Streptophytenalgen und die Evolution nukleärer Kontrolle über Plastidenfunktion

• Antragsteller: Professor Dr. Jan de Vries
• Fachliche Zuordnung: Evolution und Systematik der Pflanzen und Pilze
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 324438572

Landpflanzen dominieren das makroskopische, terrestrische Biom. Aktuelle Forschungsarbeiten zeigen, dass viele Eigenschaften, die als essentiell für den Landgang der Pflanzen gelten, bereits in ihren Algenvorfahren (den streptophytischen Algen) angelegt waren. Zu diesen Eigenschaften zählen unter anderem die Biosynthese pflanzlicher Hormone, die Kommunikation mit Bodenmikroben, UV-Toleranz oder die Anwesenheit von spezialisierten Zellwänden. Letztere ist besonders relevant für die Toleranz von Starklicht und Trockenheit, welche als die prädominierenden Stressfaktoren für die ersten Landpflanzen gelten. Obwohl diese Stressfaktoren dafür bekannt sind, die Aktivität von Plastiden (Chloroplasten) zu beeinträchtigen, ist die Rolle des Plastids im Landgang der Pflanzen bisher kaum untersucht worden. Plastiden höherer streptophytischer Algen sind denen der Landpflanzen ähnlicher, als denen basaler streptophytischer Algen. Sie weisen zudem Anzeichen für eine stärkere Kontrolle des Plastids durch den Zellkern auf. Dies spiegelt sich in dem Verlust beziehungsweise des endosymbiotischen Gentransfers einiger Schlüsselgene aus dem Plastidengenom wider. Zudem deuten vorläufige Genomdaten auf ein wachsendes Repertoire an Faktoren zur Kontrolle der Plastiden-Transkription und Kommunikation in streptophytischen Algen hin. Ich hypothetisiere, dass die stärkere Kontrolle der Plastiden durch den Nukleus ein wesentlicher Auslöser für die einzigartige Differenzierung von Plastiden in Landpflanzen ist (z.B. Amyloplasten, Chromoplasten, etc.). In diesem Antrag schlage ich vor, die evolutionären Wurzeln der Landpflanzenplastiden innerhalb der streptophytischen Algen zu ergründen. Um die Evolution der Plastiden-Nukleus-Kommunikation besser zu verstehen, werden globale Genexpressionsanalysen je eines Vertreters der sechs evolutionären Gruppen der streptophytischen Algen durchgeführt. Nach Zucht unter kontrollierten Bedingungen, soll durch Starklicht- und Kältebehandlung die Homöostase der plastidären Redoxchemie gestört und folglich Plastidensignale an den Zellkern induziert werden. Die Kernantwort manifestiert sich in differentieller Genexpression von kernkodierten Plastidenfaktoren, welche ich aus dem Datensatz herausfiltern werde. Hierbei werden (bioinformatisch vorhergesagte) Proteine im Fokus sein, welche (a) vermutlich zum Plastiden zu translozieren und (b) zu Faktoren untersuchter Plastid-Nukleus-Signalwege (anterograd und retrograd) homolog sind. Diese Daten dienen dem Test der Hypothese, dass das Ausmaß der nukleären Kontrolle über die Plastidenfunktion rezenter Landpflanzen bereits in streptophytischen Algen angelegt war. Das hier skizzierte Projekt stellt die erste systematische Analyse der Plastid-Nukleus-Kommunikation in streptophytischen Algen dar. Nicht nur wird hierbei die schrittweise Evolution des pflanzlichen retrograden Signalwegs analysiert, sondern auch ein reiches Datenspektrum der molekularen Physiologie von streptophytischen Algen generiert.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Kanada
• Gastgeber: Professor John M. Archibald, Ph.D.