Die Evolution von RNA Helikasen und ihre Funktionen in der Regulierung der pflanzlichen geschlechtlichen und apomiktischen Fortpflanzung
Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Höhere Pflanzen können sowohl sexuelle als auch ungeschlechtliche Samenbildung (Apomixis) zur Fortpflanzung nutzen. Apomixis hat ein hervorragendes Potential für Anwendungen, da es zur Bildung klonaler Nachkommen führt. Voraussetzung zur Nutzung in Ackerpflanzen ist jedoch ein genaues Verständnis der zu Grunde liegenden genetischen und genregulatorischen Basis. Für die Transkriptomanalyse von reproduktiven Geweben während der Bildung der weiblichen Keimlinie und der Reifung der Gametophyten in Apomikten nutzen wir die mit Arabidopsis nah verwandte Gattung Boechera. Dadurch konnten wir eine differentielle Expression von F-Box Genen und E3 Ligasen während der Spezifizierung der Keimlinie in sexuellen im Vergleich zu apomiktischen Boechera Akzessionen beschreiben und die Aktivität einer großen Zahl von RNA Helikasen bestätigen. Wenige Gene dieser Familie waren zudem während später Stadien der Gametogenese in Proben von sexuellen und apomiktischen Boechera konsistent unterschiedlich reguliert. Das kennzeichnet sie als vielversprechende Kandidaten, die wahrscheinlich Aspekte der Zelltypspezifizierung in Gametophyten kontrollieren. Interessanterweise bleiben diese RNA Helikasen auch in Genomen von Apomikten konserviert und unter natürlicher Selektion, was klassischen Hypothesen mindestens teilweise widerspricht, die eine Anreicherung von Mutationen durch ungeschlechtliche Fortpflanzung vorhersagen. Dies legt die Vermutung nahe, dass diese Gene an fundamentalen zellulären Funktionen oder in Entwicklungsprozessen beteiligt sind. Unsere funktionalen Untersuchungen ausgewählter RNA Helikasen scheinen dies zu bestätigen, da wir mehrere neue Gene dieser Familie mit essentieller Wichtigkeit für die Fortpflanzung identifiziert haben. Hervorzuheben ist dabei RH17, dass in Arabidopsis nicht nur für die Spezifizierung der weiblichen Keimlinie eine Rolle spielt, sondern auch Aspekte der autonomen Samenentwicklung ohne vorhergehende Befruchtung unterdrückt. Interessanter Weise führen mutante Allele einer weiteren RNA Helikase zu schweren Defekten während der weiblichen und männlichen Gametogenese. Während diese RNA Helikase in Arabidopsis durch ein Gen repräsentiert ist, haben wir in Boechera ein Ortholog und zwei Paraloge identifiziert, deren Funktionen in laufenden Untersuchungen charakterisiert werden. Zusammenfassend hat unsere Studie neue wichtige Einblicke in die Genregulation der pflanzlichen Reproduktion ermöglicht und bildet eine fundierte Basis für künftige Untersuchungen der molekularen Funktionen von RNA Helikasen in diesen Prozessen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2019) Differential activity of F-box genes and E3 ligases distinguishes sexual versus apomictic germline specification in Boechera. J. Exp. Bot. 70(20):5643-5657
Zühl L, Volkert C, Ibberson D, Schmidt A
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(2020) Controlling apomixis: Shared features and distinct characteristics of gene regulation. Genes 11(3):329
Schmidt A
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(2020) Gene function rather than reproductive mode drives the evolution of RNA helicases in sexual and apomictic Boechera. Genome Biol Evol. 12(5):656-673
Kiefer M, Nauerth BH, Volkert C, Ibberson D, Loreth A, Schmidt A
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(2021). RH17 acts in repression of reproductive fate and autonomous seed coat development in Arabidopsis. Development. 148, dev198739
Stein RE, Nauerth BH, Binmöller L, Zühl L, Loreth A, Reinert M, Ibberson D, Schmidt A
