Unsere Forschung

Forschungsgruppe ICIPS 

FOR 5098 - „Innovation und Koevolution in der sexuellen Reproduktion von Pflanzen“

ICIPS ist eine von der DFG geförderte Forschungsgruppe, die von Prof. Dr. Annette Becker federführend in Gießen koordiniert wird.

Das Projekt...

Als die frühen Landpflanzen ihr Verbreitungsgebiet ausdehnten, setzten sie sich dem ständigen Risiko der Austrocknung aus. Daher veränderte sich auch die sexuelle Reproduktion der Pflanzen, so dass sie von Wasser unabhängiger wurden. Landpflanzen entwickelten eine ganze Reihe an wichtigen Innovationen in der sexuellen Reproduktion, wie beispielsweise die Bildung von Sporen (Pollen) die unbewegliche Spermazellen transportieren, Samenanlagen, die den reduzierten weiblichen Gametophyten (Embryosack) enthalten, und multizelluläre Embryonen, die, eingebettet in Samen, in dehydriertem Zustand effizient verbreitet werden können. Somit finden sich bei der sexuellen Fortpflanzung der Landpflanzen viele bemerkenswerte Bespiele für ganz essentielle biologischen Konzepte der „Innovation“ (z. B. der Ursprung der Samenanlage und Blüten) und der „Koevolution“ (z.B. zwischen für die Befruchtung wichtigen Signalpeptiden und deren Rezeptoren). Bisher sind die evolutionären Dynamiken und zugrundeliegenden molekularbiologischen Mechanismen dieser reproduktiven Prozesse nur rudimentär verstanden. Sieben unabhängige Projektleiter mit komplementärer Expertise aus den Bereichen Molekular-, Entwicklungs-, Zell-, und Evolutionsbiologie, unterstützt von einer Bioinformatik-Arbeitsgruppe schließen sich daher in der FOR5098 ICIPS zusammen, um erhebliche Lücken im Verständnis der molekularen Mechanismen, die Innovationen in der Evolution pflanzlicher Reproduktion ermöglichen, zu schließen. Die Projekte befassen sich (i) mit der molekularen Evolution von essentiellen Transkriptionsfaktorfamilien, den genregulatorischen Netzwerken, in die sie eingebettet sind, und (ii) mit der Evolution der Kommunikation zwischen männlichen und weiblichen Reproduktionsstrukturen. Wir werden (iii) die Grundlagen zum Vergleich zeitlicher und räumlicher Dynamik reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) innerhalb der Evolution sexueller Reproduktion bei Landpflanzen schaffen. Der Schwerpunkt liegt auf der Analyse der molekularen Evolution und Koevolution von Genen aus Nicht-Samenpflanzen, deren Homologe essentielle morphogenetische Prozesse in Samenpflanzen, wie beispielsweise die Blüten- und Samenentwicklung sowie Befruchtungsprozesse steuern. In den Projekten der einzelnen Gruppen werden aktuellste Methoden der Molekularbiologie, Zellbiologie, in vivo Bildgebungsverfahren mit genetisch kodierten Biosensoren, Genomik, Transkriptomik, Genomeditierung und Bioinformatik in genetischen Modellorganismen innerhalb der Nicht-Samenpflanzen und Blütenpflanzen kombiniert. Die entsprechenden Methoden stehen für diese Pflanzenarten, darunter das Lebermoos Marchantia, das Laubmoss Physcomitrium und der Farn Ceratopteris erst seit kurzer Zeit zur Verfügung. Weiterhin will die FOR ICIPS Wissenschaftler/innen und Expertise im Bereich der pflanzlichen evolutionären Entwicklungs- und Reproduktionsbiologie zusammenführen um bereits etablierte Methoden an neuen, Nicht-Samenpflanzen Modellarten zur Anwendung zu bringen.

