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Biologie


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Botanik - Entwicklungsgenetik der Pflanzen

Prof. Dr.  Sabine Zachgo, Direktorin des Botanischen Gartens

Prof. Dr. Sabine Zachgo, Direktorin des Botanischen Gartens

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Unsere Forschung beschäftigt sich mit der Analyse entwicklungsgenetischer Prozesse in den Landpflanzen. Mit über 250.000 verschiedenen Arten entwickelten sich im Laufe der Landpflanzenevolution die Angiospermen, die Blütenpflanzen, zu der artenreichsten und somit erfolgreichste Pflanzengruppe. Wie kam es zur Ausbildung dieser enormen Biodiversität? Welche molekularen Mechanismen regulieren morphologische und biochemische Anpassungen und ermöglichten Pflanzen ein Leben an Land, das mit vielfältigen biotischen und abiotischen Stressfaktoren einhergeht?

Entscheidenden Einfluss auf diesen Erfolg der Angiospermen hatte die Evolution der Blüte. Im Laufe einer Koevolution mit Blütenbestäubern entwickelten sich Pflanzenarten mit unterschiedlicher Anzahl, Form, Größe und Symmetrie der attraktiven Blütenblätter, der Petalen, die damit ideale Organe für unsere Analysen sind. Wir untersuchen die Funktionen von Schlüsselregulatoren wie den TCP, TGA und MADS-Box Transkriptionsfaktoren (TF), die essentielle Funktionen bei der Blütenorganogenese ausüben.

TCP TFs können Zellproliferationsaktivitäten verstärken oder vermindern und regulieren so die Größe von Organen. Eine veränderte TCP Blütenexpressionsregulation, wie sie bei der Schleifenblume Iberis amara evolvierte, führte dazu, dass sich Petalen unterschiedlicher Größe entwickeln. Iberis bildet daher statt der ursprünglichen, polysymmetrischen Blüten abgeleitete, monosymmetrische Blüten. Dies ist eine morphologische Neuerung in ihrer Pflanzenfamilie der Kreuzblütler (Brassicaceae). TGA TFs und ihre Interaktoren, eine Landpflanzen-spezifische Gruppe von Glutaredoxinen (kleinen Oxidoreduktasen, genannt ROXYs), kontrollieren die Anzahl der Petalen sowie weitere Entwicklungsprozesse. Die Organidentität der Petalen wird von einer Gruppe homeotischer MADS-Box TFs kontrolliert.

Um die Funktion dieser TFs bei Diversifizierungsprozessen und der Adaption von einem aquatischen Landpflanzenvorgänger an ein terrestrisches Leben zu verstehen, verwenden wir den neuen Modellorganismus Marchantia polymorpha, ein Lebermoos, dass sich im Laufe der Landpflanzenevolution früh entwickelt hat. Das Marchantia TCP Gen MpTCP1 steuert die Zellproliferation in der meristematischen Wachstumszone dieses Mooses. Interessanterweise bindet das Marchantia TCP Protein redox-abhängig an DNA und reguliert die Expression eines komplexen Redoxnetzwerks.

In weiterführenden genetischen, biochemischen und zellbiologischen Marchantia-Studien werden redox-regulierte Entwicklungsprozesse und deren Beitrag zur Evolution der Landpflanzen untersucht. 

Literaturauswahl

Entwicklungsgenetik der Pflanzen

  • Busch A., Deckena M., Almeida-Trapp M., Kopischke S., Kock C., Schuessler E., Tsiantis M., Mithofer A., Zachgo S. (2019) MpTCP1 controls cell proliferation and redox processes in Marchantia polymorpha; New Phytologist, DOI:10.1111/nph.16132.
  • Gutsche N., Holtmannspötter M., Maß L., O’Donoghue M., Busch A., Lauri A., Schubert V., Zachgo S. (2017) Conserved redox-dependent DNA binding of ROXY glutaredoxins with TGA transcription factors. Plant Direct, DOI: 10.1002/pld3.30.
  • Bowman J.L. et al. (Marchantia Genome Consortium) Zachgo S., Schmutz J. (2017) Insights into Land Plant Evolution Garnered from the Marchantia polymorpha Genome. Cell 171, 287-304.
  • Buschmann H., Zachgo S. (2016) The evolution of cell division: from streptophyte algae to land plants. Trends in Plant Science, 21, 872-883.
  • Gutsche N., Thurow C., Zachgo S., Gatz C. (2015) Plant-specific CC-type glutaredoxins: functions in developmental processes and stress response. Biol Chem., 396, 495-509.
  • Horn S., Pabón-Mora N., Theuß V.S., Busch A., Zachgo S. (2014) Analysis of the CYC/TB1 class of TCP transcription factors in basal angiosperms and magnoliids. The Plant Journal 81, 559-571.

