Löwenmaul Speziation

Seit Charles Darwin sein Werk Die Entstehung der Arten verfasst hat, sind der Ursprung von neuen Arten (Speziation) und die Aufrechterhaltung von genetischen Barrieren zwischen Arten zentrale offene Fragen der Evolutionsbiologie. Um Speziation zu verstehen ist es wichtig, die zugrundeliegenden genetischen Unterschiede zu identifizieren. Man muss untersuchen wie diese interagieren, und wie sie den Genfluss (Austausch von genetischem Material) entlang von Genomen beeinflussen. Sogenannte Hybridzonen sind einzigartige Gelegenheiten für diesen Zweck. Sie stellen natürliche Laboratorien dar, in welchen sich bereits divergierte Populationen kreuzen und Individuen mit gemischtem Ursprung entstehen. Aufgrund dieser natürlichen Variation kann der Zusammenhang zwischen Genotyp (genetische Zusammensetzung), Phänotyp (Erscheinungsbild) und Fitness direkt untersucht werden. Wir benutzen Hybridzonen zwischen zwei Antirrhinum majus (Löwenmaul) Unterarten um zu quantifizieren, wie das Zusammenspiel von unterschiedlichen Genen Fitnessvariation beeinflusst und wie stark die entsprechenden Genflussbarrieren sind. Dieses System ist dafür ideal geeignet, da es einige bekannte Gene, welche die Blütenfarbe beeinflussen, gibt. Diese Gene unterscheiden sich zwischen den beiden Unterarten, und wegen Präferenzen von Bestäubern stehen sie unter Selektionsdruck. Die beiden Unterarten haben zwei alternative Phänotypen entwickelt, um Bestäubern den Weg weisen: A. majus pseudomajus ist magenta gefärbt mit einem gelben Fleck am Blüteneingang. A. majus striatum hingegen ist großteils gelb mit magenta gefärbten Äderchen am Blüteneingang. Es stellt sich die Frage: Wie können diese unterschiedlichen adaptiven Phänotypen im Angesicht von Genfluss beibehalten werden? Um diese Frage zu beantworten, werden wir mehrere Methoden kombinieren. Wir werden einerseits untersuchen, wie sich verschiedene Genomregionen, welche die Blütenfarbe bestimmen, auf individuelle Fitnessvariation innerhalb einer Generation auswirken. Anderseits werden wir Methoden anwenden, welchebasierend auf geographischer genetischen Struktur der Hybridzone Genflussbarrieren über viele Generation hinweg quantifizieren. Die Überbrückung der Lücke zwischen unterschiedlichen evolutionären Zeitskalen ist eine offene Herausforderung. Wir werden individuelle Fitness messen und genomweite DNA Sequenzvariation untersuchen, um Selektion direkt zu quantifizieren. Diese Resultate werden wir mit Resultaten von Methoden, die Selektion mithilfe von geographischer genetischer Variation abschätzen, vergleichen. Wir werden mehrere Hybridzonen untersuchen, um die Allgemeingültigkeit der Resultate zu zeigen, und um die genetischen Signaturen von Selektion von zufälliger Variation zu unterscheiden. Wir werden auch neue Techniken entwickeln, welche genetische Barrieren mithilfe von genomweiter genetischer Variation quantifizieren. Diese neuen Methoden können hier und für andere Studienorganismen wichtige neue Erkenntnisse liefern. Die Kombination von unterschiedlichen Methoden ist eine neue Herangehensweise um das Zusammenspiel von evolutionären Prozessen über unterschiedliche Zeitskalen zu verstehen. Das wird neue Einsichten in die Entstehung von genetischen Barrieren und die genomweiten Signaturen von Genflussbarrieren liefern.

In den östlichen Pyrenäen treffen zwei Unterarten des Löwenmäulchens (Antirrhinum majus) aufeinander und kreuzen sich: Die Population wechselt über einen Kilometer von Pflanzen mit gelben zu magentafarbenen Blüten. Solche "Hybridzonen" bilden natürliche Laboratorien, in denen wir die genetischen Grundlagen der reproduktiven Isolation und die Prozesse untersuchen können, die letztlich zur Entstehung neuer Arten führen können. In unserer Langzeitstudie haben wir 36.000 Pflanzen auf 100 genetische Polymorphismen untersucht. Dadurch können wir die Verwandtschaftsverhältnisse zwischen Individuen bestimmen und direkte Schätzungen der Fitness sowie der Bewegung von Samen und Pollen abgeben. Diese zeigen, dass der scharfe Übergang trotz der zufälligen Vermischung der beiden Populationen erhalten bleibt, weil Hybriden und seltenere Blütenarten weniger Nachkommen hervorbringen. In diesem FWF-Projekt haben wir über zwei Saisons eine intensive Untersuchung durchgeführt und dabei jeweils 90 Tage lang rund 800 Pflanzen verfolgt. Wir haben außerdem das gesamte Genom mithilfe einer neuen Methode ("Haplotagging") sequenziert, die von unserem Mitarbeiter (Frank Chan, Universität Groningen) entwickelt wurde. Dies wird es uns ermöglichen, die Gesamtfitness zu messen und sie in einer genomweiten Assoziationsstudie (GWAS) bestimmten genetischen Varianten zuzuordnen. Wir haben außerdem aus Früchten dieser intensiv untersuchten Pflanzen Setzlinge gezüchtet und genotypisiert, wodurch wir den relativen Erfolg verschiedener Pflanzen als Väter bestimmen können. Insgesamt ist dies (unseres Wissens) die intensivste Untersuchung einer natürlichen Pflanzenpopulation und wird einzigartige Informationen über die Variation der Fitness in der Natur und über die Evolution der reproduktiven Isolation liefern.