Webseite der Forschungsgruppe: https://dfg-icips.org/

Förderung: 2021-2025, Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

ICIPS - Teilprojekt 1 

400 Millionen Jahre Treue - wie sich die Transkriptionsregulatoren LEUNIG und SEUSS gemeinsam zu Schlüsselfaktoren der Fortpflanzungsentwicklung in Arabidopsis thaliana entwickelt haben

Während der Evolution der Landpflanzen kam es relativ häufig zu Verdoppelungen des gesamten Genoms, wodurch sich die Gennetzwerke, die die Entwicklungsprozesse steuern, erweitern und neu verdrahten konnten. Dies könnte zur Entstehung neuer Expressionsmuster für „alte“ Gene und zur strengen Regulierung neuer Gene beigetragen haben. Man geht davon aus, dass diese molekularen Evolutionsprozesse eine Voraussetzung für die Entstehung neuer Merkmale sind. Die sexuelle Fortpflanzung von Landpflanzen bietet viele Beispiele, die Aufschluss über den molekularen Ursprung von Neuerungen geben, wie z. B. die evolutionären Innovationen der Samenanlagen oder der Fruchtblätter von Bedecktsamer. Im Rahmen der Forschungsgruppe ICIPS schlagen wir vor, die molekulare Evolution eines Paares von Transkriptions-Korepressoren LEUNIG (LUG) und SEUSS (SEU) zu analysieren, die beide eine wichtige Rolle bei verschiedenen Aspekten der Blütenentwicklung spielen. Interessanterweise waren sie bereits vor der Entstehung der Landpflanzen vorhanden und wirkten möglicherweise bereits als Repressoren der Transkription. Anhand der stark divergierenden ICIPS-Arten wollen wir die allgemeine Frage beleuchten, wie sich Repressoren entwickeln, wenn in verschiedenen Pflanzenlinien, die unabhängige WGDs durchlaufen haben, viele Möglichkeiten zur Neuverdrahtung von Gennetzwerken bestehen. Konkret stellen wir Fragen zur Anzahl und Expression von LUG- und SEU-Homologen in Moosen, Leberblümchen, Farnen und Samenpflanzen und analysieren die Proteininteraktionen der jeweiligen Proteine. Außerdem werden wir ihre Funktion bei der sexuellen Fortpflanzung in Nicht-Samenpflanzen identifizieren. Mit diesen Ansätzen werden wir der Frage nachgehen, wie sich diese Corepressoren entwickelt haben und rekrutiert wurden, um die Transkription bei der Entwicklung der sexuellen Fortpflanzungsorgane von Blütenpflanzen wie Arabidopsis thaliana zu regulieren. Darüber hinaus wollen wir gemeinsam mit dem Labor von Günter Theißen (Gruppe P5) den Farn Ceratopteris richardii (C-Farn) als genetisches Modellsystem etablieren, indem wir Transkriptomdaten zur Charakterisierung bestimmter Entwicklungsstadien generieren und ein Gene-Editing-System für C-Farn entwickeln. 

Kontakt: Annette.Becker@bot1.bio.uni-giessen.de

Webseite der Forschungsgruppe: https://dfg-icips.org/

Förderung: 2021-2025, Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Evolution von Gennetzwerken

Die Ranunculales als Modellordnung für evolutionäre Innovation

Wie Veränderungen in regulatorischen Gennetzwerken (GRNs) den Ursprung neuer, complexer Merkmalen bedingen, oder, kurzgefasst, „Wie entsteht Neues in der Evolution?“ ist eine zentrale Frage der modernen Evolutionsbiologie. Wir möchten diesen molekulargenetischen Ursprung neuer Merkmale am Modell der Ordnung Ranunculales (Hahnenfußgewächse) untersuchen. Ranunculales sind recht ursprüngliche Eudikotyle (Zweikeimblättrige Pflanzen) und umfassen morphologisch sehr diverse Arten wie Hahnenfuß, Mohn, Akelei oder Rittersporn. Ranuncuales sind deshalb besonders, weil mehrere morphologische Merkmaler mehrfach unabhängig voneinander entstanden sind, z.B. gespornte Blütenorgane, Zygomorphie oder die Reduktion von Perianthorganen. Darüber hinaus sind in dieser Blütenpflanzenordnung neue Blütenorgane, Reduktion von gewirtelter zur spiraligen Phyllotaxy, Diözie, und Windbestäubung aufgetaucht. Viele Arten innerhalb der Ranunculales können mit Virus-induziertem Gensilencing behandelt werden, wodurch Gene gezielt ausgeschaltet werden können, um deren Funktion in späteren Stadien dieses Projektes untersuchen zu können. Wir möchten 20 Transkriptome von sieben Ranunculales Arten sequenzieren (Eschscholzia californica, Capnoides sempervirens, Pteridophyllum canadensis, Thalictrum thalictroides, Aquilegia coerulea, Nigella damascena, Staphisagria picta), die diese evolutionären Innovationen zeigen. Die Transkriptome werden von z.B. Knospen unterschiedlicher Stadien, verschiedener Blütenorgane, Zeitserien von Petalengewebe und vegetativem Gewebe stammen. Zudem planen wir Genomsequenzierungen der vier Arten, deren Genome noch nicht sequenziert wurden, um die Transkriptomanalysen mittels Transkript-Identifizierung und -Mapping zu optimieren. Auf lange Sicht beabsichtigen wir die Identifikation von Co- Expressionsgennetzwerken und wollen den Grad der Konservierung von co-exprimierten Teilen von GRNs beurteilen und die Teile identifizieren, die sich zwischen den Ranunculales-Arten unterschieden, um sie mit den entsprechenden evolutionären Innovationen zu korrelieren. Das Ziel dieses Projektes ist es, die nötigen Ressourcen zur Verfügung zu stellen, um vergleichende Transkriptom- und Genomanalysen in Ranunculales durchführen zu können. Diese sind die Voraussetzung, um die molekularen Grundlagen des Ursprungs neuer morphologischer Merkmale zu verstehen.

Die Entwicklung der Plasmodesmen

Pflanzenzellen sind durch Plasmodesmen (PD) miteinander verbunden, d. h. durch komplexe zytoplasmatische Kanäle, die die interzelluläre Kommunikation und den symplastischen Austausch von (Makro-)Molekülen vermitteln. Die Entstehung der PD war ein entscheidender Schritt in der Pflanzenentwicklung, da sie i) die Entwicklung immer komplexerer Pflanzenkörper mit Arbeitsteilung zwischen räumlich angeordneten Geweben und Organen ermöglichte und ii) koordinierte Strategien zur Bewältigung der gefährlichen biotischen und abiotischen Belastungen ermöglichte, die bei der Eroberung des Landes auftraten.

Bei Samenpflanzen sind PD-Netzwerke hochdynamisch und durchlaufen drastische funktionelle und strukturelle Veränderungen, die Entwicklungsprozesse, metabolische Akklimatisierung und Reaktionen auf Krankheitserreger steuern. Informationen über PD-Netzwerke in Nicht-Samenpflanzen und Streptophyten-Algen sind jedoch rar und oft widersprüchlich. Innerhalb der Streptophyten wird eine Homologie zwischen PD-ähnlichen Strukturen in Algen der ZCC-Gruppe und dem PD von Landpflanzen vermutet, obwohl noch Unsicherheiten hinsichtlich einer einheitlichen PD-Architektur und eines gemeinsamen Modus der PD-Bildung bestehen, die im vorliegenden Projekt behandelt werden sollen.

Die postzytokinetische Bildung sekundärer PD in bereits vorhandenen Zellwänden ist ein geeigneter Mechanismus, um die Anzahl der PD (und die Transportkapazitäten) an sich ändernde Anforderungen anzupassen, und hat sich (unabhängig?) zumindest in einigen Lycophyten-Linien und Spermatophyten entwickelt. Ob die Bildung sekundärer PD auch in anderen Landpflanzen-Linien vorkommt, ist unklar und wird im Rahmen des Projekts untersucht.

Da das Projekt Teil des DFG-Schwerpunktprogramms 2237 „MAdLand – Molekulare Anpassung an das Land: Pflanzenevolution im Wandel“ ist, werden wir unsere mikroskopischen Analysen an den MAdLand-Modellpflanzenarten durchführen, die verschiedene Taxa von Streptophyten-Algen und nicht-samenbildenden Landpflanzen repräsentieren. Unser Ziel ist es, grundlegende Unterschiede in der PD-Struktur und -Herkunft zwischen den Streptophyten-Linien zu entdecken, deren molekulare Grundlagen in der zweiten Förderperiode erforscht werden sollen.

Förderung: 2020-2023 Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Kooperationspartner: Stefan Rensing, University of Marburg (MAdLand coordinator),  cf. https://madland.science/  and  http://madland.science/projects.php

Phylotranscriptomics of the carpel developmental toolkit 

Eine Studie zum Verständnis der Entstehung der Blütenpflanzen

Wir wissen relativ wenig über den Ursprung der Bedecktsamigen, einer Pflanzengruppe, die die meisten terrestrischen Ökosysteme dominiert und uns mit dem Großteil unserer Nahrung versorgt. Obwohl die Genome und Transkriptome von Angiospermen und ihrer Schwestergruppe, den Gymnospermen, bereits vorliegen, einige frühe Angiospermen-Fossilien beschrieben sind und die Phylogenie der Samenpflanzen, bestehend aus Angiospermen und Gymnospermen, im Großen und Ganzen geklärt ist, bleiben die Antworten auf die zentralen Fragen, wie die erste Angiosperme aussah und welche Gene für den Aufbau dieser ursprünglichen Angiosperme erforderlich waren, weiterhin offen.

Das allgemeine Ziel dieses Projekts ist es, einen minimalen Satz von Genen zu identifizieren, die für die Fruchtblattentwicklung bei Angiospermen erforderlich sind, um zu verstehen, welche genetischen Voraussetzungen für die Entstehung des ursprünglichen Fruchtblatts notwendig waren und wie somit ein entscheidender Schritt während der Entstehung der Angiospermen vollzogen wurde. Anschließend werden die molekularen Funktionen und genetischen Interaktionen dieses Gensatzes identifiziert, um den ursprünglichen Zustand des Fruchtblattentwicklungsnetzwerks vorherzusagen und zu ermitteln, welche Gene welche Funktionen in der ursprünglichen Angiosperme erfüllten. Dieses Projekt ist das erste, das Regulatoren der Fruchtblattentwicklung systematisch und unvoreingenommen über ein breites Spektrum phylogenetisch wichtiger Taxa hinweg analysiert, und zwar durch eine Kombination aus Laser-Capture-Mikrodissektion und Phylotranskriptomik. Mit den neu veröffentlichten Genomen von A. trichopoda und P. abies sowie der Verfügbarkeit der Transkriptome von W. mirabilis als zweiter Gymnosperme aus einer divergierenden Linie. Mit den neu veröffentlichten Genomen von A. trichopoda und P. abies sowie der Verfügbarkeit der W. mirabilis-Transkriptome als zweiter Gymnosperme aus einer divergierenden Abstammungslinie ist dieses Projekt nun ein zeitgemäßes und realistisches Unterfangen.

Förderung: 2016 – 2019  Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Kooperationspartner: Alexander Goesmann and Oliver Rupp, Institute for Bioinformatics and Systems Biology, JLU Gießen, Knut Beuerlein, Rudolph-Buchheim-Institute for Pharmacology, JLU Gießen

Kontakt: Annette.Becker@bot1.bio.uni-giessen.de

Evolutionsgenetik der Fruchtblattentwicklung am Beispiel des Kalifornischen Mohns (Eschscholzia californica) als neue Modellart

Alle Blütenpflanzen besitzen Fruchtblätter, weibliche Fortpflanzungsorgane, die die Eizellen umschließen und sich später zu Samenkapseln und Früchten entwickeln. Gene, die die Entwicklung der Fruchtblätter steuern, werden derzeit an der Modellpflanze Arabidopsis, einer hochentwickelten Blütenpflanze, identifiziert. Der evolutionäre Ursprung der Fruchtblätter ist jedoch noch unklar. In diesem Projekt werden wir Gene identifizieren und charakterisieren, die die Fruchtblattentwicklung in einer primitiveren Pflanze, dem Kalifornischen Mohn (Eschscholzia californica), steuern. Diese neue Modellpflanze ist eine basale Eudikotyledone, die transgen manipuliert werden kann. Ein Vergleich der Fruchtblattgene bei Mohn und Arabidopsis wird dazu beitragen, Kerngene aufzudecken, die der Fruchtblattentwicklung in allen Blütenpflanzen zugrunde liegen. Dies wird es uns ermöglichen, Gene zu identifizieren, die bei der Fruchtblattentwicklung in allen Dikotyledonen dieselbe wichtige Rolle spielen, sowie solche, die spezialisiertere Funktionen erfüllen. Die zugrunde liegende Frage ist, wie Gen-Netzwerke, bestehend aus Entwicklungsgenen verschiedener Genfamilien, die Pflanzenentwicklung steuern und wie sich diese Netzwerke weiterentwickeln, was zu Veränderungen der Pflanzenstruktur führt.

Förderung: 2005-2014 Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), weitergeführt mit Mitteln der JLU Gießen

Kontakt:  Annette.Becker@bot1.bio.uni-giessen.de

Gefährdungsbeurteilung der AG Entwicklungsbiologie der Pflanzen