Natürliche Variation in Arabidopsis thaliana - Blühverhalten und Artbildung

Abstract

Der faszinierende Prozess der Evolution führt zum einen zu gut angepassten Organismen und zum anderen zu unterschiedlichen Arten. Beide Prozesse, Anpassung und Artbildung, sind von herausragender Bedeutung für die biologische Forschung. Diese Arbeit untersucht die natürliche Variation im Blühverhalten von Arabidopsis thaliana als adaptives Merkmal, sowie die Inkompatibilität zweier A. thaliana Ökotypen. Diese Inkompatibilität wurde in F1 Hybriden der Ökotypen Uk-1 und Uk-3 entdeckt und ist ein Beispiel für beginnende Artbildung.

Blühverhalten Eine an Umweltbedingungen angepasste Regulierung von Blühverhalten ist ausschlaggebend für den Erfolg von Pflanzenpopulationen. Diese Arbeit untersucht das Blühverhalten von 155 natürlich vorkommenden A. thaliana Ökotypen und 32 Blühzeit-Mutanten. Das Blühverhalten wurde in vier unterschiedlichen Wachstumsbedingungen getestet, welche Umwelteinflüsse repräsentieren, die das Blühverhalten hauptsächlich beeinflussen: Tageslänge, Wachstumstemperatur und Vernalisierung, eine winterähnliche längere Kälteperiode. Die Verteilung der Blühzeiten bei Langtag zeigte zwei Höhepunkte und bestätigte die wichtige Rolle der beiden Gene FRIGIDA (FRI) und FLOWERING LOCUS C (FLC) für die Regulierung des Blühverhaltens. In spät blühenden Ökotypen wurde keine Deletion gefunden, weder in FRI noch in FLC. In früh blühenden Ökotypen hingegen war die Funktion eines der beiden Gene beeinträchtigt. Am häufigsten waren die schon bekannten Deletionen, die auch in den Ökotypen Col-0 und Ler vorhanden sind. Zusätzlich fanden wir 20 Ökotypen mit bisher unbekannten, selten Allelen von FRI oder FLC. Die Expression von FLC zeigte eine starke lineare Korrelation mit Blühzeit. Microarray Experimente ergaben dass FLC tatsächlich das Gen ist, dessen Expression am besten mit Blühzeit korreliert, unter allen 22000 Genen, die mit dem Microarray getestet wurden.

Trotz der Tatsache, dass die Aktivität der beiden Gene FRI und FLC bestimmt, ob die Pflanze generell früh oder spät blüht, haben wir beträchtliche Blühzeitvariation innerhalb der beiden Klassen gefunden. Der Effekt von FRI und FLC war zudem bedeutend geringer unter Kurztagsbedingungen. Der FRI/FLC- Genotyp konnte nur 23% der Variation unter Kurztagsbedingungen erklären, im Gegensatz zu 63% im Langtag. Durch die Berechnung eines Werts für die Empfindlichkeit gegenüber veränderten Umweltbedingungen konnten wir Ökotypen mit auffälligem Blühverhalten identifizieren. Diese sind viel versprechende Kandidaten für die Identifikation von neuen natürlichen Allelen schon bekannter Blühzeit Gene. In Fortsetzung an diese Blühzeitstudie wurde auch tatsächlich ein natürliches Allel von PHYD entdeckt und Spuren von Selektion festgestellt.

