Prof. Dr. Susann Wicke

Biophysikalische Kohlenstoffkonzentrationsmechanismen (CCMs), die auf Einzelzellebene wirken, sind bei einigen eukaryotischen Algen und einer einzigen Landpflanzenlinie, den Hornmoosen, unabhängig voneinander entstanden. Ein wesentlicher Bestandteil für eine effiziente CCM ist ein Pyrenoid—ein spezialisiertes Kompartiment innerhalb von Chloroplasten, das hauptsächlich das CO2-fixierende Enzym RuBisCO enthält. Hornmoose mit Pyrenoiden binden deutlich mehr Kohlenstoff als ihre pyrenoidlosen Verwandten. Der wiederholte Gewinn bzw. Verlust von Pyrenoiden in Hornmoosen in den letzten 50 Millionen Jahren lässt vermuten, dass ihr Zusammenbau möglicherweise von einigen wenigen genetischen Schaltpunkten kontrolliert wird, die für die öko-evolutionäre Anpassung relevant sind. In einem gemeinsamen Projekt möchten wir vergleichende Hochdurchsatzanalysen mit reverser Genetik kombinieren, um die Funktion und molekulare Grundlage der biophysikalischen CCM in Hornmoosplastiden unter verschiedenen Umweltbedingungen zu untersuchen. Basierend auf der Überwachung von Veränderungen der Pyrenoidultrastruktur wollen wir das genetische Werkzeug der biophysikalischen CCM in Hornmoosen durch zwei miteinander vernetzte Ansätze identifizieren: Zum einen planen wir, mögliche CCM-Komponenten anhand von computergestützten Homologiesuchen vorherzusagen, wobei der Genpool der Hornmoose mit CCM-Komponenten von Algen abgeglichen wird. Zum anderen erstellen wir Gen- und Protein-(Co-)Expressionsprofile von isolierten Plastiden, die bei niedrigen bzw. hohen CO2-Konzentration und bei Überschwemmungsbedingungen gesammelt werden. Eine Stärke dieses experimentellen Aufbaus ist, dass wir bis zu drei Paare von pyrenoidbildenden und pyrenoidlosen Hornmoosarten gegenüberstellen. Diese, teils explorativen Untersuchungen sind nötig, da nicht garantiert werden kann, dass die Bildung und biophysikalische Funktion von Pyrenoiden nur auf einer Reihe von homologen Genen beruhen. Schließlich werden wir die Pyrenoidfunktion unter verschiedenen Umgebungsbedingungen untersuchen. Insbesondere möchten wir Lokalisierungs- und Funktionsvalidierungsanalysen für einen Kernsatz von Genen durchführen, die in unseren vorangegangenen Genidentifikationsansätzen entdeckt wurden. All diese Experimente sind durch unsere jüngsten Fortschritte bei der Etablierung des Acker-Hornmooses (Anthoceros agrestis) als genetisch manipulierbares Modellsystem möglich. In der Summe wird unser Gemeinschaftsprojekt nicht nur einen Vergleich der Mechanismen der Pyrenoidbildung zwischen Algen und Hornmoosen ermöglichen, sondern auch allgemeine Prinzipien und artspezifische Innovationen bei der Entwicklung von kohlenstoffkonzentrierenden Plastiden aufzeigen. Darüber hinaus könnte die Fokussierung auf und das Verständnis der Grundlagen von CCM in einer Landpflanze anstelle der Algenform letztlich dazu beitragen, die Pyrenoidanordnung effizient nachzuahmen und so die photosynthetische Effizienz von Nutzpflanzen zu steigern.

Da die wichtigen Nutzpflanzen die Wasser- und Nährstoffressourcen entziehen, gelten mehrere parasitisch lebende Arten der Sommerwurzfamilie (Orobanchaceae) weltweit als die aggressivsten Agrarschädlinge unter den parasitischen Pflanzen. Kenntnisse über die molekularen Mechanismen, die die Evolution des Parasitismus innerhalb dieser Familie beeinflussen, sind unentbehrlich für die Entwicklung nachhaltiger Maßnahmen der Schädlingsbekämpfung. Dieses Projekt wird die Gemeinsamkeiten und die adaptiven und nicht-adaptiven genetischen Veränderungen untersuchen, die mit dem Übertritt zu einer vollparasitischen Lebensweise innerhalb der Orobanchaceae einhergehen. Ausgenutzt wird dabei die einzigartige, natürliche genetische Vielfalt der Familie und deren Vielzahl an trophischen Spezialisierungsformen, die Nichtparasiten, Halbparasiten verschiedenster Form sowie zahlreiche Vollparasiten einschließt. Überprüft wird, welche genetischen Rekonfigurationen dem Übertritt in den Vollparasitismus vorangehen oder folgen und ob diese einer vorhersehbaren Abfolge unterliegen. Hierbei stehen Unterschiede in der molekularen Evolution der Gene der Parasiten im Vordergrund. Wir werden untersuchen, ob die Art und Richtung von Verschiebungen in den Mutationsraten der Parasiten mechanistisch erklärt werden können durch variierende Transkriptumsätze, die bedingt sind durch die mit der trophischen Spezialisierung einhergehenden veränderten Selektionsdrücke. Hierfür werden mittels qualitativer und quantitativer RNA- und DNA-Sequenzierung die Gensätze und deren Expression in verschiedenen Orobanchaceae verglichen. Wir werden probabilistische Modelle verwenden, entwickeln und testen, die genotypische mit phänotypischer Information in einem einheitlichen Analyserahmen zusammenbringen. Dieses Vorhaben wird somit erstmalig analysieren können, wie Modifikationen des genetischen Profils und grundlegender molekularer Mechanismen zusammenwirken und die makroevolutionäre Veränderung in parasitischen Pflanzen antreiben - und vice versa. Das gut entwickelte Orobanchaceae-Modellsystem in Kombination mit modernsten molekularen und bioinformatischen Methoden bietet ein ideales Werkzeug für die Entwicklung eines verallgemeinerten Erklärungsentwurfs, der die genetischen Veränderungen auf dem Weg zu trophischer Spezialisierung in der Sommerwurzfamilie darlegt. Unsere Forschung greift ungelöste Fragen hinsichtlich der Genetik der Orobanchaceae auf und wird zugleich ungeklärte Aspekte der molekularen Ratenvariation in Pflanzen beantworten. So wird dieses Vorhaben zur Entschlüsselung der Ursachen und Folgen des Übergangs zum Parasitismus bei Pflanzen und der ihnen zugrundeliegenden molekularen Mechanismen beitragen. Vergleichende, computergestützte Ansätze in der Evolutionsbiologie treiben die Entwicklung eines verallgemeinerten Genotyp/Phänotyp-Koevolutionserklärungsmodells voran, das in vielen Bereichen der Lebenswissenschaften von großer Relevanz ist.