Evolution von Polyploidie und Apomixis in der pantropisch verbreiteten und artenreichen Gattung Zanthoxylum (Rutaceae)

• Antragsteller: Dr. Marc Appelhans
• Fachliche Zuordnung: Evolution und Systematik der Pflanzen und Pilze
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 451351171

Das Hauptziel des Projektes ist das Studium der Evolution von Polyploidie und Apomixis, asexuelle Reproduktion über Samen, in der Gattung Zanthoxylum (Rutaceae). Zanthoxylum ist eine artenreiche Gattung mit einer weiten Verbreitung in allen tropischen Regionen sowie der gemäßigten Bereiche Nordamerikas und Ostasiens. Während die meisten Arten paläopolyploid mit 72-80 Chromosomen zu sein scheinen, weisen einige Arten aus gemäßigten Breiten sowie Hawaii einen octaploiden Cytotyp mit bis zu 144 Chromosomen auf. Apomixis ist bislang bei einigen temperaten Arten dokumentiert und die meisten dieser Arten sind octaploid. Bisherige Studien über Ploidiestufen und Apomixis in Zanthoxylum basierten stark auf den wenigen Arten aus gemäßigten Breiten, und die Vorgänge bei der apomiktischen Samenbildung sind nicht ausreichend dokumentiert. Im Rahmen dieses Projektes werde ich für viele Arten neue karyologische Daten (Chromosomenzählungen, Ploidiebestimmung mittels Durchflusszytometrie) erheben, sowie den Reproduktionsmodus mithilfe von Mikroskopie und Keimungsexperimenten beschreiben. Um diese Daten mit der evolutionären Geschichte der Gattung zu verbinden werde ich eine detaillierte Phylogenie basierend auf der High-Throughput Sequencing Methode Target Enrichment (TE) erstellen. Ich habe TE im Rahmen einer Pilotstudie bereits für Zanthoxylum etabliert und dabei speziell für die Gattung ein Bait Set entwickelt. Eine gut aufgelöste und datierte Phylogenie erlaubt es, die verwandtschaftlichen Verhältnisse der polyploiden und apomiktischen Sippen aufzuklären und zu bestimmen, wie viele oft Polyploidie und Apomixis in Zanthoxylum entstanden sind. Viele apomiktische Pflanzenarten weisen eine weitere Verbreitung als ihre sexuellen Elternarten auf und besetzen zudem breitere und extremere ökologische Nischen. Dieses Phänomen wird als geographische Parthenogenese bezeichnet. Meine Hypothese basierend auf den verfügbaren Daten ist, dass alle Zanthoxylum Arten aus gemäßigten Bereiten apomiktisch sind, und dass die Evolution von Apomixis eine essenzielle Voraussetzung für die Kolonisierung der gemäßigten Breiten sowie die Kolonisierung Ostasiens durch einen amerikanischen Vorläufer war. Polyploidie ist entweder das Resultat einer Verdopplung des Genoms innerhalb einer Art (Autopolyploidie) oder einer Hybridisierung (Allopolyploidie). Bislang wurden keine Hybride für Zanthoxylum beschrieben, aber das Studium von phylogenetischen Inkongruenzen basierend auf den Sequenzdaten wird feststellen, ob es Hybridisierungsereignisse oder weitere evolutionäre Prozesse wie Incomplete Lineage Sorting (ILS) gegeben hat. Meine Pilotstudie hat erste Hinweise auf Hybridisierung und ILS innerhalb der Gattung ergeben. In dem vorgeschlagenen Projekt wird eine weitaus höhere Artenzahl beprobt werden, und dadurch werden detailliertere Einsichten über die Anzahl der Hybridisierungsereignisse, ihre räumlichen und zeitlichen Ursprünge, sowie die Identifizierung potenzieller Elternlinien möglich.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartnerin: Professorin Jun Wen, Ph.D.