Einfluss der Wirtsabwehr auf Symbionten-Anpassungen und Genomerosion in einem Verteidigungs-Mutualismus

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Kaltenpoth
• Fachliche Zuordnung: Evolution, Anthropologie ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 225865913

Die Evolution mutualistischer Assoziationen führt bei den symbiotischen Partnern oft zu einer zunehmenden beidseitigen Abhängigkeit, die eine Reduktion des Selektionsdruckes auf entbehrliche Gene unter den stabilen Bedingungen der symbiotischen Lebensweise zur Folge hat. In Kombination mit starker genetische Drift aufgrund von Flaschenhals-Effekten während der Transmission von Symbionten resultiert dies gewöhnlich im Verlust genetischen Materials und einem Anstieg des AT-Gehalts, ein Prozess, der Genom-Erosion genannt wird. Während das Ergebnis dieses Prozesses bei Insekten-Symbionten gut dokumentiert ist, sind die frühe Phase der Genomerosion und die zu diesem Prozess beitragenden Faktoren noch weitgehend unverstanden. In dem vorgeschlagenen Projekt wollen wir diese Frühphase der Genomerosion in der Verteidigungssymbiose zwischen Bienenwölfen und Streptomyces-Bakterien rekonstruieren, um die Ursachen und Folgen der Genomerosion in symbiotischen Bakterien zu verstehen. Unsere Kernhypothese ist, dass vom Wirt produziertes Stickstoffmonoxid (NO) die Mutationsrate im Symbiontengenom erhöht und - vor allem in Kombination mit Schäden in der DNA-Reparatur-Maschinerie - eine Schlüsselrolle bei der Genomerosion spielt. Um diese Hypothese zu testen, werden wir (i) die Genome von 15 nah verwandten Symbiontenstämmen in verschiedenen Stadien genomischen Verfalls sequenzieren und vergleichen, um die Genomerosion in der Bienenwolf-Streptomyces-Symbiose zu rekonstruieren und Anzeichen für Selektion zu detektieren, (ii) in vitro und in vivo die genetischen und/oder genregulatorischen Adaptationen untersuchen, die es den Bienenwolf-Symbionten ermöglichen, mit dem extremen NO-bedingten Stress umzugehen, und (iii) mittels in vitro-Tests und experimenteller Evolution analysieren, ob NO-Exposition und fehlerhafte DNA-Reparatur Schlüsselrollen in der Beschleunigung des Prozesses der Genomerosion spielen. Da es sich bei NO um ein weit verbreitetes Signal- und Verteidigungs-Molekül mit wichtigen Funktionen in antagonistischen und mutualistischen Interaktionen handelt, werden die Ergebnisse des vorgeschlagenen Projektes nicht nur Erkenntnisse über die Faktoren liefern, die Genomerosion in symbiotischen Bakterien beschleunigen, sondern auch zu unserem generellen Verständnis der molekularen Wirt-Symbiont-Interaktionen beitragen, die die Spezifität und Stabilität von Symbiosen steuern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen