Phylogenomik und Differenzierung der Subtribus Malinae

Hybridisierung, Polyploidie (der Besitz von mehr als zwei Chromosomensätzen) und Apomixis (asexuelle Fortpflanzung über Samen) bilden gemeinsam ein evolutionäres Syndrom von zentraler Bedeutung für die organismische Differenzierung in einer Reihe von großen Pflanzenfamilien wie beispielsweise den Korbblütlern, Hahnenfußgewächsen oder Rosengewächsen. Unser Projekt zielt auf die Aufklärung der Bedeutung dieses Syndroms für die organismische Differenzierung in der sogenannten Subtribus Malinae (der Verwandtschaft von Apfel und Birne, die über 25 Gattungen umfasst und nordhemisphärisch verbreitet ist) mit einem Schwerpunkt auf der Gattung Crataegus (dem Weißdorn, in dem sich eine Reihe medizinisch wichtiger Arten finden) ab. Wir verfolgen zwei Hauptziele: (1) Wir wollen jene grundlegenden Prozesse und Ursachen verstehen und quantifizieren, die für die Evolution der Malinae und Crataegus eine signifikante Rolle gespielt und zu bestehenden Widersprüchen in der stammesgeschichtlichen Rekonstruktion der Gattungen und Arten geführt haben. Dies sind ungewollte Sequenzierung von Markern, die im Zuge der Evolution, dupliziert wurden, das zufallsbedingte gegenwärtige Auftreten von ursprünglichen molekularen Varianten in den stammesgeschichtlichen Linien (incomplete lineage sorting), sowie retikulate Ereignisse (insbesondere Hybridisierung). (2) Wir wollen die Entstehung der Artenvielfalt des Weißdorns in Eurasien untersuchen. Insbesondere interessiert uns die Rolle ursprünglicher sexueller Arten (so genannter Orthospecies) in der Entstehung der zahlreichen abgeleiteten und vielfach asexuellen (=apomiktischen) Arten (Nothospecies). Traditionelle stammesgeschichtliche Studien waren in ihrer Aussage aufgrund der geringen Zahl verfügbarer und leistbarer molekularer Marker, ihrer unbekannten Position im Genom der Arten, sowie in den Malinae, und der geringen Auflösung der Marker limitiert. Wir wollen in unserem Projekt diese Limits überkommen, in dem wir die stammesgeschichtlichen Rekonstruktionen auf orthologen Markern (dies sind Marker, die einen einmaligen und identischen Ursprung gemein haben) basieren, die das gesamte Genom mit hoher Dichte abdecken. Zur Anwendung kommen High-throughput sequencing-Verfahren. Diese revolutionierten das methodische Repertoire der DNS-analytischen Techniken in der Biologie und erlauben eine bisher nicht mögliche Anzahl molekularer Daten mit hoher Präzision zu erstellen sowie zu analysieren. Obwohl eine große Anzahl taxonomischer Arbeiten vorliegt, wurden die eurasiatischen Weißdorn-Arten kaum mittels moderner systematischer Verfahren untersucht. Wir machen im Rahmen des Projekts den theoretisch und analytisch wichtigen Schritt weg von der rein traditionellen, Morphologie-basierenden Taxonomie hin zu einem integrativen evolutionären Ansatz der Artabgrenzung neben der klassischen Morphologie basierend auf molekularen Stammbäumen und zytologischen Daten (Durchfluss-Zytometrie, die der Bestimmung der Anzahl der Chromosomensätze sowie des Fortpflanzungsmodus der Individuen dient).

Es gibt einige große Pflanzenfamilien, darunter auch die Rosengewächse (Rosaceae), die sich schon seit langem der Werkzeugkiste der Natur bedienen und das ganze Repertoire an Werkzeugen effektiv für die Artbildung und die Evolution ihrer Arten nutzen. Zu diesen Wekzeugen (Prozessen) zählen unter anderem die Kreuzung (Hybridisierung), die Polyploidisierung (Vervielfältigung-des-Chromosomensatzes) und die asexuelle Fortpflanzung-über-Samen (Apomixis). Obwohl diese Prozesse für die Pflanzen vorteilhaft sein können, führen sie oft zu "Ungereimtheiten" in der Stammesgeschichte, die die Wissenschaft untersucht. Die WissenschaftlerInnen scheuen nicht den Blick in die komplexe und verschlungene Vergangenheit, um unter anderem klare Linien zwischen den Arten ziehen zu können und die Stammesgesichte zu rekonstruieren, die aufzeigt, wie,wann und wo es zur "Artenvielfaltsexplosion" (Artbildungsexplosion, Radiation) kam, bei der sich eine kleine Gruppe von Vorfahrenarten in kurzer Zeit in eine große Anzahl von Nachkommenarten aufspaltet. Ein solches Projekt wurde vom Team, bestehend aus WissenschaftlerInnen des Bundesforschungszentrums für Wald (BFW), der Karls-Universität in Prag und der Tschechischen Akademie der Wissenschaften in Prhonice durchgeführt. Das Ziel war es, die Stammesgeschichte und die Komplexität der Entstehung der Artenvielfalt vom Subtribus Malinae der Rosengewächse (worunter auch Apfel,Birne oder Weißdorn fallen) zu klären. Ein besonderer Schwerpunkt lag dabei auf der Gattung Crataegus (Weißdorn), in der sich eine Reihe medizinisch wichtiger Arten findet. Als erstes passte das Team das methodische und analytische Repertoire an. Es entschied sich gegen rein traditionelle, Morphologie-basierten Analysen und von der Verwendung der geringen Zahl verfügbarer molekularer Marker mit unbekannter Position im Genom. Stattdessen setzte es auf einen integrativen Ansatz. Dieser beruhte hauptsächlich auf molekularen Stammbäumen mittels Hochdurchsatz-Sequenzierverfahren und neuen bioinformatischen Methoden, die die stammesgeschichtliche Rekonstruktion basierend auf Markern erlaubten, die das gesamte Genom mit hoher Dichte abdecken, sowie auf zytologischen Daten. Letztere beziehen sich auf die sogenannte Durchflusszytometrie, die zur Bestimmung der Anzahl der Chromosomensätze (Ploidiegrad) sowie des Fortpflanzungsmodus (sexual oder asexuell) der Individuen herangezogen wurde. Die Forschung ergab, dass die Radiation der Malinae-Pflanzengruppe mit klimatischen und geographischen Veränderungen zusammenhängt. Es gab sogar mehrere wichtige Artbildungsexplosionen (Radiationen). Die erste Radiation fand kurz nach einer Genomverdopplung im frühen Eozän (vor etwa 56-48 Millionen Jahren) im Südwesten des heutigen Gebiets der Vereinigten Staaten und im Nordwesten Mexikos statt als die nördliche Hemisphäre eine Klimaabkühlung erlebte. Die zweite Radiation erfolgte im mittleren Eozän (vor 48-38 Millionen Jahren), als sich die Pflanzen nach Ostasien ausbreiteten. Das Eintauchen in die Stammegeschichte von etwa mehr als 100 Weißdorn-Arten bestätigte einige Trends, wie das Aufteilen der Arten in vier Hauptlinien (Untergattungen), brachte aber auch Überraschungen in Form neu endeckter Verwandschaften, neuer Gruppierungen der Arten und Abweichungen von der traditionellen Taxonomie. Zusätzlich gelang es, drei mitteleuropäische Weißdorn-Arten genetisch zu definieren und zu verstehen, wie sich diese kreuzen und vermischen, was die Grundlage für ihre korrekte Identifizierung in der Praxis ist.