Hybridization and expression of apomixis

• Antragsteller: Professor Dr. Timothy Sharbel
• Mitantragstellerin: Professorin Dr. Elvira Hörandl
• Fachliche Zuordnung: Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 154994351

• Erstellungsjahr: 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Hybridisierung und Duplikationen des Genoms (Polyploidie) stellen wichtige Faktoren für die Evolution von Blütenpflanzen dar und sind oft mit einer Änderung des Reproduktionsmodus verbunden. Apomixis, die Fortpflanzung mittels asexuell gebildeter Samen, ist fast stets mit Hybridisierung oder Polyploidie verknüpft. Das Projekt testet die Hypothese, dass Hybridbildung die apomiktische Entwicklung auslöst. Es wurden Kreuzungen sexueller Arten der Ranunculus auricomus Gruppe (Gold-Hahnenfuß) durchgeführt, und die Hybriden wurden hinsichtlich ihrer Entwicklungs- und Reproduktionsbiologie untersucht. Die Kreuzungen zeigten bereits in der ersten Generation die Entwicklung von Embryosäcken und damit die wichtigste Komponente von Apomixis. Molekular-phylogenetische Studien sowie geometrische Morphometrie bestätigen die hybridogene Herkunft von wild vorkommenden Apomikten. Vergleichende RNA Studien mittels der Illumina Sequenzierung und Auswertung von Markern (single nucleotide polymorphisms) bestätigen die hybridogene Herkunft der Apomikten und ein Alter von c. 70,000 Jahren. Die apomiktischen Linien zeigen keine Akkumulation von funktionell wirksamen Mutationen im Genom, divergieren aber sehr schnell voneinander. Diese Ergebnisse widersprechen traditionellen Hypothesen, dass Apomixis eine Sackgasse der Evolution aufgrund der Anhäufung von nachteiligen Mutationen wäre. Hingegen konnte durch unsere Ergebnisse eine neue Hypothese entwickelt werden, dass Apomixis eine Übergangsphase in der Evolution polyploider Pflanzen darstellt, die zur Diversifizierung und Arealerweiterung einer Gruppe beiträgt. Um diese Hypothese in einem größeren Ausmaß zu überprüfen, wurde das Vorkommen von Apomixis in allen Gattungen der Angiospermen kompiliert und in einer Datenbank online gestellt. Statistische Auswertungen zeigen eine deutliche Assoziation von Apomixis zu diversen und weitverbreiteten Pflanzenfamilien. Die RNA-Sequenzdaten haben die Gattung Ranunculus als Modellorganismus mit über 1200 annotierten Genen etabliert. Studien der Genexpression an vier verschiedenen Entwicklungsstadien mittels Microarrays zeigen, dass über 200 Gene in Apomikten und sexuellen Pflanzen verschieden exprimiert sind. Apomixis ist daher vermutlich durch Änderungen der Genexpression reguliert und eine flexible Reproduktionsstrategie. Populationsgenetische Studien und Analysen von Samen mittels Durchflusszytometrie an verschiedenen Ranunculus-Arten zeigen, dass ein hohes Ausmaß von fakultativer Sexualität und genetischer Variation innerhalb der Populationen vorliegt. Diese Resultate haben dazu beigetragen, eine neue Hypothese zu entwickeln, dass Sexualität eine Reaktion eines Organismus auf umweltinduzierten Stress darstellt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• 2011. Apomixis is not prevalent in subnival to nival plants of the European Alps. Annals of Botany 108: 381–390
  Hörandl, E., Dobes, C., Suda, J., Vit, P., Urfus, T., Temsch, E. M., Cosendai, A.-C., Wagner, J., Ladinig, U.
  
• 2011. The biogeographical history of the cosmopolitan genus Ranunculus L. (Ranunculaceae) in the temperate to meridional zones. Molec. Phylog. Evol. 58: 4-21
  Emadzade, K., Gehrke, B., Linder, H.P., Hörandl, E.
  
• 2012. Apomixis in angiosperms: a reappraisal. Pl. Biosystems 146: 681-693
  Hörandl, E., Hojsgaard, D.
  
• 2012. Evolutionary classification: a case study on the diverse plant genus Ranunculus L. (Ranunculaceae). Perspectives in Plant Ecology, Evolution and Systematics 14: 310-324
  Hörandl, E., Emadzade K.
  
• 2013. Asexual genome evolution in the apomictic Ranunculus auricomus complex: examining the effects of hybridization and mutation accumulation. Molec Ecol. Vol 22 Issue 23, December 2013, Pages 5908-5921
  Pellino, M, Hojsgaard D., Schmutzer, T, Scholz, U, Vogel, H., Hörandl, E. Sharbel T.F.
  
• 2013. Geographical parthenogenesis and population genetic structure in the alpine species Ranunculus kuepferi (Ranunculaceae). Heredity 110: 560-569
  Cosendai AC, Wagner J, Ladinig U, Rosche C, Hörandl E.
  
• 2013. Meiosis and the paradox of sex in nature. In: Bernstein C, Bernstein, H. (ed) Meiosis. InTech, Rijeka, Croatia (e-book). 980-953-307-864- 4
  Hörandl E.
  
• 2013. The oxidative damage initiation hypothesis for meiosis. Plant Reproduction, December 2013, Volume 26, Issue 4, pp 351–367
  Hörandl E., Hadacek F.
  
• Taxonomy and Biogeography of Apomixis in Angiosperms and Associated Biodiversity Characteristics. Critical Reviews in Plant Sciences, Volume 33, 2014 - Issue 5, Pages 414-427
  Hojsgaard D., Klatt, S., Baier, R. Carman, J., Hörandl, E.