Zum Ursprung des Samens II: Reverse Genetik von MADS-Box-Genen in Ceratopteris

• Antragsteller: Professor Dr. Günter Theißen
• Fachliche Zuordnung: Genetik und Genomik der Pflanzen ; Evolution und Systematik der Pflanzen und Pilze ; Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431732981

Ziel unseres Projektes ist es, herauszufinden, welche proximaten Mechanismen zur Entstehung des Samens der Samenpflanzen in der Evolution geführt haben. Mit unserem Projekt wollen wir so zu einem besseren Verständnis der entsprechenden molekularen Mechanismen, insbesondere der Innovationen in genregulatorischen Netzwerken, beitragen. Dieses Ziel soll durch ein Studium der molekularen Entwicklungsgenetik des Modellsystems Ceratopteris richardii erreicht werden. Als Farn gehört C. richardii zu den Monilophyten, welche die nächsten lebenden Verwandten der rezenten Samenpflanzen (Blütenpflanzen und Nacktsamer) darstellen. Wir werden zwei unabhängige Ansätze, einen „gezielten Kandidatengenansatz“ und einen „unvoreingenommenen Transkriptomik-Ansatz“, verfolgen, um unser Ziel zu erreichen. Im Kandidatengenansatz studieren wir die Funktion von sechs MIKCC-Typ-MADS-Box-Genen in C. richardii. Nahe Verwandte dieser Gene steuern entscheidende Aspekte reproduktiver Entwicklung in Blütenpflanzen, einschliesslich der Samenentwicklung. Wir vermuten, dass die von uns ausgewählten Gene ähnliche Funktionen in C. richardii haben. Um unsere Hypothese zu testen, wenden wir Methoden der “Reversen Genetik” an und benutzen dabei ein methodisches Vorgehen, dass wir in der vorangegangenen Phase unseres Projektes etabliert haben. In einer Versuchsserie werden wir die sechs ausgewählten Gene einzeln oder in bestimmten Kombinationen mittels des Genomeditierungsverfahrens CRISPR-Cas9 ausknocken. In einer parallelen Herangehensweise werden wir die Gene unter Kontrolle eines starken Promotors in C. richardii überexprimieren. Die mutanten Phänotypen der Knockout- und der Überexpressionspflanzen werden komplementäre Einsichten in die Funktion der sechs Gene und ihre mögliche Rolle bei der Entstehung des Samens liefern. Zusätzlich werden wir die Interaktion von MADS-Domänen-Proteinen diverser Landpflanzen, inclusive C. richardii, mit den transkriptionalen Co-Regulatoren LEUNIG und SEUSS in einem evolutionären Zusammenhang mittels Gelretardierungsessays untersuchen. Im Transkriptomik-Ansatz werden wir Daten über die differentielle Expression von Genen in verschiedenen Entwicklungsstadien des Lebenszyklus von C. richardii, die wir währemd der ersten Projektphase gesammelt haben, auswerten. Wir werden diese Daten mit denen verschiedener Samenpflanzen, Laub- und Lebermoosen verglichen. Diese Analyse wird es uns erlauben, Unterschiede in den reproduktiven genregulatorischen Netzwerken der Haupttaxa der Landpflanzen zu erkennen. Die so erkannten Unterschiede werden uns dann helfen, entscheidende Veränderungen in regulatorischen Genen während der Entstehung des Samens in der Evolution zu identifizieren.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5098: Innovation und Koevolution in der sexuellen Reproduktion von Pflanzen - ICIPS