Entschlüsselung des transkriptionellen Sanduhrmusters der pflanzlichen Embryogenese

• Antragsteller: Professor Dr. Ivo Große; Professor Dr. Marcel Quint
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Genetik und Genomik der Pflanzen ; Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 251444481

Embryogenese ist ein essentieller Entwicklungsprozess, ohne den komplexes, multizelluläres Leben nicht möglich wäre. Ein fundamentales Muster der Embryogenese, das sogenannte Sanduhrmodell, geht zurück auf frühe Arbeiten an Vertebraten von Karl Ernst von Baer (1828). Das Sanduhrmodell der Embryogenese beschreibt ein scheinbar universelles Muster: Embryonen verschiedener Taxa sind auf morphologischer Ebene in der frühen Embryogenese sehr unterschiedlich, sehen sich in der Mitte der Embryogenese hingegen sehr ähnlich, nur um in späten Embryogenesestadien morphologisch wieder zu divergieren. Dieses als Muster wurde kürzlich auch auf molekularer Ebene bestätigt, da mittlere Embryogenesestadien verwandter Tierarten auch auf transkriptioneller Ebene maximal konserviert zu sein scheinen.Interessanterweise wurde das Sanduhrmodell der Embryogenese nie in Bezug auf Pflanzen thematisiert, die das zweite große phylogenetische Reich bilden, in welchem Embryogenese evolviert ist. Durch die Kombination von phylogenetischer und transkriptioneller Information konnten wir vor kurzem zeigen, dass ein phylotranskriptomisches Sanduhrmuster auch für die Embryogenese des pflanzlichen Modellorganismus Arabidopsis thaliana existiert. Da der letzte gemeinsame Vorfahre von Pflanzen und Tieren einzellig war, ist das molekulare Sanduhrmuster der Embryogenese ein weiteres Beispiel für konvergente Evolution komplexer Prozesse. Es scheint sich demnach um ein fundamentales Entwicklungsprofil zu handeln, welches die Expression junger und schnell evolvierender Gene über phylogenetische Reiche hinweg kontrolliert. Während wir spekulieren, dass es ein Mechanismus zu sein scheint, der für die örtliche und zeitliche Organisation und Differenzierung von komplexem, multizellulärem Leben generell erforderlich ist, verstehen wir sehr wenig von den molekularen Ursachen, die für dieses Muster verantwortlich sind.Im Rahmen des beantragten Projektes wollen wir untersuchen, ob das Sanduhrmuster auch für die Embryogenese in anderen Pflanzenarten existiert oder ob es spezifisch für A. thaliana ist. Dafür werden wir RNA-seq Datensätze für die Embryogenese in A. thaliana und zwei weitere Spezies generieren, die nah verwandte Brassicaceae Capsella rubella und das entfernt verwandte Moos Physcomitrella patens. Wir werden transkriptionelle Daten mit diversen evolutionären, phylogenomischen und sequenzspezifischen Informationen kombinieren, um Faktoren zu identifizieren, die für phylotransktiptomische Muster in diesen drei Spezies verantwortlich sind. Wir gehen davon aus, dass die Anwendung informationstheoretischer Ansätze uns dabei helfen werden, die molekularen Ursachen und die Evolution des Sanduhrmusters der pflanzlichen Embryogenese zu verstehen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1395: Informations- und Kommunikationstheorie in der Molekularbiologie (InKoMBio)