Genexpressionsanalysen während der sexuellen und asexuellen Fortpflanzung: molekulare Kontrolle der Parthenogenese Höherer Pflanzen
Final Report Abstract
In diesem Forschungsvorhaben wurden am Beispiel der Einkeimblättrigen Modellpflanzen Mais und dessen nächstem Verwandten Tripsacum dactyloides bei höheren Pflanzen erstmalig genomweite Transkriptomprofile von Eizellen während der Amphimixis („sexuelle Fortpflanzung“) mit der Genexpressionsprofilen während der Apomixis („asexuelle Fortpflanzung durch Samen“) verglichen. Eine große Anzahl an Methoden mussten im Verlauf des Projekts entwickelt werden. Zunächst wurde T. dactyloides als molekulares Modellsystem etabliert und hierbei die Entwicklung der männlichen und weiblichen Keimlinie sowie die Reproduktionswege untersucht. Darüber hinaus wurde erstmalig ein Protokoll zur Isolierung parthenogenetischer Eizellen aus einem natürlichen Pflanzensystem etabliert. Da zu Beginn des Projektes keine genomweiten Analysen bei Mais möglich waren, wurden aus Eizellen von Mais isolierte Transkripte als Marker benutzt, um deren Expressionsdynamik vor und nach Befruchtung zu untersuchen. Die Analyse mehrerer Gene zeigte, das sich das Genexpressionsprofil bei Mais nach Befruchtung ändert und sowohl Gene abgeschaltet als auch (de novo) hochreguliert werden. Diese Daten konnten für mehrere Publikationen verwendet werden. Durch die Identifizierung von SNPs (single nucleotid polymorphisms) konnte hierbei auch zwischen mütterlichen und väterlichen Allelen unterschieden werden und wir konnten zeigen, dass das väterliche Genom bereits kurz nach Befruchtung in Mais aktiviert wird. Diese Ergebnisse sind gegensätzlich zu Berichten bei der dicotyledonen Modellpflanze Arabidopsis, wo das väterliche Gene erst in fortgeschrittenen Embryogenesestadien abgelesen wird. Genomweite Analysen des Methylierungsgehaltes der Gameten‐DNA zeigten keine wesentlichen Unterschiede vor und nach Befruchtung bei Mais und T. dactyloides und wurden daher nicht weiter verfolgt. Globale Genexpressionsstudien, die erst durch die Etablierung eines Mais‐Genchips, der Genfragmente von etwa 30.000 Genen enthält sowie ein eigens hergestellten Eizell/Zygoten‐Chips (MEZ1) zeigten, dass bei Mais über 12% der Eizell‐exprimierten Gene nach Befruchtung differenziell abgelesen werden. Die Transkriptomdynamik ist damit viel höher als bisher angenommen. Wir konnten u.a. Gengruppen identifizieren, die nach Befruchtung nur transient hochreguliert werden. Die Analyse des Transkriptoms parthenogenetischer Eizellen zeigte, dass diese Eizellen bereits einen Teil des zygotischen Genexpressionsprogramms aufweisen. Ein Gen, welches in parthenogentischen Eizellen abgeschaltet wird kodiert für ein kleines Cystein‐reiches Protein (ZmES1). Dieses Protein haben wir funktionell näher untersucht und konnten zeigen, dass ZmES Proteine bei der Gametophyteninteraktion für das Platzen des Pollenschlauches sorgen. Diese in PLoS Biology neulich veröffentlichte Arbeit hat für größeres Aufsehen gesorgt und hierüber wurde auch in Tages‐ und Wochenzeitungen berichtet (u.a. „Pflanzen stehen beim Sex auf Abwehrproteine“ oder „Plants spice up their sex life with defensins“). Andere im Projekt identifizierte befruchtungsinduzierte Kandidatengene, die z.B. zu den ARF und BBM AP2‐Genregulatoren zählen, konnten im Verlauf des Projekts noch nicht abschließend funktionell untersucht werden, da die Analysen in Mais mehrere Jahre in Anspruch nehmen. Hierunter befinden sich aber Kandidaten, die das Potential haben Parthenogenese in sexuellen Eizellen zu induzieren, um diese Eigenschaft als Komponente von Apomixis zu manipulieren und damit einen weiteren Schritt in Richtung „Asexuelle Revolution“ der Pflanzenzüchtung und Saatgutherstellung gehen zu können.
Publications
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(2001) The maize MADS-box gene ZmMADS3 affects node number and spikelet development and is co-expressed with ZmMADS1 during flower development, in egg cells, and early embryogenesis. Plant Physiol. 127, 33-45.
Heuer, S., Hansen, S., Bantin, J., Brettschneider, R., Kranz, E., Lörz, H., Dresselhaus, T.
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(2001) Tripsacum as a natural model system to study parthenogenesis. Sex. Plant Reprod., 14, 219-226.
Bantin, J., Matzk, F., Dresselhaus, T.
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(2001) ZmES genes encode peptides with structural homology to defensins and are specifically
expressed in the female gametophyte of maize. Plant J., 25, 103-114.
Cordts, S., Bantin, J., Wittich, P.E., Kranz, E., Lörz, H., Dresselhaus, T.
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(2004) The MADS box transcription factor ZmMADS2 is required for anther and pollen maturation in maize and accumulates in apoptotic bodies during anther dehiscence. Plant Physiol., 134, 1069-1079.
Schreiber, D.N., Bantin J., Dresselhaus, T.
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(2010) Defensin-like ZmES4 mediates pollen tube burst in maize via opening of the
potassium channel KZM1. PLoS Biol., 8, e1000388.
Amien, S., Kliwer, I., Márton, M.L., Debener, T., Geiger, D., Becker, D., Dresselhaus, T.
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(2010) Establishment of the male germline and sperm cell movement during pollen germination and tube growth in maize. Plant Signal. Behav. 5 (7)
Kliwer, I., Dresselhaus, T.
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(2010) Sporophytic control of pollen tube growth and guidance in maize. J. Exp. Bot., 61, 673-682.
Lausser, A., Kliwer, I., Srilunchang, K., Dresselhaus, T.
