Die Cheshire-Katze reloaded: Ursachen und Konsequenzen der Evolution von Dormanz/Quieszenz bei Parasiten

• Antragsteller: Professor Dr. Aurélien Tellier
• Fachliche Zuordnung: Evolution und Systematik der Pflanzen und Pilze ; Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Organismische Interaktionen, chemische Ökologie und Mikrobiome pflanzlicher Systeme
• Förderung: Förderung seit 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 254587930

Quieszenz und Dormanz entwickeln sich als evolutionäre Wettlaufstrategie bei vielen Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen (einschließlich Parasiten oder Pathogenen) in unvorhersehbaren Umgebungen. Die zentrale Hypothese des Projekts besagt, dass die Koevolution zwischen Wirten und ihren Parasiten solche Bedingungen fördert. Dieses evolutionäre Szenario wird als Cheshire-Cat-Hypothese bezeichnet. Wir haben zuvor gezeigt, dass 1) Samenbank und Keimruhe sich in Wirten aufgrund koevolutiver Dynamik entwickeln können, und 2) dass die Samenbank selbst, abhängig von der Keimfunktion, die koevolutiven Oszillationen verlangsamen oder sogar dämpfen kann. Die Ziele dieser neuen Phase des Projekts sind zweifach. Erstens wollen wir die Bedingungen verstehen und vorhersagen, unter denen Parasiten Dormanz oder Quieszenz als Bet-Hedging-Strategien als Reaktion auf die Koevolution entwickeln können. Zweitens wollen wir Simulations- und statistische Inferenz-Tools entwickeln, die es erlauben, die Parameter von Dormanz/Quieszenz mit Hilfe von Parasiten-Vollgenomdaten zu schätzen. Im ersten Ziel untersuchen wir die Bedingungen für die Entwicklung von Bet-Hedging unter koevolutionärer Dynamik. Es werden zwei Dormanzmodelle entwickelt: eine kurze und eine sehr lange Dormanz. Die Koevolution wird innerhalb eines zeitkontinuierlichen epidemiologischen Modells mit zwei Wirts- und zwei Parasitentypen mit Parasitenruhe/Quieszenz erzeugt. Wir verwenden analytische Methoden der adaptiven Dynamik, um analytische Lösungen für die ESS der Dormanz/Quieszenz unter verschiedenen Bedingungen und Trennung der Zeitskalen für beide Dormanzmodelle abzuleiten. Im zweiten Ziel wollen wir Werkzeuge zum Nachweis und zur Abschätzung der Existenz von Dormanz/Quieszenz unter Verwendung von Parasiten-Vollgenomdaten entwickeln. Dazu werden zeitlich vorwärts gerichtete Vollgenomsimulatoren von schwacher und starker Dormanz/Ruhe für sich sexuell oder asexuell fortpflanzende Arten entwickelt. Diese Simulatoren werden in ein Approximate Bayesian Computation (ABC)-Framework mit Deep Learning integriert, um eine statistische Inferenz der Dormanz/Quieszenz-Parameter auf Basis der Vollgenomdaten durchzuführen. Im dritten Ziel werden wir unsere ABC-Methoden auf die vollständigen Genome mehrerer Parasitenarten anwenden, für die Quiescence/Dormancy biologisch vermutet, aber nicht getestet wird: Parasiten des Menschen (Plasmodium vivax, P. falciparum, Bacillus sp., Mycobacter tuberculosis), die Parasiten von Daphnia magna und von Plantago lanceolata. Unser allgemeines Ziel ist es daher, das erste Verständnis für die Ursachen und Konsequenzen der Evolution von Dormanz oder Quieszenz in Parasitenarten aufgrund von Koevolution zu liefern und eine neuartige populationsgenomische Inferenzmethode zu entwickeln, um die Existenz von Dormanz in sexuellen und asexuellen Parasitenarten aufzudecken und deren Rate zu schätzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen