TaxGen

Hintergrund und Zielsetzung

Die sexuelle Spezialisierung von Pflanzen begeistert Wissenschaftler seit Jahrzehnten. Eine der wichtigen Fragen dabei ist: Was sind die genetischen Grundlagen der Geschlechtsdetermination in den verschiedenen diözischen Pflanzenarten? In der nahen Vergangenheit haben Fortschritte in der Hochdurchsatz-Sequenzierung faszinierende Ergebnisse bezüglich dieser Frage in diversen diözischen Bedecktsamern ermöglicht und gezeigt, dass einzelne Gene als Master-Regulatoren in der Geschlechtsdeterminierung wirken (z.B. in Diospyros und Populus). Diese Erkenntnis unterstützt Ein-Faktor-Modelle der Geschlechtsdeterminierung, denen klassische Zwei-Faktoren-Modelle gegenüberstehen. Basierend auf einem vor Kurzem veröffentlichten Modell, wurde die Hypothese formuliert, dass die Gene, die das Geschlecht in monözischen Arten kontrollieren, auch in der Regulation der Geschlechter in verwandten diözischen Arten involviert sind, und andersherum (Original: „We propose that the genes controlling sex expression in monoecious species may often also be involved in sex determination in related dioecious species, and vice versa“, Renner und Müller, Nature Plants 2021).

Pflanzengattungen wie Taxus, in denen sowohl monözische als auch diözische Arten vorkommen, sind sehr gut geeignet, um diese Hypothese zu untersuchen, indem die genetischen und molekularen Grundlagen der Geschlechtsdeterminierung in diesen nah verwandten Arten aufgedeckt und verglichen werden. Das Projekt TaxGen konzentriert sich dabei auf die diözische Art Taxus baccata, womit die Forschung zur Geschlechtsdeterminierung auch auf Koniferen ausgeweitet wird

Vorgehensweise

Die außergewöhnlich großen Genome von diözischen Gymnospermen (Taxus baccata: ca. 11 Gb) erschweren Sequenzierungen im Vergleich zu den kleineren Angiospermen-Genomen. Unser Projektpartner, das DRESDEN-concept Genome Center, ist ein von der DFG gefördertes Kompetenzzentrum für Hochdurchsatzsequenzierung und wird hochakkurate und lange Reads und Hi-C Daten von einer männlichen und einer weiblichen Eibe produzieren und Chromosomen-Level Referenzgenome assemblieren. Zusätzlich werden Daten aus der Isoformen-Sequenzierung mit langen Reads von ausgewählten Geweben der Eiben benutzt, um die Annotation dieser Referenzgenome zu unterstützen. Durch die Resequenzierung von jeweils 20 weiteren weiblichen und männlichen Individuen soll anschließend das heterogametische Geschlecht und der geschlechtsdeterminierende Bereich (SDR) im Genom der Eibe bestimmt werden. Die Identifikation der geschlechtsdeterminierenden Gene wird dabei zusätzlich durch quantitative RNA-Sequenzierungen von mehreren Männchen und Weibchen erleichtert. Basierend auf diesen Ergebnissen werden die entdeckten geschlechtsspezifischen genetischen Varianten benutzt, um genetische Geschlechtsmarker zu entwickeln, denen eine große praktische Bedeutung zukommt, da Taxus baccata erst nach über 15 Jahren geschlechtsreif wird.

Die Arbeitspakete umfassen:

1. DNA- and RNA-Sequenzierung von Taxus baccata-Individuen
2. Assemblierung and Annotation eines männlichen und weiblichen Taxus baccata-Referenzgenoms
3. Identifizierung, Charakterisierung und Annotation der SDR in Taxus baccata
4. Vergleichende Genomik der Gattung Taxus
5. Entwicklung molekularer Geschlechtsmarker für Taxus baccata und Transfertests