Bayesianische Inferenz der Gen- und Genomduplikation als Grundlage der Terrestrialisierung von Pflanzen

• Antragsteller: Hengchi Chen, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Genetik und Genomik der Pflanzen ; Evolution und Systematik der Pflanzen und Pilze
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 566819120

Die Terrestrialisierung der Pflanzen stellt ein entscheidendes evolutionäres Ereignis dar, das den Ursprung der Embryophyten einleitete, die den Großteil der Biomasse auf dem Land ausmachen. Auf dem Land entwickelten sich die frühesten Landpflanzen und führten zu einer Vielzahl neuer Formen und Funktionen. Gen- und Genomduplikationen (GGD) sind treibende evolutive Kräfte für die Anpassung und Innovation von Organismen. Es ist jedoch wenig darüber bekannt, wie GGD den Prozess der Pflanzenterrestrialisierung beeinflusst haben könnten. Ziel dieses Projekts ist es, die evolutionäre Rolle von Gen- und Genomduplikationen bei der Formung der Embryophyten-Genome und ihrer Eroberung des Landes zu entschlüsseln. Hierzu werde ich zwei synergistische Ziele verfolgen: Ziel 1: Entwicklung eines neuen Werkzeugsatzes für die bayesianische Inferenz von Gen- und Genoduplikationen. Zuvor haben wir die Machbarkeit der bayesianischen Software Whale zur Inferenz von Gen- und Genomduplikationen demonstriert. Ich werde die Software zunächst von Julia nach Python umschreiben, um ihre Erweiterbarkeit zu verbessern. Dann werde ich den Approximate Bayesian Computation-Algorithmus einführen, um die posterioren Stichproben zusätzlich zum ursprünglichen No-U-Turn Sampler zu erhalten, der zwar effektiv, aber zeitaufwendig ist. Um Unsicherheiten in der Divergenzzeit zu berücksichtigen, werde ich Fossil-Kalibrierungen und deren Prior-Altersverteilungen in den Sampling-Prozess integrieren. Zudem werden mehrere Kategorien von Gen-Duplizierungs- und Verlustraten eingeführt, um die unterschiedlichen selektiven Zwänge auf Genfamilien zu berücksichtigen. Schließlich werde ich einen Werkzeugsatz entwickeln, der die Organisation und Visualisierung der ermittelten Duplikationsereignisse für jede Genfamilie ermöglicht. Ziel 2: Untersuchung der evolutionären Bedeutung von Gen- und Genomduplikationen während der Pflanzenterrestrialisierung. Ich werde eine groß angelegte Phylogenie der Embryophyten rekonstruieren und dabei unsere etablierten Methoden und Datensätze nutzen. Gen- und Genomduplikationsereignisse in vier Kategorien von Pflanzenarten - aquatische Embryophyten, terrestrische Embryophyten, aquatische Algen und subaeriale Algen - werden dann inferiert. Zur Untersuchung des Einflusses von Polyploidie werde ich WGD-abgeleitete, bevorzugt erhaltene Gen-Duplikate identifizieren und deren Funktionen annotieren. Die Gen-Duplikation von subaerialen Algen im Vergleich zu aquatischen Algen sowie von terrestrischen Embryophyten im Vergleich zu aquatischen Embryophyten wird abgegrenzt und funktionell charakterisiert, um zu identifizieren, welche Funktionen, Metaboliten oder Signalwege möglicherweise verstärkt oder angepasst werden mussten, um sich an terrestrische Lebensräume anzupassen. Auch der Modus der Gen-Duplikation in verschiedenen Artenkategorien wird genauer untersucht, um festzustellen, ob signifikante Unterschiede zwischen den Genomen verschiedener Pflanzenarten bestehen.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle