Identifizierung der Genomarchitektur und der Genexpression als Ursache von extremen Geschlechtsdimorphismus bei Glühwürmchen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Ana Catalan, Ph.D.; Dr. Sebastian Höhna
• Fachliche Zuordnung: Evolution, Anthropologie ; Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 503346030

Glühwürmchen sind Käfer, die Biolumineszenz als Kommunikation in Paarungsverhalten und aposematische Signalgebung nutzen. Darüber hinaus weisen einige Glühwürmchenarten einen extremen Geschlechtsdimorphismus auf, bei dem adulte Weibchen neotenisch sind. Bei diesen Arten haben die Weibchen reduzierte oder fehlende Flügel, haben reduzierte Augen und Köpfe und leuchten permanent, anstatt zu blinken. Dieser Geschlechtsdimorphismus (weibliche Neotenie) ist wiederholt und unabhängig voneinander entstanden und ermöglicht uns, parallele Evolution, Schlüsselinnovationen und Merkmalsverluste auf phylogenetischer Ebene zu untersuchen. Die zentrale Frage unseres Projekts lautet: „Welcher genomische Mechanismus liegt diesem extremen Geschlechtsdimorphismus zugrunde?“ Unser grundlegender Ansatz besteht darin, genomische Merkmale mit der Genexpression und Phänotypinnovationen/-verlusten zu verknüpfen. In Phase 1 haben wir erfolgreich 21 Glühwürmchenarten gesammelt, hochwertige De-novo-Genome von 17 Arten produziert und Genexpressionsdaten für Weibchen und Männchen pro Art erhoben, wobei wir mindestens fünf Replikate pro Art/Sex sequenziert haben. Darüber hinaus untersuchten wir in Phase 1 die evolutionären Kräfte, die der Genexpression zugrunde liegen, und identifizierten dabei häufig auftretende Änderungen in der Genexpression über die Phylogenie hinweg. Wir fanden sowohl geschlechtsunterschiedliche als auch komplett geschlechtseinseitige Genexpression, die sich teilweise über die Phylogenie hinweg veränderte (z. B. Wechsel des höher exprimierten Geschlechts). In Phase 2 werden wir mithilfe expliziter stochastischer Modelle, wie unserem neuartigen zustandsabhängigen Ornstein-Uhlenbeck-Prozess, Korrelationen zwischen Genexpressionsverschiebungen und Wechsel des Sexualdimorphismus untersuchen. Zusätzlich untersuchen wir den Einfluss genomischer Merkmale wie Genduplikation und -verlust, cis-regulatorischer Elemente und Insertionen transponierbarer Elemente auf die Verschiebungen in der Genexpression und damit auf die beobachteten Phänotypveränderungen. Wir vermuten, dass Veränderungen in Promotorregionen einen Einfluss auf die Genexpression haben, welches der biomolekulare Mechanismus der Phänotypenentwicklung ist. Abschließend untersuchen wir divergierende Muster der geschlechtsspezifischen Genexpression auf den Autosomen und dem X-Chromosom, einschließlich der genomischen Verteilung und des Selektionsdrucks. Wir untersuchen außerdem die Prävalenz der Dosiskompensation und deren Erhaltung über die Phylogenie hinweg. Insgesamt untersucht unser Projekt über beide Phasen hinweg den Einfluss genomischer Merkmale auf die (geschlechtsspezifische) Genexpression und den Sexualdimorphismus. Wir generieren neue genomische Ressourcen für Glühwürmchen, entwickeln neue statistische und rechnergestützte Methoden zur Untersuchung der Genexpression und gewinnen grundlegende Erkenntnisse über genomische Innovationen, die neuen oder verlorenen Phänotypen zugrunde liegen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2349: Die Genomischen Grundlagen Evolutionärer Innovationen (GEvol)