Artbildung Das am weitesten verbreitete Artkonzept von Ernst Mayr definiert Arten als getrennte Gruppen, die sich nicht paaren können und machte damit Inkompatibilitäten in Hybriden zu einem Hauptthema der biologischen Artforschung. Ich habe eine dominante Inkompatibilität zwischen den beiden Ökotypen Uk-1 und Uk-3 entdeckt. Der temperatur-abhängige, zwerg-ähnliche Phänotyp mit Blattdeformationen und Unfruchtbarkeit unter ökologisch relevanten Wachstumstemperaturen (16°C) lässt starke Fitness Einbußen vermuten. Die genetische Grundlage der beobachteten Inkompatibilität entspricht dem Dobzhansky-Muller Modell, nach dem in je einer Population ein Allel sich verändert und gut im eigenen genetischen Kontext funktioniert. Wenn jedoch beide veränderten Allele in Hybriden zusammen kommen, kommt es zu einer negativen epistatischen Interaktion mit verheerende Folgen für die Hyrbiden. Diese beiden Loci befinden sich innerhalb kleiner Intervalle der Chromosomen 3 und 5. Das Intervall von Chromosom 3 wurde noch verkleinert und verschiedne Kandidaten Gene wurden getestet. Das Gen HIRA könnte das eine Gen sein, das die Inkompatibilität verursacht, der endgültige Beweis steht jedoch noch aus. Microarray Exprimente ergaben, dass eine inadäquate Pathogenantwort den Inkompatibilitäts-Phänotyp verursacht. Interessanterweise gibt es noch weitere Fälle von Inkompatibilitäten in unterschiedlichen Gattungen, die einen ähnlichen Phänotyp zeigen. In einigen konnte sogar auch die erhöhte Aktivierung der Pathogenantwort festgestellt werden. Dies lässt vermuten, dass inadäquate Pathogenantwort ein weit verbreiteter Mechanismus darstellt, der in den ersten Stufen der Artbildung involviert ist. Solch eine Inkompatibilität zwischen Individuen der selben Art zu finden, gibt die Möglichkeit, Artbildung am Anfang zu untersuchen. Obwohl wir nicht herausfinden können, ob sich letztendlich unterschiedliche Arten bilden werden, können wir Fragen an die Artbildung stellen, die wir nicht stellen können in Inkompatibilitäten zwischen schon längst getrennten Arten.

The fascinating process of evolution leads to both well-adapted organisms with continuous natural variation and to distinct species. Both processes, adaptation and speciation, are key interests of biological research. This work explores flowering time variation in A. thaliana accessions as an adaptive trait and studies the hybrid incompatibility which was observed between the two accessions Uk-1 and Uk-3 and might represent an example of incipient speciation.

Flowering time For the success of plant populations, the tight control of flowering time is crucial. In this study, the flowering time of 155 natural accessions together with 32 flowering time mutants was measured in four different environments representing the major environmental cues affecting flowering time: daylength, ambient temperature and vernalization, a prolonged winter-like time of cold. The flowering time distribution under long day conditions showed two peaks and confirmed the important role of FRI and FLC in flowering time regulation. In late-flowering plants, we found no obvious deletions in either gene, but the function of either gene was impaired in all early flowering accessions. Most frequent were the well-known Col-0- or Ler-type deletion in FRI. Additionally, we found 20 accessions with so far unknown, rare alleles of FRI or FLC. FLC expression levels showed a high linear correlation with flowering time. Microarray experiments revealed that FLC is indeed the gene most highly correlated with flowering time, among all genes represented on the ATH1 microarray. Despite the fact that FRI and FLC functionality determines early or late flowering behavior, we found substantial variation within the two classes, reflecting the action of additional signaling pathways. Also, the effect of FRI and FLC is much smaller under short day conditions, accounting for only 23% of the observed variation - in contrast to 63% under long day conditions. Through environmental sensitivity analysis we have identified conspicuous accessions that are promising candidates to identify new natural alleles of genes controlling flowering time in future studies. A new natural allele of PHYD could indeed be identified successfully from a conspicuous accession identified in this flowering time screen.

Speciation The most widely accepted species definition by Ernst Mayr defines species as reproductively isolated groups and turned reproductive isolation or hybrid incompatibility into the main target of biological speciation research.

We discovered a dominant hybrid incompatibility between the two A. thaliana accessions Uk-1 and Uk-3. The temperature-sensitive, dwarf-like phenotype with leaf malformations and infertility under ecologically relevant conditions (16°C) suggests a severe loss of fitness. The genetic basis of the observed incompatibility fits with a two gene Bateson-Dobzhansky-Muller model: Two derived alleles of distinct genes function well in their own genetic context. however, negative epistatic interaction of these alleles has detrimental effects when they come together in a hybrid plant,. We mapped the two responsible loci to small chromosomal regions on chromosome 3 and 5. The region on chromosome 3 was fine mapped and all candidate genes present within the mapping interval were tested. The gene HIRA is likely to be the incompatibility gene, however final proof is still required. Microarray experiments suggest that the ectopic expression of pathogen response genes underlies the observed incompatibility. This is consistent with other cases of hybrid incompatibilities described in different plant taxa that also involve pathogen response and show symptoms very similar as described here. Taken together, these findings suggest that ectopic activation of pathogen response genes might be a common mechanism involved in the first steps of species separation. To find such an incompatibility between individuals of the same species, gives the opportunity to study speciation at its beginning. Although we will not find out if eventually a new species will form, we can ask questions about speciation that cannot be addressed by the incompatibilities between already existing species that mainly have been used in speciation research so far.