SHOAL: Signalnetzwerkknoten in den nächsten Algenverwandten der Landpflanzen

• Antragsteller: Professor Dr. Jan de Vries
• Fachliche Zuordnung: Evolution und Systematik der Pflanzen und Pilze ; Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 514060973

Landpflanzen entstanden in einem einzigartigen evolutionären Ereignis aus streptophytischen Grünalgen. Alle aktuellen phylogenomischen Analysen kamen zu dem Schluss, dass die Zygnematophyceen die nächsten Algenverwandten der Landpflanzen sind. Kürzlich sind in kurzer Abfolge vier Genome repräsentativer Arten der Zygnematophyceae (drei davon Zygnematophycidae) verfügbar geworden. Dies ist ein bedeutender Fortschritt. Allerdings beschränkt sich unser Verständnis des funktionellen genetischen Repertoires — somit des funktionellen Genoms — dieser Organismen zurzeit auf bloße Vorhersagen mittels Homologieanalysen. In diesem Projekt werden wir sowohl die robusten Speziesphylogenie, welche die Zygnematophyceen als die nächsten Algenverwandten zu Landpflanzen hervorhebt, als auch den jüngsten Anstieg der Genomdaten für diese Organismen nutzen, um in einem Co-Expressionsnetzwerk-Ansatz den Ursprung von funktionalen Einheiten zu verstehen. Vergleichende Genomik hat gezeigt, dass entscheidende Hub-Gene (Knoten) von Genregulationsnetzwerken, welche einige der definierenden Merkmale von Landpflanzen koordinieren, Homologe in streptophyten Grünalgen aufweisen — insbesondere in den Zygnematophyceen; dies gilt für proteinkodierende Gene von Komponenten der Signalkaskaden für (i) Auxin, (ii) Ethylen, (iii) Jasmonsäure, Salicylsäure und N-Hydroxypipecolinsäure, (iv) abiotische Stressantwort und (v) biotische Interaktionen, wie die Reaktion auf Mikroben-assoziierte molekulare Muster („MAMPs“) oder das Vorhandensein von symbiotischen oder pathogenen Pilzen. Unter Verwendung von Ko-Expressionsnetzwerken werden wir die Drähte (Kanten) zwischen diesen Hub-Genen untersuchen. Wir werden die Hypothese testen, dass pflanzenspezifische Kernfunktionen um konservierte Zentren orthologer Gruppen von koregulierten Genen aufgebaut sind. Ko-Expressionsnetzwerke ermöglichen es uns, die homologiebasierten Inferenzen als Leitlinie für einen „Schuld durch Assoziation“-Ansatz zu verwenden, um Gennachbarschaften zu erforschen und homologiebasiertes bekannte Gene mit Genen unbekannter Funktion zu verknüpfen. In diesem Projekt schlagen wir vor, die erforderlichen Transkriptomdaten zu generieren, um solche Netzwerke zu konstruieren. Aufbauend auf sowie vergleichend mit funktionellen Modulen, die in Landpflanzenmodellsystemen etabliert sind, werden wir mittels Genexpressionsmustern diese Netzwerke auf charakteristische vorhergesagte Funktionen von Landpflanzen untersuchen. Unsere Daten werden einen Rahmen für die Analyse der tiefen evolutionären Wurzeln wichtiger Pflanzenfunktionen schaffen. In der Meta-Analyse werden wir die Hypothese testen, dass die Ko-Expression (Kanten) von orthologen Genen (Knoten) ein minimales Dachgerüst für diese Schlüsselfunktionen von Pflanzen aufspannen, welchen Zygnematophyceae und Landpflanzen gemeinsam haben. Aus diesem minimalen molekularen Gerüst evolvierten die Gene charakteristischer Pflanzenfunktionen des letzten gemeinsamen Vorfahren der Landpflanzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen