Lokale Anpassung durch Diasporenbanken bei Wildtomaten

• Antragsteller: Professor Dr. Aurélien Tellier
• Fachliche Zuordnung: Evolution und Systematik der Pflanzen und Pilze
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 317616126

Dauerhafte Samenruhe (Dormanz) kann zur Ausbildung sogenannter Diasporenbanken führen, die eine wichtige physiologische Anpassung von Pflanzen darstellen. Die evolutionäre Strategie der Diasporenbank besteht darin, dass der Organismus durch verlängerte Dormanz kurzfristigen Reproduktionserfolg zu Gunsten einer langfristigen Risikostreuung (bet-hedging) aufgibt. Obwohl die Ausbildung von Diasporenbanken eine ubiquitäre Strategie zur Anpassung an unberechenbare Habitate darzustellen scheint, sind die evolutionären, genetischen und genomischen Prozesse, die dessen Evolution beeinflussen, noch weitgehend unbekannt. So ist bis heute nicht bekannt 1) mit welcher Geschwindigkeit derartige bet-hedging Strategien evolvieren können und 2) welche genetischen Grundlagen daran beteiligt sind. Diese beiden Fragen wollen wir in diesem Projekt mit Hilfe eines vierteiligen Ansatzes bestehend aus populationsgenomischer Theorie, Genomsequenzierung und -analyse und empirischen Messungen der Dormanz beantworten. Anhand des Modellsystems Solanum chilense, einer Wildtomatenart, die in zahlreichen, diversen Habitaten in Südperu und Nordchile vertreten ist, werden wir Loci, die eine Rolle bei der Evolution dieser bet-hedging Strategie spielen, identifizieren. Zunächst werden wir im theoretischen Teil des Projektes eine Hidden Markov Model (HMM) entwickeln, die im zweiten Schritt zur Analyse von Genomdaten von Pflanzenpopulationen dienen wird. Mit Hilfe dieser HMM Methode wird es möglich sein, die Evolutionsgeschichte von Diasporenbanken anhand von Polymorphismusdaten und Rekombinationsraten entlang des Genoms abzuleiten. Im zweiten Schritt werden wir die Mutationsrate der Wildtomatenart S. chilense quantifizieren, indem wir die kompletten Genome von 20 Nachkommen der F1-Generation zweier bereits komplett sequenzierter Elternlinien sequenzieren. Im nächsten Schritt werden wir lokale Anpassungen der Diasporenbank identifizieren und dadurch die Anpassungsgeschwindigkeit berechnen, indem wir sechs Populationen von S. chilense aus diversen Habitaten mit einander kontrastieren. Hierbei werden wir komplette Genomsequenzen von 30 Pflanzen aus diesen sechs Populationen erheben und mit Hilfe unserer HMM Methode analysieren. Diese Analyse wird zeigen ob die Besiedlung neuer Habitate in S. chilense mit Veränderungen der Ausprägung der Diasporenbank korreliert und gleichzeitig Gene, die eine Rolle bei der Anpassung an abiotische Faktoren und bei der Dormanz spielen, identifizieren. Zu guter Letzt werden wir die Beweiserbringung für Diasporenbanken als Anpassungstrategie abschließen, indem wir Keimungsexperimente mit Diasporen der sechs sequenzierten S. chilense Populationen in verschiedenen Temperatur- und Feuchtigkeitsregimen durchführen. Das geplante Projekt vereint eine einzigartige Kombination aus populationsgenetischer Modellierung, Genomanalyse und empirischen Keimungsversuchen, um den ersten Beweis für lokale Anpassung durch Dormanz in einer wilden Pflanzenart zu erbringen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen