Analyse der genetischen Grundlagen und Architektur der schnellen Trockenheitsanpassung in divergenten Brassica rapa Populationen

• Antragstellerin: Professorin Elena Hamann, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Genetik und Genomik der Pflanzen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 572621443

Ein zentrales Ziel der Evolutionsbiologie ist es, zu verstehen, wie sich Pflanzen an zunehmende Trockenheit anpassen, um Reaktionen auf den raschen Klimawandel vorherzusagen. Dieses Projekt untersucht die genomische Grundlage der schnellen Trockenheitsanpassung in Brassica rapa mithilfe eines „Resurrection“-Ansatzes, bei dem ursprüngliche und nach Dürreperioden gesammelte Nachfolgegenerationen aus zwei natürlichen kalifornischen Populationen verglichen werden. Trotz paralleler phänotypischer Veränderungen, insbesondere in Blühzeitpunkt (FT) und der Wassernutzungseffizienz (WUE), zeigen diese Populationen weitgehend unterschiedliche genetische Reaktionen. Frühere Arbeiten weisen auf unabhängige Allelfrequenzverschiebungen und divergente Genexpressionsmuster hin, was nahelegt, dass schnelle Trockenheitsanpassung selbst in eng verwandten Populationen über unterschiedliche genetische Pfade verlaufen kann und somit die Vorhersagbarkeit evolutionärer Prozesse erschwert. Allerdings fehlt bislang ein detailliertes Verständnis der genetischen Mechanismen, die diesen phänotypischen Veränderungen zugrunde liegen, der Rolle von Merkmalskorrelationen sowie des Ausmaßes, in dem genetische Architektur adaptive Reaktionen erleichtert oder einschränkt. Um die genetische Grundlage und Architektur dieser adaptiven Veränderungen zu untersuchen, kombiniert das Projekt ein vollständig faktoriellen Gewächshausversuch mit zwei Bodentypen und Bewässerungsbehandlungen mit quantitativer Genetik, genomweite Assoziationsstudien (GWAS) und QTL-Mapping. Konkret verfolgen wir drei Ziele: (1) Analyse von Veränderungen in Merkmalskovarianz und Genotyp-Umwelt-Interaktionen über Generationen, Populationen und Umweltbedingungen hinweg; (2) Identifikation der genetischen Grundlagen evolutionärer Merkmalsveränderungen sowie die genetische Architektur der Merkmale; und (3) Bewertung des Einflusses von Pleiotropie, Genkopplung und Umweltkontext auf evolutionäre Einschränkungen oder Flexibilität. Angesichts der Komplexität adaptiver Merkmale wie FT und WUE werden unsere Ansätze zur Entflechtung pleiotroper Effekte von der Kopplung potenzieller kausaler Varianten beitragen. Ich stelle die Hypothese auf, dass Pleiotropie ein zentraler Treiber von Merkmalskovarianz ist, wobei gemeinsame Loci mehrere Merkmale beeinflussen, während populationsspezifische Anpassungen auf kontextabhängiger Selektion vorhandener genetischer Variation beruhen. Diese Arbeit wird neue Erkenntnisse zu den genetischen Mechanismen und zur genetischen Architektur der schnellen Anpassung an Trockenheit liefern. Darüber hinaus wird sie verdeutlichen, wie genetische Einschränkungen und evolutionäre Flexibilität die Anpassung im Kontext des Klimawandels prägen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen