Die Evolution der C4-Genregulation in sukkulenten und salz-toleranten C4-Linien

• Antragstellerin: Professorin Dr. Gudrun Kadereit
• Fachliche Zuordnung: Evolution und Systematik der Pflanzen und Pilze
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 239330047

C4 Photosynthese (C4 PS) ist viele unabhängig in den Blütenpflanzen entstanden. Die konvergente Entstehung von C4 PS spiegelt sich in der strukturellen und biochemischen Diversität der C4 PS besonders in sukkulenten C4 Linien wider. Es scheint jedoch, dass in den verschiedenen C4 Linien modifizierte Kopien derselben Haushaltsgene für eine spezifische Funktion in der C4 PS rekrutiert werden. Das effektive Funktionieren dieser C4 Gene hängt von ihrer genau abgestimmten Regulation ab: Sie müssen in der richtigen Menge am richtigen Ort exprimiert werden. Nachdem sich unser Wissen über die genetischen Grundlagen einiger C4 Schlüsselenzyme in den letzten Jahren deutlich verbessert hat, ist es nun möglich die evolutionäre Entstehung ihrer für die C4 PS spezifischen Regulation zu untersuchen. Wir haben zwei vielversprechende Untersuchungsgruppen, Salsola (Chenopodiaceae) and Sesuvium (Aizoaceae), die beide C4 PS und Sukkulenz verbinden, sich jedoch in Anatomie, C4-Biochemie und Ökologie unterscheiden, identifiziert. Salsola and Sesuvium eignen sich durch nah verwandte Arten mit unterschiedlichen Photosynthesetypen und das Auftreten von einerseits intermediären Arten und andererseits Arten, die einen entwicklungsbedingten Übergang von C3 to C4 PS zeigen, hervorragend, um die Evolution von C4 Genregulation zu untersuchen. Wir werden mit „laser- assisted microdissection (LAM)” arbeiten, um Mesophyll- und Kranzzellen spezifische RNA zu gewinnen und zu sequenzieren. Die gewebespezifischen Transkriptome der nah verwandten C3, C4 und intermediären Arten werden dann miteinander verglichen. Dieser Untersuchungsansatz wird es uns ermöglichen, die genetischen Grundlagen der lokalen Expression von C4 Genen besser zu verstehen und ko-exprimierte regulartorische Gene der C4 PS zu identifizieren. Wir vermuten, dass die evolutionäre Veränderungen der Genregulation der spezifischen Anpassung der C4 Schlüsselgene, wie z.B. PEPC, vorausgegangen ist. Die ergänzende Analyse von Arten, die ihren PS-Typ während der Entwicklung ändern, werden helfen, die Zahl der Kandidatengene für C4 Genregulation einzugrenzen. In einer späteren Phase des Projektes werden wir die Genfamilien ausgewählter Kandidatengene charakterisieren und nach C4-spezifischen Veränderungen in der Aminosäuresequenz suchen. Wir vermuten, dass sich im Laufe der C4 Evolution die gleichen anzestralen regulatorischen Gene in den verschiedenen C4 Linien verändert haben, um ihre veränderte Funktion zu erfüllen. Daher können interessante Ergebnisse hinsichtlich der konvergenten Evolution von Genregulation in der C4 PS erwartet werden. Die Ergebnisse dieses Projektes werden starken Einfluss auf das Modell der C4 Evolution haben, sowie auf unser Verständnis der Evolution komplexer Merkmale im Allgemeinen. Fortschritte im Verständnis der Regulation der C4 Gene stellen außerdem ein wichtiges Element im Hinblick auf die gentechnische Veränderungen von oder hin zu C4 Nutzpflanzen dar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen