Entschlüsselung der Rolle der Autotoxizitätsvermeidung für Neuentwicklungen innerhalb des Verteidigungsmetabolismus in Solanaceae mittels eines Multiomics Ansatzes

• Antragsteller: Professor Dr. Shuqing Xu, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Evolution und Systematik der Pflanzen und Pilze ; Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung ; Organismische Interaktionen, chemische Ökologie und Mikrobiome pflanzlicher Systeme
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 529944545

Viele pflanzliche Sekundärmetabolite (PSMs) haben eine Verteidigungsfunktion. Allerdings können Störungen in einzelnen metabolischen Schritten auch Autotoxizität verursachen, was darauf hindeutet, dass zusätzlich zu verteidigungsrelevanten Aspekten auch die Autotoxizitätsvermeidung einen wichtigen Einfluss auf die Evolution der PSMs hat. Dennoch wissen wir bisher nicht ob und wie Schutzmechanismen gegen Autotoxizität mit dem pflanzlichen Verteidigungsmetabolismus koevolvieren. Das liegt zum großen Teil an einem Mangel geeigneter Methoden und Systeme um die drei Hauptprognosen der Evolution der Autotoxizitätsvermeidung zu untersuchen: für ein gegebenes PSM kann angenommen werden, dass 1) die stärksten Signaturen positiver Selektion in Biosynthesegenen detektiert werden, die mit der Vermeidung von Autotoxizität assoziiert sind; 2) die Expression dieser Biosynthesegene voraussichtlich in spezifischen Zellen die mit Wachstum und/oder Differenzierung assoziiert sind angereichert ist; und 3) nah verwandte Arten die eine gemeinsame PSM Innovation aufweisen auf dem Level der Organe eine ähnliche Signatur der Selektion zeigen, da die durch intrinsische zelluläre Funktionen verursachte Selektion voraussichtlich weniger dynamisch ist, als die die durch ökologische Bedingungen verursacht wird. Aufbauend auf unserem letzten wissenschaftlichen Durchbruch über die Biosynthese und die (Auto)toxizitätsmechanismen der Diterpenglykoside (DTGs) in Tabak, sowie neuere Erkenntnisse anderer Gruppen zur Biosynthese der Glykosteroidalkaloide (SGAs) in Solanum, werden wir uns hier in diesem Projekt mit dieser Problemstellung befassen. Dafür werden wir modernste Verfahren der computergestützte Metabolomik, Transkriptomik und Einzelzellgenomik, sowie zur genetischen Manipulation nutzen. Unser Ziel ist es (i) für acht Arten von Nachtschattengewächsen Metabolom- und Traskriptom-Atlanten zu erstellen, um die biochemischen Innovationen der Schwerpunktstoffwechselwege aufzuzeigen; (ii) die molekulare Evolution der DTG und SGA Biosynthese nachzuverfolgen und die zugrundeliegenden Gene zu charakterisieren; und (iii) mittels einer Kombination von Einzelzellgenomik und genetischer Manipulation funktionell zu charakterisieren ob und wie die Autotoxizitätsvermeidung einen Beitrag zur Evolution der SGAs und DTGs geleistet hat. Die Ergebnisse werden uns erlauben zu evaluieren, ob Autotoxizitätsvermeidung ein Hauptselektionsdruck in der Evolution neuer verteidigungsrelevanter PSMs in den Solanaceae darstellt. Zusammengefasst wird sich EvoMet mit einem Paradigmenwechsel unseres Verständnisses der Evolution der Pflanzenverteidigung befassen und neue Methoden zur vergleichenden Einzelzellsequenzierung im Bereich der Evolutionsbiologie der Pflanzen etablieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Professor Dr. Emmanuel Gaquerel, Ph.D.