The functional and molecular evolution of genes involved in plant-bacterial symbioses
Final Report Abstract
Dieses Forschungsprojekt hatte zum Ziel, die molekulare Evolution von an der Symbiose beteiligten Genen zu verstehen und zu beurteilen, welchen Einfluss natürlich vorkommende Sequenzvariationen auf deren Funktion haben. Dazu untersuchten wir die Sequenzvariabilität einer Gruppe von LysM Genen in verschiedenen Lotus Arten. Zusätzlich untersuchten wir die Sequenzvariabilität auf einer übergeordneten taxonomischen Ebene, durch einbeziehen von LysM Gensequenzen aus Reis, Arabidopsis, Tomate und Medicago. Dabei fanden wir, dass an den meisten Loci, sowohl innerhalb, als auch zwischen den Arten, reinigende (negative) Selektion die vorherrschende Form der natürlichen Selektion ist. Des weiteren wirkt die reinigende (negative) Selektion am stärksten in Domänen, die für die intrazellulären Bereichen von Proteinen aus der LysM Familie kodieren. Obwohl die Proteine insgesamt sehr stark konserviert sind, gibt es Positionen in der Aminosäuresequenz, die einer starken gerichteten Selektion unterliegen. Dies resultiert in der schnellen Fixierung von unterschiedlichen Aminosäuren zwischen den Arten an einzelnen Positionen. Viele dieser adaptiv evolvierenden Aminosäuren befinden sich in den extrazellulären Domänen dieser Rezeptormoleküle. Durch funktionale Studien zur Symbiontenerkennung fanden wir Proteinveränderungen, die mit der Fähigkeit zusammenhängen Wurzelknöllchen mit Mesorhizobium loti auszubilden. Dabei zeigte sich eine starke Übereinstimmung zwischen Positionen die für die Erkennung des Symbionten verantwortlich sind und denen, die der adaptiven Evolution unterliegen. Auf einer übergeordneten taxonomischen Ebene zeigte sich, dass spezifische Unterscheidung von Mikroben sehr schnell zu evolvieren scheint. In einer phylogenetischen Analyse der LysM Genfamilie aus fünf verschiedenen Angiospermen, unter Einbeziehung der bekannten Spezifität der jeweiligen LysM Gene, zeigte sich, dass die Hauptkladen der LysM Gene nicht mit einer bestimmten Form der Mikrobenerkennung assoziiert zu sein scheinen. Dies deutet darauf hin, dass die Mikrobenerkennung innerhalb der Genfamilie konvergent evolviert und dass orthologe Gene für verschiedene Ausprägungen der Erkennung kodieren können. Diese Ergebnisse spiegeln sich in unserer genetischen Analyse auf einer niedrigeren taxonomischen Ebene wider. Dabei zeigte sich, dass adaptive Evolution in bestimmten Abstammungslinien neue Symbiontenpräferenzen hervorgebracht hat.
Publications
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(2011) Multiple molecular components contribute to genotype specific compatibility of the root nodule symbiosis. PhD dissertation. LMU
Gossmann, Jasmin
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(2012) Polymorphic infection and organogenesis patterns induced by a Rhizobium leguminosarum isolate from Lotus root nodules are determined by the host genotype. New Phytologist 196: 561-573
Gossmann, J.A., K. Markmann, A. Brachmann, L. E. Rose, M. Parniske
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(2018) Mathematical Modeling and Evolutionary Analyses of Cell-Surface Signaling in Plants. PhD dissertation. HHU
Richards, Sarah
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(2019) Evolutionary dynamics of LysM and LRR type symbiotic receptor-like kinases and species-specificity in root-nodule symbiosis. PhD dissertation. HHU
Habib, Mohammad Tanbir
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(2019) The evolutionary history of LysM-RLKs (LYKs/LYRs) in wild tomatoes. BMC Evolutionary Biology 19: 141
Richards, S. and L. E. Rose
