Genomik der Geschlechtsdeterminierung in der Nadelbaumart Taxus baccata L.

• Antragstellerin: Privatdozentin Dr. Birgit Kersten
• Fachliche Zuordnung: Genetik und Genomik der Pflanzen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 497528752

Die außergewöhnlich großen und komplexen Genome diözischer Gymnospermen machen die Aufklärung der genetischen Grundlagen der Geschlechtsdeterminierung viel schwieriger als bei Angiospermen, bei denen sich unser diesbezügliches Verständnis rasch erweitert hat. Im Genus Populus haben wir geschlechtsbestimmende Regionen (SDRs) in verschiedenen Arten identifiziert und aufgeklärt, dass ein einzelnes Gen, der Typ-A-Antwortregulator ARR17, als Schalter für die Geschlechtsdeterminierung fungiert, wozu wir DNA-Sequenzierungen mit langen Reads und Re-sequenzierungsstrategien angewandt haben. Diese Ergebnisse haben Ein-Faktor-Modelle für die Evolution der Diözie unterstützt – als Alternative zum klassischen Zwei-Faktoren-Modell – sowie die Hypothese, dass Gene, die die Geschlechtsexpression bei einhäusigen Arten kontrollieren, häufig auch bei verwandten zweihäusigen Arten an der Geschlechtsbestimmung beteiligt sein können (Renner and Müller, 2021). Pflanzengattungen mit ein- und zweihäusigen Arten, wie die Gymnospermengattung Taxus, stellen perfekte Modelle dar, um diese Hypothese weiter zu untersuchen, indem man hier die genetischen und molekularen Grundlagen für die Geschlechtsbestimmung aufklärt. In Zusammenarbeit mit dem DRESDEN-concept Genome Center werden wir Sequenzierungen mit langen Reads durchführen, um Referenzgenome eines weiblichen und eines männlichen Taxus baccata Individuums zu generieren. Ausserdem werden wir Resequenzierungs- und RNA-seq-Ansätze anwenden, um in dieser zweihäusigen Art das heterogametische Geschlecht zu identifizieren, die Geschlechtschromosomen zu charakterisieren, die SDR zu lokaliseren und (potentielle) geschlechtsdeterminierende Gene/Faktoren zu identifizieren. Diese Ergebnisse werden eine erste Grundlage zur Beantwortung der Frage bilden, ob ein oder zwei Gene für die Geschlechtsbestimmung verantwortlich sind und ob ein Typ-A-Antwortregulator beteiligt sein könnte. Eine Synthese aller bekannten (Kandidaten-)Gene zur Geschlechtsbestimmung bei zweihäusigen Pflanzenarten im aktuellen DFG-Projekt wies auf eine mögliche Beteiligung solcher Gene auch bei Arten außerhalb der Familie der Salicaceae, einschließlich des Gymnospermenart Ginkgo biloba, hin (Leite Motalvao et al. 2021). Vergleichende Genomik mit verfügbaren Referenzgenomen anderer Taxus-Arten wird erste Hinweise darauf geben, ob möglicherweise das gleiche geschlechtsbestimmende Gen (wieder)verwendet wird oder sich neue genetische Mechanismen entwickelt haben. Darüber hinaus werden, basierend auf geschlechtsgebundenen genetischen Unterschieden in der SDR von Taxus baccata, molekulare Marker für die genetische Geschlechtsbestimmung entwickelt, die bei einer Spezies, die im Alter von über 15 Jahren die Geschlechtsreife erreicht, von großer praktischer Bedeutung sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen