Genetische Grundlagen der Kohlenstoffanreicherung von Hornmoosen

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.

Projektleitung
Wicke, Susann Prof. Dr. (Details) (Systematische Botanik und Biodiversität)

Beteiligte Organisationseinheiten der HU

Mittelgeber
DFG - Schwerpunktprogramme

Laufzeit
Projektstart: 09/2020
Projektende: 08/2023

Forschungsbereiche
Genetik der Pflanzen

Forschungsfelder
Biodiversität, Genomanalyse, Kohlenstoff in oberirdischer Vegetation, Organismische Evolution, Pflanzliche Molekularbiologie

Zuletzt aktualisiert 2020-14-10 um 16:56