Arbeitsgruppe Karyotypevolution

Leitung: [link]Prof. Dr. Ingo Schubert

Publikationen: [link]Link

Forschungsgebiete

Die Arbeitsgruppe untersucht mit genetischen, cytogenetischen und molekulargenetischen Methoden Mechanismen der Karyotypevolution und Chromosomenmutagenese sowie die Struktur und Funktion distinkter Chromatindomänen und deren epigenetische Modifikationen bei höheren Pflanzen.

 

An einem in Gatersleben entwickelten Mutantensortiment der Ackerbohne mit umgebauten Chromosomenbeständen werden Schritte der natürlichen Karyotypevolution (z. B. Chromosomenfusion/Chromosomenspaltung) experimentell nachvollzogen. Durch gezielte Kreuzung rekonstruierter Karyotypen wurde ein bis dahin unbekannter Mechanismus der Veränderung diploider Chromosomenzahlen aufgefunden und gezeigt, dass es für die Chromosomenarmlänge eine Toleranzgrenze gibt, oberhalb derer Fertilität und Vitalität der Träger durch Genominstabilität (Deletionen) deutlich eingeschränkt ist.
 

Die Verbreitung und evolutionäre Bedeutung konservierter und alternativer Telomerstrukturen wurde an verschiedenen Gruppen von Gefäßpflanzen untersucht. Bisher unbekannte Telomerstrukturen wurden bei der Gattung Allium gefunden.

 

Die 'genomische in situ-Hybridisierung' (GISH) wird eingesetzt, um Hybridarten/Arthybriden nachzuweisen bzw. deren Karyotypzusammensetzung und Introgressionen aufzuklären.

Mit Chromosomen-spezifischen DNA-Proben werden homologe bzw. homöologe Chromosomenbereiche in situ  markiert (Chromosomen-Painting). Solche Untersuchungen sind von Bedeutung, um Chromosomenumbauten zugrundeliegende Bruchpunkte exakt zu kartieren, um die Karyotypevolution im Verlauf der Artbildung nachzuvollziehen, Homöologiebeziehungen zwischen Chromosomen verschiedener Arten und damit syntäne Kopplungsgruppen aufzufinden und um die Anordung individueller Chromosomenterritorien in verschiedenen Zellzyklus- und Entwicklungsstadien zu analysieren. 


 
Mittels BAC contigs von genomischer Arabidopsis thaliana DNA, die ganze Chromosomen oder spezifische Regionen abdecken, gelang das Chromosomenpainting bei A. thaliana und verwandten Brassicaceen. Dieser Ansatz erlaubte die Aufklärung von i) Mechanismen der Chromosomenzahlreduktion von n=8 zu n=5 im Laufe der Evolution hin zu A. thaliana sowie ii) der Interphaseanordnung von Chromosomen und spezifischen Chromatindomänen in A. thaliana und verwandten Arten. Derzeit fokussieren wir auf die Schwesterchromatidenanordnung und -kondensation in Abhängigkeit vom Zellzyklus und von der Zell-Differenzierung und untersuchen beide Phänomene in Mutantenhintergründen sowie nach Mutageneinwirkung, um Mechanismen und biologische Bedeutung der Interphaseorganisation der Schwesterchromatiden besser zu verstehen.

Im Zuge der Aufklärung pflanzlicher Zentromerstrukturen wurde die Sequenzorganisation von Gerstezentromeren untersucht. In allen 7 Gerstezentromeren wurde eine konservierte Ty3/gypsy-Retroposon-ähnliche Sequenz und ein artspezifisches GC-reiches Repeat als Hauptkomponente aufgefunden. Zusammen mit der Gruppe von T.R. Endo, Universität Kyoto, und A. Houben konnte jedoch an Hand von Zentromerneubildung nachgewiesen werden, dass diese Sequenzen für die Zentromerfunktion weder hinreichend noch notwendig sind. Die Lokalisierung pflanzlicher Kinetochorproteine durch Fluoreszenzmarker in vivo wird in transgenen Arabidopsis-Pflanzen verfolgt und die Funktion dieser Proteine wird durch Komplementation von Insertionsmutationen und über RNAi-Ansätze untersucht. Wir konnten zeigen, dass die zentromerspezifische Histonvariante CENH3 während der G2-Phase in die Zentromeren inkorporiert wird; parallel zur Aufspaltung in Schwesterkinetochore.


An Mitosechromosomen und flow-sortierten Zellkernen verschiedener Interphasestadien werden über FISH und Immunfärbungen Chromatinmodifikationen (Acetylierung, Methylierung, Phosphorylierung) in spezifischen Chromatindomänen über den Zellzyklus hinweg auf ihre Korrelation mit Replikations- und Transkriptionsvorgängen bei verschiedenen Pflanzen vergleichend untersucht, um Aufklärung über die Chromatinstruktur und die Heterochromatinbildung in Interphasekernen zu erhalten und diese evolutionär zu vergleichen.