Arbeitsgruppe Experimentelle Taxonomie

Leitung: Dr. Frank Blattner

Forschungsgebiete

In der Arbeitsgruppe Experimentelle Taxonomie verwenden wir eine sehr breite Definition des Begriffs Taxonomie. Diese besteht aus den Teilgebieten Nomenklatur (das ist die Verwendung korrekter Namen für Taxa), Phylogenetik (Bestimmung der evolutionären Verwandtschaftsbeziehungen von Organismen) und Systematik (die Gruppierung von Organismen in evolutionär begründeten Einheiten). Daher bearbeiten wir grundsätzliche Fragen zur Rekonstruktion von Verwandtschaftsbeziehungen, zur Evolution von Merkmalen und zum Einfluss geologischer und ökologischer Faktoren auf Artstabilität und Artbildung. Ziel dieser Forschung ist es Mechanismen und Prozesse der Artbildung (durch Aufspaltung oder Hybridisierung), den Zusammenhalt von Arten (unter welchen Bedingungen kommt es nicht zur Ausbildung neuer Arten?), sowie Grundlagen ökologischer Adaption zu verstehen. Da molekulare Merkmale inzwischen eine Hauptrolle in der Pflanzensystematik einnehmen und genetische Prozesse bei der Artbildung eine wichtige Rolle spielen, ergeben sich viele Querverbindungen unserer Arbeiten zur Genomforschung. Diese Arbeiten verbinden daher ökologische Fragestellungen mit evolutionären Prozessen auf den Ebenen von Familien über Arten bis Populationen und den sich dabei vollziehenden Veränderungen in den Genomen der Taxa.

 

Wir nutzen eine weite Palette molekularer, mikroskopischer und morphologischer Methoden, die je nach Fragestellung eingesetzt werden. Dazu gehören Sequenzvergleiche von Chloroplasten- und Kern-DNA. Neben klassischen Fragmentanalysen (vor allem bei Mikrosatelliten) werden diese vorwiegend durch Sanger-Sequenzierung von Einzelgenen oder durch Next-Generation Sequencing  (NGS) vieler solcher Einzelgene ([link]Multilokusanalysen) erfasst. NGS-Ansätze verwenden wir auch um die Evolution von Mikrosatelliten besser zu verstehen (SSR-seq), um genomweit die Variation von Einzelbasen-Mutationen zu erfassen (GBS, RAD-seq), Expressionsunterschiede von Genen zu ermitteln (RNA-seq) oder Einblicke in die Genomkomposition (sequence capture, whole genome shotgun sequencing) unserer Forschungsobjekte zu erhalten. Ergänzt werden diese Methoden durch optische oder Elektronenmikroskopie, Karyotypanalysen und Messungen von Genomgrößen (Durchflusszytometrie).

 

Zur Analyse von Artbildungprozessen verwenden wir populationsgenetische und phylogeographische Methoden (unter anderem [link]Gen-Genealogien und Netzwerkansätze) zusammen mit phylogenetischen Analysen, Gewächshausexperimenten (Stress- und Konkurrenzversuche), vergleichendem Anbau der Arten, sowie Feldstudien im Zuge von Expeditionen in den natürlichen Verbreitungsgebieten unserer Studienobjekte (derzeit mit Schwerpunkten in den Steppengebieten der Nord- und Südhemisphäre). Diese werden ergänzt durch Modellierungen der heutigen potentiellen klimatischen Nische von Arten sowie Nischenmodellierungen für das letzte glaziale Maximum vor 21.000 Jahren. Zusammen mit molekularen Populationsanalysen erlauben diese Methoden Aussagen zum Alter von Arten und Artengruppen, [link]möglichen Eiszeitrefugien und [link]Ausbreitungswegen, Evolution von Merkmalen, sowie [link]Änderungen oder Konstanz der ökologischen Nischen von Arten durch die Zeit.

 

Unsere Forschungsobjekte sind derzeit die Wildarten der Grastribus Triticeae (hier besonders die Gerstengattung Hordeum, die Gattungen der Weizenverwandten Triticum und Aegilops, sowie polyploide Grasarten und -gattungen). Darüber hinaus bearbeiten wir [link]Krokus (ca. 200 Arten, u.a. Safran, Crocus sativus), Zwiebeln (Allium, mit ca. 950 Arten, war mehrere Jahrzehnte ein Forschungsschwerpunkt am IPK; [link]Resultate, Publikationen und Datenbanken sind hier erreichbar), Johanniskraut ([link]Hypericum mit ca. 500 Arten), Steppenpflanzen in Patagonien und Eurasien und afrikanische Kürbisgewächse aus verschiedenen Gattungen der Cucurbitaceae. Aus unseren Arbeiten folgen häufig nomenklatorische Änderungen wie Neubeschreibungen von Arten (z.B. wurden von uns während der letzten Jahre ca. 70 Allium und 30 Krokusarten neu erkannt und beschrieben), Monographien (z.B. für die [link]Allium Untergattung Melanocrommyum) oder neue systematische Einteilungen von Gattungen (z.B. für [link]Hordeum) basierend auf den gefundenen Verwandtschaftsverhältnissen.

 

In unserer Arbeitsgruppe wird auch das Herbarium des IPK ([link]GAT) betreut. Es umfasst derzeit 600.000 Belege (Schwerpunkt: Kulturpflanzen und verwandte Wildsippen), die [link]zum Teil schon digitalisiert über das Internet abrufbar sind (durch das [link]JACQ Virtual Herbaria Portal) und kontinuierlich weiter online verfügbar gemacht werden.

 

Forschungsprojekte der Arbeitsgruppe (zumeist [link]DFG finanziert) beschäftig(t)en sich mit:

 

Derzeit laufende Projekte

- Verbreitungsdynamik der Vegetation und Klimageschichte des eurasiatischen Steppengürtels: Gene dokumentieren Geschichte (gemeinsames Projekt mit Arbeitsgruppen in Osnabrück, Wien und Barnaul; Beginn: Frühjahr 2017)

- Bestimmung der Elternarten von Safran (Crocus sativus)

- Multilokusphylogenie und neue Systematik der Gattung Crocus

- Analyse der Verwandtschaftsbeziehunge der Triticeae Gräsern durch Multilokusanalysen und Next-Generation Sequencing

- Vergleichende Phylogeographie von drei holzigen Pflanzenarten der patagonischen Steppe

 

Eine Auswahl abgeschlossener Projekte

- Verwandtschaftsanalysen in Hordeum Polyploiden

- Mechanismen die zu schneller Artbildung in südamerikanischen Hordeum Taxa beitragen

- Die Evolutionsgeschichte von Hypericum (Fortsetzung der Arbeiten durch [link]Nico Nürk in Bayreuth)

- Artbildung in südostasiatischen Ameisenpflanzen der Gattung Macaranga die mit Crematogaster-Ameisen vergesellschaftet sind (weitere Arbeiten erfolgen durch [link]Kurt Weisings Gruppe in Kassel)

- [link]Analysen der Verwandtschaftsverhältnisse in Allium