Vom monoplastidären Vorfahren zur vielfältigen Polyplastidie in heutigen Landpflanzen

• Antragsteller: Professor Dr. Sven B. Gould
• Fachliche Zuordnung: Evolution und Systematik der Pflanzen und Pilze ; Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 440043394

Jede Pflanzenzelle, von der Wurzel bis zum Blattgewebe, beherbergt Dutzende von Plastiden. Das Gegenteil gilt für die Mehrheit der Algen, welche monoplastidär sind und eine einzige Plastide pro Zelle und Zellkern tragen. Polyplastidie ist die Norm in Landpflanzen, aber die Ausnahme bei Algen. Der Übergang von der Mono- zur Polyplastidie erfolgte in der Evolution mehrfach unabhängig voneinander und scheint einen makroskopischen Phänotypen zu ermöglichen. Die Schritte, die es ermöglichen den monoplastidiären Engpass zu überwinden sind noch unerforscht, stehen im Wesentlichen aber im Zusammenhang mit der Entkopplung der Plastidenteilung vom Zellzyklus und Mitose. Der Vorfahre der Landpflanzen war monoplastidär, ebenso wie heutige Schwestergruppen von Streptophytenalgen, die mit dem Vorfahren der Landpflanzen verwandt sind. Spuren der Monoplastidie sind bei manchen Bryophyten, wie Marchantia polymorpha, zu erkennen. Dieses Lebermoos vollzieht während der Sporogenese einen Wechsel von Poly- zur Monoplastidie, so dass die freigesetzten Sporozyten nur eine Plastide tragen. Dies ist, so spekulieren wir, mit einem Kontrollpunkt verbunden, welcher die Vererbung gesunder Plastiden gewährleistet, auch weil die eigentliche Meiose erst nach erfolgreicher Plastidenteilung beginnt. Wir planen die Genetik und die Mechanismen des Wechsels zwischen Mono- und Polyplstidie in Marchantia zu untersuchen. Ein Fokus wird auf den Genen der Plastidenteilung (MinD, MinE, FtsZ1-3, Drp5), sowie denen der Peptidoglykansynthese (und den damit verbundenen mur-Genen) liegen. Ziel des Projekts ist den Übergang von der Mono- zur Polyplastidie („monoplastidic bottleneck“) und hier das Zusammenspiel von Zellzyklus und Plastidenteilungsapparat zu untersuchen. Das Entkoppeln der Plastiden- von der Zellteilung war ein entscheidender Schritt bei der Entwicklung höherer Pflanzen und den verschiedenen Arten von Plastiden (bspw. Pro-, Chromo-, Amyloplast, etc.), welche Embryophyten mobilisieren können. Marchantia bietet ein großartiges Modellsystem, sowohl wegen seines offensichtlichen Übergangs zwischen Poly- und Monoplastidie als Teil seines Lebenszyklus (ein einzigartiges Fenster zur Organellenentwicklung und Plastidenvererbung), als auch wegen den möglichen genetischen Manipulationsmöglichkeiten des nukleären- und Plastidengenoms.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2237: MAdLand - Molekulare Adaptation an das Land: Evolutionäre Anpassung der Pflanzen an Veränderung