Molekulare Mechanismen der Genomfusion offenbaren Hinweise auf Anpassungsinteressen im Bereich der Biodiversität
Die Prozesse der Genomfusion (Hybridisierung) und -verdopplung (Polyploidie), bei denen zwei genetische Abstammungslinien miteinander kombiniert werden, führen zu Pflanzen, die als allopolyploid bezeichnet werden – dies bedeutet, dass zwei Chromosomensätze von zwei verschiedenen Arten vorliegen. Diese genetischen Kombinationen, die jeweils eine eigene Evolutionsgeschichte haben, bieten zahlreiche Chancen für evolutionäre Innovationen, die sich signifikant auf die Artenökologie auswirken. Das EU-finanzierte Projekt GENOMERGE wurde eingerichtet, um die evolutionären Folgen dieser Kombinationen für die Biodiversität zu untersuchen. Es wurde hierbei insbesondere erforscht, wie molekulare Mechanismen die Anpassung erleichtern. Das Projekt war unter Verwendung von Spartina (Schlickgräser) als Modell auf die Evolution von Bedecktsamern (Blütenpflanzen) fokussiert. Über GENOMERGE wurde die Bedeutung von Allopolyploidie für die Entstehung eines neuen biochemischen Weges identifiziert, welcher die Herstellung eines mutmaßlichen (Anti-Stress-) Moleküls (DMSP) in Form eines kompatiblen Soluts ermöglicht, das wichtige ökologische Implikationen hat. Das Team erstellte außerdem Sequenzierungsdaten, um dazu beizutragen, dass entschlüsselt werden kann, wie Allopolyploidie die schnelle Ausbreitung der invasiven Pflanzengattung Spartina vereinfachte. Die Bedeutung von Allopolyploidie für die Pflanzenanpassung Laut GENOMERGE-Projektkoordinatorin Dr. Malika Ainouche sind „Genomfusion und Polyploidie wichtig für die Untersuchung, da diese Prozesse insbesondere bei Pflanzen prominent sind. Blütenpflanzen sind mit etwa 300 000 Arten die erstaunlich vielfältigste Gruppe von Bodenpflanzen und diese Prozesse haben eine entscheidende Rolle für deren Diversifikation und Anpassung durch natürliche oder artifizielle (z. B. Domestizierung) Selektion geführt.“ GENOMERGE hatte zwei Kernziele. Zum einen sollte durch eine Charakterisierung der unmittelbaren Evolution verdoppelter Gene die molekulare Mechanik in Erfahrung gebracht werden, die bei Allopolyploidie beteiligt ist. Zum anderen sollten durch die Analyse der Evolution verdoppelter Gene bei natürlicher Allopolyploidie Gene und Funktionen im Zusammenhang mit Anpassungsinteressen untersucht werden. Das Forschungsteam untersuchte mithilfe von „Transkriptom-Analysen“ und unter Miteinbeziehung von „Next Generation Sequencing“ die Evolution der Genexpression bei verschiedenen Arten, die unter natürlichen Bedingungen blühen. Dazu erklärt Dr. Ainouche wiederum: „Wir prüften unter Anwendung vergleichender Analysen zu RNA-Sequenzierungsdaten, die auf kürzlich gebildeten Hybriden, Allopolyploiden und deren Elternarten basierten, die Auswirkung von Kreuzung und/oder Genomverdopplung (Polyploidie).“ Durch die Fokussierung auf Funktionen in Bezug auf adaptive Interessen untersuchte das Team insbesondere Gene, die mit neuen biochemischen Wegen oder mit phänotypischen Merkmalen verbunden sind, welche die Invasivität bei der Spartina-Gattung (ein Mitglied der Familie der Gräser) erklären könnte. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die Spartina-Gattung zu den wenigen Blütenpflanzen zählt, die ein ökologisch bedeutsames Molekül produzieren können: Dimethylsulfoniopropionat (DMSP). Eine der Funktionen dieses Moleküls ist vermutlich osmotischer Schutz, der Organismen dabei behilflich ist, bspw. aufgrund der Toleranz gegenüber Salz extremen osmotischen Stress zu überleben. Die DMSP-Produktion ist lediglich bei marinem Phytoplankton beobachtet worden, nicht jedoch bei Blütenpflanzen oder Tieren. Die weiter gefassten ökologischen Auswirkungen Die Spartina-Gattung umfasst Arten von ökologischem Interesse, die abgesehen von anderen Attributen gemeinhin eine wichtige Rolle bei der sedimentären Dynamik von Schlickgräsern spielen. Sie gelten beispielsweise als gute Entferner von Schadstoffen, die sich in Sedimenten befinden. Die Ergebnisse von GENOMERGE sind dementsprechend von großem Interesse für eine Vielzahl von Maßnahmen, die von der Landbewirtschaftung bis hin zum Naturschutz reichen. Die Ergebnisse werden laut Dr. Ainouche wahrscheinlich auch für Klimaforscher von Interesse sein: „Das Molekül DMSP an sich ist von Bedeutung für die Umwelt, da es sich um den wichtigsten biogenen Vorläufer von atmosphärischem DMS [Dimethylsulfid] handelt, das am globalen Schwefelzyklus, an sauren Niederschlägen und an der Klimaregulierung beteiligt ist.“ Nachdem demonstriert worden war, wie Allopolyploidie die Evolution der Genexpression und biochemische Innovationen vereinfachte, bestand der nächste Schritt der GENOMERGE-Forscher in der präzisen Identifizierung der Mechanismen (z. B. Regulation der Genexpression), die an dem Prozess beteiligt sind. Die Schlussfolgerung von Dr. Ainouche dazu lautet: „In Anbetracht der Tatsache, dass die meisten der von uns angebauten Pflanzen, einschließlich von Weizen, Raps, Baumwolle und Kaffee, allopolyploid sind, wird diese Arbeit einen Beitrag zu unserem Verständnis darüber leisten, wie Pflanzen, einschließlich von Systemen von agronomischen Interesse, dazu in der Lage sind, sich an stressbelastete Umgebungen anzupassen.“
Schlüsselbegriffe
GENOMERGE, Genomfusion, Allopolyploidie, Evolution, Anpassung, Biodiversität, DMSP, Bedecktsamer, Pflanzenökologie, Next Generation Sequencing, osmotischer Stress, Genetik, Anti-Stress-Molekül