Direktorin des Botanischen Gartens

  • Borgmann P., Burkart M., Lauterbach D., Listl D., Martens A., Nick P., Oevermann S., Poschlod P., Radkowitsch A., Reisch C., Stevens A.-D., Straubinger C., Zippel E., Zachgo S. (2015) WIPs-De: Wildpflanzenschutz Deutschland - Ein Projekt des Bundesprogramms zur Biologischen Vielfalt. Natur und Landschaft 90, Heft 12, S. 550-555.
  • Borgmann P., Oevermann S., Friesen N. und Zachgo S. (2014) Die Genbank für Wildpflanzen für Ernährung und Landwirtschaft (WEL). In: Poschlod P., Borgmann P., Listl D., Reisch C. Zachgo S. (eds.): Handbuch Genbank WEL. Regensburg: HOPPEA Denkschriften der Regensburgischen Botanischen Gesellschaft, 41-69.

Botanik - Systematik und Merkmalsevolution in Brassicaceen

Die Familie der Kreuzblütler (Brassicaceae) ist eine der größten Pflanzenfamilien der Nordhemisphäre und Vertreter dieser Familie sind in allen Biotopen verbreitet und geradezu charakteristisch für Extremstandorte: vom Meeresstrand bis in die Hochgebirge, untergetaucht im Wasser lebend bis in die trockensten Wüsten vorkommend. Zu den Kreuzblütlern gehören zudem zahlreiche Kulturpflanzen wie Raps, Kohl und Salatkresse, aber auch »Unkräuter« von hohem invasiven Potential. Wie kommt es zur Differenzierung einer derartigen Vielfalt? Warum sind einige Arten weltweit verbreitet, andere dagegen engräumig begrenzt?

Abbildung 1 Stammbaum der Brassicaceen (ca. 3700 Arten) auf der Basis der DNA-Sequenz von acht Genen. I-III bezeichnen Hauptevolutionslinien. Wichtige, Modellorganismen der modernen Pflanzenwissenschaften enthaltende Gruppen sind hervorgehoben.

apl. Prof. Dr. rer. nat.  Klaus Mummenhoff

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Die Systematik hat verschiedene Ziele und Aufgaben: die Formenvielfalt zu dokumentieren, ein Ordnungsprinzip als Informationsspeicher zu schaffen und die biologische Vielfalt zu erklären. Die moderne Systematik ist eine synthetische Wissenschaft, die geographische, ökologische, morphologische, zytologische und molekulare Evidenzen integriert, um Biodiversitätsmuster, deren Ursachen und Genese zu verstehen.  Die Erforschung von Evolutionsprozessen, der Phylogenie und der Besiedlungsgeschichte (Biogeographie) der Brassicaceen stehen hier im Mittelpunkt. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf modernen molekularbiologischen Techniken, wie DNA-Sequenzierungen, welche die Stammesgeschichte widerspiegeln (Abb. 1).


Untersucht werden Evolutionsprozesse auf der Ebene von Individuen, Populationen, Arten und höheren systematischen Kategorien. Das Forschungsspektrum umfasst zwischenartliche Hybridisierung, biogeographische Fragen, wie der Einfluss der Eiszeiten auf die Florengeschichte Eurasiens und die historische Biogeographie der Brassicaceen auf der Südhalbkugel (Abb. 2 A).


Jüngste Forschungsaktivitäten sind an der Nahtstelle zwischen Phylogenetik, Evolutionsbiologie, Entwicklungsgenetik und Ökologie angesiedelt und sollen grundlegende Einsichten in die Evolution von adaptiven Merkmalen ermöglichen, wie z.B. die genetische Basis und Regulation von morphologischen Unterschieden im Fruchtbau und der Frucht- und Samenausbreitung (Öffnungsfrüchte versus Schließfrüchte; Abb. 2 B).

Abbildung 2 A - Polyploide australische Lepidium Arten haben ein hybridogenes, bikontinentales Genom: 16 Chromosomen (rot) stammen aus Afrika; 56 Chromosomen (grün) sind kalifornischen Ursprungs. B - Schematischer Fruchtquerschnitt: Regulation der Fruchtöffnung durch Entwicklungskontrollgene, die durch eine exakte Ausbildung funktionaler Gewebe und Zellen (ÖZ: Öffnungszone) zur Ablösung der Fruchtklappen vom Replum und so zur Fruchtöffnung führen.

Literaturauswahl

  • K. Mummenhoff, A. Polster, A. Mühlhausen & G. Theißen; Lepidium as a model system for studying the evolution of fruit development in Brassicaceae. J. Exper. Bot. 60, 1503-1513 (2009)
  • T. Couvreur, A.Franzke, I.A. Al-Shehbaz, F.T.Bakker, M.Koch &  K. Mummenhoff; Molecular phylogenetics, temporal diversification, and principles of evolution in the mustard family (Brassicaceae). Mol. Biol. Evol. 27, 55-71 (2010)
  • A. Franzke, M. Lysak, I.A. Al-Shehbaz, M. Koch & K. Mummenhoff; Cabbage family affairs: the evolutionary history of Brassicaceae; Trends Plant Sci., in press, (2010)
  • T. Mandakova, S. Joly, M. Krzywinski, K. Mummenhoff & M. Lysak; Fast diploidization in close mesopolyploid relatives of Arabidopsis. Plant Cell 22, 2277–2290 (2010)