Evolution und Funktion des Heterostylie-Supergens bei Amsinckia (Boraginaceae)

• Antragsteller: Dr. Axel Himmelbach; Professor Dr. Michael Lenhard
• Fachliche Zuordnung: Genetik und Genomik der Pflanzen ; Evolution und Systematik der Pflanzen und Pilze
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 464595150

Heterostylie ist eine komplexe Anpassung, um die Auskreuzung bei Blütenpflanzen zu fördern. In der einfachsten Form, der Distylie, bilden Individuen entweder Blüten mit langen Griffeln und niedrigen Staubbeuteln (L-Morph) oder mit kurzen Griffeln und hohen Staubbeuteln (S-Morph). Der Unterschied zwischen den Formen wird durch ein Supergen bestimmt, d.h. eine chromosomale Region mit stark unterdrückter Rekombination, die mehrere einzelne Gene enthält, welche die Variation in den verschiedenen Merkmalen kontrollieren. Im Allgemeinen ist der S-Morph heterozygot für einen dominanten und einen rezessiven Supergen-Haplotyp, während der L-Morph homozygot für den rezessiven Haplotyp ist. Heterostylie ist in mehr als 25 Familien unabhängig voneinander evolviert, und sogar innerhalb einiger Familien wurden mehrere unabhängige Ursprünge gefunden, was Fragen über die Grundlage einer solchen konvergenten Evolution aufwirft. Molekulare Studien haben begonnen, Gemeinsamkeiten in der molekularen Basis der Heterostylie zwischen verschiedenen Taxa anzudeuten. Erstens ist in den bisher im Detail untersuchten Fällen das Heterostylie-Supergen eine hemizygote Region, was die fehlende Rekombination erklärt. Zweitens scheinen die reziproken Positionen der Fortpflanzungsorgane auf eine Modulation der Phytohormonwege zurückzuführen zu sein.Die Boraginaceen bieten ein hervorragendes System, um die molekulare Grundlage der wiederholten Evolution der Heterostylie zu untersuchen, da dieses Fortpflanzungssystem mehrfach unabhängig in der Familie entstanden ist. Wir haben begonnen, Heterostylie in der Gattung Amsinckia zu untersuchen. Im Gegensatz zu früher untersuchten Modellsystemen ist das Heterostylie-Supergen bei Amsinckia nicht hemizygot, sondern ein biallelischer Chromosomenabschnitt von mehr als 20 Megabasen Länge mit stark unterdrückter Rekombination. Auf der Grundlage dieser Vorarbeiten verfolgt dieses Projekt die folgenden vier Hauptziele. (1) Wir werden qualitativ hochwertige Genomsequenzen von drei heterostylen Arten in Amsinckia erstellen und diese zur genaueren Beschreibung des Heterostylie-Supergens verwenden. (2) Wir werden seinen evolutionären Ursprung zurückverfolgen, indem wir eine Genomsequenz einer eng mit Amsinckia verwandten ursprünglich nicht heterostylen Art generieren und die Ergebnisse von Amsinckia mit denen einer eng verwandten Gattung mit unabhängig evolvierter Heterostylie vergleichen. (3) Basierend auf den obigen Sequenzen werden wir eine Reihe populationsgenetischer Vorhersagen über nicht rekombinierende Supergene für das Amsinckia-Heterostylie-Supergen testen. (4) Wir werden die kausalen Loci innerhalb dieses Supergens identifizieren und charakterisieren, die für die Unterschiede in Griffellänge, Antherenhöhe und Pollengröße zwischen den Formen verantwortlich sind. Zusammen werden diese Studien einen Einblick in die wiederholte Evolution eines faszinierenden Fortpflanzungssystems bei Blütenpflanzen geben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Christian Kappel