Untersuchungen zur Geschlechtsdetermination und Evolution der Diözie im Spargel (Asparagus officinals L.)
Final Report Abstract
Das Ziel dieser Arbeiten war die Erforschung der Struktur und Evolution der Spargel-Geschlechtschromosomen zur Isolierung des oder der Gene für die Geschlechtsbestimmung. Hierzu wurde der geschlechtsbestimmende Bereich in männlichem sowie weiblichem Spargel physisch kartiert und darüber hinaus putativ geschlechtsspezifisch exprimierte Gene hinsichtlich ihrer Expression untersucht. Im Rahmen der kartengestützten Klonierung konnten zwei neue, populationsunspezifische Marker entwickelt und in einem Markercluster in einer Distanz von 0,25 cM vom M-Locus kartiert werden. Als Grundlage einer vollständigen physischen Kartierung konnten zwei geschlechtsspezifische BAC-Banken erstellt werden. Durch das Sichten der Banken mit Overgo-Sonden und anschließendem Assemblieren der Klone ist es gelungen, zwei geschlechtsspezifische physische Karten für die geschlechtsdeterminierenden Regionen zu erstellen. Die bereits bestehenden contigs von Telgmann-Rauber et al. (2007) wurden durch die Klone der neu erstellten YY-Genombibliothek rekonstruiert und konnten darüber hinaus um 15% (contig 3) bis 118% (contig 7) ausgedehnt werden. Obwohl die beiden contigs 6 und 7, die beide 0,25 cM vom M-Locus kartieren, um 50% bzw. 118% erweitert wurden, konnte die Lücke zwischen ihnen noch nicht geschlossen werden. Dies und die Kartierung der beiden neu entwickelten TD-Marker in das Markercluster von EM4150 und EM3156 unterstützt erneut die Vermutung, dass die Rekombination in diesem Bereich stark eingeschränkt ist. Für die weibliche geschlechtsdeterminierende Region konnten die Bereiche von drei contigs physisch kartiert werden. Das Sichten der XX-Bank mit Sonden des vierten contigs 7 ergab im weiblichen Genotyp keinen korrespondierenden Bereich. Vergleichende FPC-Analysen des contigs 3 sowie des Bereichs um Ko-106C13 aus contig 6 im weiblichen und männlichen Genotyp zeigten weitere deutliche Unterschiede zwischen den beiden Geschlechtern. Die Sequenzierung der minimal tiling paths (MTP) für beide Karten wird derzeit an der University of Georgia durchgeführt. Durch Sequenzvergleiche sollen Unterschiede zwischen XX und YY hinsichtlich der Struktur und der enthaltenen Gene genauer beschrieben und die Charakteristika der unterschiedlichen geschlechtsdeterminierenden Regionen untersucht werden. Durch FISH-Analysen mit single copy- Sonden aus den M-Locus flankierenden contigs wurde ein Verhältnis von physischer zu genetischer Distanz von <2,3 Mbp/cM geschätzt. Im Rahmen einer Expressionsstudie wurden ausgewählte Gene hinsichtlich einer möglichen differentiellen Expression zwischen den weiblichen und männlichen Spargelpflanzen in Blütengewebe aus verschiedenen Entwicklungsstadien untersucht. Hierfür konnte zunächst ein RTQ-Assay für Spargel erfolgreich etabliert werden, welches zukünftig für die Analyse weiterer Gene, insbesondere eng mit dem M-Locus gekoppelter kodierender Sequenzen genutzt werden. Aus insgesamt 68 durch einen digital Northern detektierten putativ differentiell exprimierten Genen wurde ein Subset für die Analyse mittels RTQ-Analyse ausgewählt. Trotz der großen Varianz zwischen den Genotypen eines Geschlechts konnten deutlich Unterschiede in der Expression der Gene zwischen männlichen und weiblichen Pflanzen festgestellt und somit die Ergebnisse des digital Northern für die vier getesteten Gene bestätigt werden. Zudem konnte auch für das STM- Gen ein deutlich höheres Expressionsniveau in männlichem Blütengewebe beobachtet werden. Besonders interessant ist das STM-Gen im Kontext mit einer möglichen Funktion des S. latifolia- Orthologs innerhalb der Geschlechtsdifferenzierung. Für GAMM1 konnte trotz der unmittelbaren Nähe zum M-Locus keine geschlechtsspezifische Expression gezeigt werden. Sequenzvergleiche zwischen männlichen und weiblichen BACs werden zeigen, ob sich die Loci sich strukturell bzw. funktionell voneinander unterscheiden.
Publications
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(2006) Evolution of sex chromosomes and genome size in Asparagus, Plant and Animal Genome Conference 13, San Diego, 13.-18.1.07
M.S. Kinney, A. Telgmann, C. Jung, J. Leebens-Mack, and J. C. Pires
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(2007) Evolution of sex chromosomes and genome size in Asparagus. Botany and Plant Biology 2007 Joint Congress, Chicago 7.-11.7.07
Michael S. Kinney, Alexa Telgmann-Rauber, Christian Jung, James H. Leebens-Mack, J. Chris Pires
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(2008) Asparagus as a model for elucidating early events in sex chromosome evolution. Plant and Animal Genome Conference, San Diego, 12.-16.1.08
Telgmann-Rauber A, Shan H, Kinney MS, Pires JC und Jim Leebens-Mack
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(2008) Identification of genes exhibiting sexbiased expression in asparagus. Plant and Animal Genome Conference, San Diego, 12.-16.1.08
Shan H, Telgmann-Rauber A und Jim Leebens-Mack
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(2008) Molekulare Analyse und züchterische Nutzung des geschlechtsdeterminierenden Locus M im Spargel. Kurt-von-Rümker Vorträge, GPZ-Tagung, Göttingen
Telgmann-Rauber A
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(2009) Towards Positional Cloning Of The Sex-Determination Region In The Asparagus X And Y Sex Chromosomes. Plant and Animal Genome Conference, San Diego, 10.- 14.1.09
Telgmann-Rauber A, Song X , Luo M , Jetty SSM, Kudrna D, Kinney MS, Pires JC, Wing RA and Jim Leebens-Mack
