Phylotranskriptomik des genetischen Baukastens der Karpellentwicklung - eine evo-devo Studie zum Ursprung der Blütenpflanzen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Annette Becker
• Fachliche Zuordnung: Evolution und Systematik der Pflanzen und Pilze ; Genetik und Genomik der Pflanzen ; Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 284716054

Karpelle oder Fruchtblätter, die weiblichen Reproduktionsorgane der Blütenpflanzen (oder Angsiospermen), bilden die Grundlage nahezu aller Lebensmittel und sind daher von enormer wirtschaftlicher Bedeutung. Der evolutionäre Ursprung des Karpells ist als wichtigste und gleichzeitig namensgebende Innovation der Blütenpflanzen daher eine fundamentale aber unverstandene entwicklungsbiologische Innovation, die maßgeblich zum Ursprung der Blütenpflanzen beigetragen hat. Da, abgesehen von Untersuchungen an Arabidopsis thaliana erstaunlicherweise wenig über Ursprung und Konservierung des Entwicklungsprogramms des Karpells bekannt ist, wollen wir uns im Rahmen des beantragten Forschungsprojekts mit Ursprung und Evolution des Gennetzwerkes auseinandersetzen, das die Karpellentwicklung in diversen Angiospermen steuert. Wir werden uns beispielsweise mit der Frage befassen, ob die Gennetzwerke der Karpellentwicklung während oder vor dem Ursprung der Angiospermen entstanden sind und versuchen aufzuklären, wie die Angiosperm-spezifischen Gene entstanden und während der Angiospermengeschichte evolviert und diversifiziert sind. Durch vergleichende Transkriptomanalyse von Fruchtblättern und weiblichen Zapfen von Gymnospermen, der Schwestergruppe der Angiospermen, soll ein fundamentales Verständnis der Karpellentwicklung und Evolution erlangt werden. Die Analysen werden sich über unterschiedliche Entwicklungsstadien und eine breite Auswahl phylogenetisch informativer und wirtschaftlich wichtiger Pflanzen erstrecken und beinhalten Amborella trichopoda (basalste Angiosperme), Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand, Eudikotyle), Eschscholzia californica (basale Eudikotyle), Oryza sativa (Reis, Monokotyle), Solanum lycopersicum (Tomate, Eudikotyle), und die Gymnospermen Picea abies (Fichte, Konifere) und Welwitschia mirabilis (Gnetales). Durch die Anwendung von Laser Capture Mikrodissektion wollen wir ein genaues Verständnis der räumlichen und zeitlichen Genexpressionsdynamik erhalten. Wir werden weit über den üblichen Standard hinausgehende vergleichende Transkriptionsanalyse nutzen, um unvoreingenommen den genetischen Kernbausatz zu identifizieren, den Angiospermen zur Entwicklung des Karpells benötigen. Um Kandidatengene des Kernbausatzes spezifisch aus Nichtmodellorganismen zu extrahieren, werden wir in diesem Zusammenhang mehrere Dimensionen miteinander vergleichen; (i) über verschiedene Karpellentwicklungsstadien hinweg, (ii) zwischen Blatt- und Fruchtblattgewebe, (iii) zwischen Angiospermen und Gymnospermen. Für die vielversprechendsten Karpellinitiation und Entwicklungsgene werden wir Expressions- und funktionelle Analysen über knock out und knock down Mutanten durchführen. Dieses Vorhaben wird neue, hochkonservierte Karpellentwicklungsgene hervorbringen, die die Voraussetzung für den Ursprung des Karpells, und somit der Angiospermen sind und welche mittelfristig für die Optimierung von Nutzpflanzen genutzt werden könnten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen