Mechanismen und Signifikanz von Genomgrößenvariation bei Rotatorien

Trotz einer geradezu explosiven Zunahme an neu sequenzierten Genomen sind die Ursachen der enormen Genomgrößenvariation bei Eukaryonten - welche etwa fünf Größenordnungen umfasst immer noch unklar und völlig umstritten. In diesem Projekt sollen die Mechanismen und Auswirkungen von Genomgrößenvariation innerhalb evolutionär kurzer Zeiträume untersucht werden, d.h. Variation zwischen nahe verwandten Arten, zwischen Populationen innerhalb einer Art und zwischen Individuen innerhalb einer Population. Insbesondere die Variation innerhalb Populationen eignet sich hervorragend als Modelsystem zum Test allgemeiner Hypothesen der Ursachen von Genomgrößenvariation, u.a. weil der Effekt eines großen vs. kleinen Genoms vor einem relativ einheitlichen genetischen Hintergrund quantifiziert werden kann. Als Modellsystem soll in diesem Projekt das fakultativ (a)sexuelle Rädertier Brachionus plicatilis verwendet werden, ein kryptischer Artenkomplex bestehend aus ca. 14 nahe verwandten Arten und Unterarten. Innerhalb dieses Komplexes werden wir uns auf die sogenannte "Austria"-Linie konzentrieren, eine Spezies mit 1,9-3,5 fach vergrößertem Genom (im Vergleich zu den nächsten verwandten Spezies), und auf die sogenannte OHJ-Population ("Obere Halbjochlacke" - eine Salzlacke in der Nähe von Illmitz, Niederösterreich) innerhalb derer die Genomgrößen zwischen einzelnen Individuen um bis zu 25% variieren. Folgende Ziele sollen im Projekt erreicht werden: (1) Mittels vergleichender Genomsequenzierung sollen die genauen Mechanismen der Genomgrößenvariation identifiziert werden und zwar (i) zwischen der "Austria"-Linie und ihren nächsten Verwandten, (ii) zwischen Populationen innerhalb der "Austria"-Linie und (iii) zwischen Individuen der OHJ-Population, (2) es sollen die genauen Vererbungsmechanismen innerhalb der OHJ-Population geklärt werden und (3) es sollen anhand der OHJ-Population Annnahmen und Vorhersagen verschiedener allgemeiner Hypothesen zu den Ursachen von Genomgrößenvariation getestet werden, insbesondere: (i) ob die Genomgröße mit verschiedenen anderen organismischen Eigenschaften variiert, z.B. Körpergröße, (ii) ob Individuen mit größeren Genomen höheren Mutationsraten ausgesetzt sind und (iii) ob ein kleines Genom unter bestimmten Nährstoffbedingungen höhere Populationswachstumsraten ermöglicht. Wir erwarten, dass die Ergebnisse aus diesem Projekt zu neuen und generellen Einsichten in die Mechanismen und Ursachen von Genomgrößenvariation führen. Unser Modellsystem B. plicatilis eignet sich besonders gut für derartige Untersuchungen, da es eine Vielzahl von experimentellen Manipulationen ermöglicht die bei den bestehenden Modellorganismen nur schwer zu realisieren sind (z.B. Langzeitexperimente über viele Generationen). Des weiteren werden innerhalb dieses Projekts umfangreiche genomische Daten zu einem wichtigen, aber noch genomisch wenig charakterisierten Invertebraten gewonnen.

Die Genome der meisten Tiere und Pflanzen enthalten deutlich mehr DNA als diese für ihre biologischen Funktionen eigentlich benötigen. Genomsequenzierungsprojekte der vergangenen 20 Jahre haben gezeigt, dass dies vor allem durch einen sehr hohen Anteil an sich wiederholenden Sequenzen, insbesondere sogenannten Transposons, bedingt ist. Besonders offensichtlich ist dieses Problem der überflüssigen DNA bei Arten in denen sich einzelne Individuen derselben Population in Ihrer Genomgröße stark unterscheiden. In diesemProjektwurde,erstmalig bei einem eukaryotischenOrganismus, Genomgrößenvariation in einer Population umfassend untersucht. Das Genom des Rädertiers B. asplanchnoidis besteht zu mehr als 44% aus sich wiederholenden Sequenzen, vor allem Transposons. Wir konnten zeigen, dass sich Individuen mit verschieden großen Genomen immer noch miteinander fortpflanzen können, und sowohl lebensfähige als auch fruchtbare Nachkommen erzeugen, die hinsichtlich ihrer Genomgröße zwischen den Eltern liegen. Auf diese Weise kann die Genomgröße in einer Population durch Selektion verändert werden, das heißt, der Anteil von überflüssiger DNA lässt sich erhöhen bzw. verringern. Im Projekt konnten diejenigen Elemente des Genoms charakterisiert werden, die für die innerartlichen Genomgrößenunterschiede bei B. asplanchnoidis verantwortlich sind. Ebenso konnten einige Hypothesen experimentell überprüft werden, denen zufolge die bloße Menge an genomischer DNA - unabhängig von ihrem Informationsgehalt - bereits Auswirkungen auf einen Organismus haben kann. So produzierten Individuen mit größeren Genomen zum Beispiel im Durchschnitt größere Eier, deren Embryonen etwas länger für Ihre Embryonalentwicklung benötigen. Zudem waren Individuen mit sehr großen Genomen in Konkurrenzexperimenten oft im Nachteil und zeigten ein langsameres Wachstum unter nährstofflimitierten Bedingungen. Individuen mit nur moderat vergrößertem Genom hatten in diesen Experimenten jedoch keinerlei Nachteile, was vermuten lässt, dass sich die überflüssige DNA nur durch natürliche Selektion nie ganz aus den Genomen entfernen lässt. Insgesamt geben die Ergebnisse dieses Projekts Aufschluss darüber, wie sich Genome bereits in den frühen Stadien der Artbildung auseinanderentwickeln können, und tragen so zu einem besseren Verständnis der enormen Vielfalt der Genomgröße bei Eukaryotischen Organismen bei.