Mechanismen, die den Arten einer bedrohten Orchideengattung erlauben, sich an verschiedene Habitate anzupassen. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Variation in epigenetischer Information, welche sich in den letzten Jahren neben der reinen DNA-Sequenz selbst als (bedingt) erblicher Faktor herausgestellt, den Pflanzen ermöglicht, sich relativ rasch an andere Umweltbedingungen anzupassen. Gemeinsam mit ähnlichen Ergebnissen, die mit anderen Versuchsorganismen erzielt wurden, haben unsere Daten tiefgreifende Auswirkungen auf das Verständnis der Dynamik vonAnpassungs- und Differenzierungsmechanismen,diein natürlichen Populationen wirken und Schlüsselprozesse in der Entstehung und Erhaltung von Biodiversität sind. Die vorliegende Studie konzentrierte sich auf mehrere europäische Fingerwurz- Arten (Dactylorhiza), die natürliche Hybriden aus demselben Paar von Elternarten darstellen, aber alle doppelt so viele Chromosomen wie die Elternarten haben. Dadurch enthalten ihre Genome redundante Kopien aller Genen, die in besonderen Entwicklungsphasen oder unter bestimmten Umweltbedingungen exprimiert werden können. Trotz ihres gemeinsamen Ursprungs, die untersuchten Arten unterscheiden sich morphologisch und ökologisch. Unter Verwendung der neuesten Entwicklungen im Bereich von Hochleistungs- DNA-Sequenzierungstechniken (d.h. Next Generation Sequencing), welche die vergleichende Untersuchung von Millionen Basenpaaren erlauben, konnten wir beweisen, dass die molekulare Grundlage unterschiedlicher Anpassungen nicht in genetischer Variation besteht. Dies bestätigte frühere Ergebnisse, die mit weniger fein auflösenden Methoden erbracht wurden. Außerdem wurde ein hohes Maß an Genfluss zwischen den Arten festgestellt, insbesondere im Alpenraum, wo verschiedene Fingerwurz Arten in großer räumlicher Nähe zueinander vorkommen. Dies spricht wiederum gegen eine starke genetische Differenzierung und erfordert gleichzeitig das Wirken eines sehr starken natürlichen Selektionsdrucks, der dazu führt, dass die unterschiedlichen Merkmale und Eigenschaften der drei Orchideenarten erhalten bleiben. Nicht zuletzt trug das vorliegende Projekt auch zur Entwicklung von genomischen Datenressourcen bei, die für weitere Studien erforderlich sein werden. Ein Beispiel ist die Katalogisierung von Zehntausenden Genen, die in den beiden Elternarten der hybridogen entstandenen Arten exprimiert werden. Damit hat unsere Arbeit dazu beigetragen, den methodischen Fortschritt der Analyse von Next Generation Sequencing Daten voranzutreiben, was auch für andere Forschungsbereiche, die sich mit solchen Daten beschäftigen, von Nutzen sein wird.