03. November 2017 · Actualia · Nachwuchsförderung

Strasburger-Workshop: Kooperation und Konflikt zweier Genome

Der 3. Eduard Strasburger Workshop mit dem Titel Two Genomes in one Cell - Communication and Conflict lockte mehr als 40 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Polyploidie- und Hybridisierungsforschung nach Bremen. Dort thematisierten sie, welche Schwierigkeiten Zellen meistern, die ihre Chromosomensätze mischen oder gar vervielfältigen. Der Workshop fand vom 30. August und 1. September 2017 statt unter der Regie der Nachwuchswissenschaftler Dawit Girma Tekleyohans, Niklas Buhk und Thomas Nakel der Universitäten Oldenburg und Bremen. Die vorwiegend jungen Nachwuchskräfte reisten aus mehreren Nationen an, darunter Deutschland, Österreich, Schweiz, Schweden und Pakistan, was die internationale Relevanz des Themas unterstreicht. Die Organisatoren berichten in ihrer Tagungsnachlese unter anderem über neue Modellpflanzen, einen Genomschock, eine Methode zum Nachweis von drei Eltern und in welcher Weise junge Forschende bevorzugt wurden.

Dank der logistischen Unterstützung der Universität Bremen konnte der Workshop im Haus der Wissenschaft inmitten der historischen Altstadt stattfinden. Der prächtige Olbers Saal bot zwischen den Präsentationen genug Raum für Gespräche bei Kaffee und Gebäck. Schon das Treffen am Mittwochabend führte zum ersten wissenschaftlichen Austausch und es kristallisierten sich schnell zentrale Fragestellungen heraus, die uns auch nach dem Workshop weiter begleiten werden: Welche Auswirkung hat ein Hybridisierungs- oder Polyploidisierungsereignis auf die Programmierung einer Zelle? Was sind die Auslöser und welche Konsequenzen ergeben sich daraus? Die resultierenden, angeregten Diskussionen boten eine ideale Grundlage, um Erfahrungen und Ergebnisse auszutauschen sowie Netzwerke und Kooperationen zu knüpfen.

Inhaltlich war der Workshop in drei Schwerpunkte unterteilt, die das gesamte Spektrum des Themas abdeckten. Der Fokus der ersten Session mit dem Titel “Fertilization and the Origin of Polyploidy” lag auf Befruchtungsprozessen, die zur Entstehung der Polyploidie beitragen können. Die Teilnehmenden diskutierten dabei lebhaft den Einfluss der Umwelt auf die evolutionäre Entwicklung von Polyploiden. Eingeladene Referenten, darunter auch erfahrene Professoren und Professorinnen, berichteten von ihren neuesten Ergebnissen:

Neue Modellpflanzen

Dr. Stephan Greiner vom Max Planck Institut für Molekulare Pflanzen Physiologie sowie Prof. Sabine Zachgo der Universität Osnabrück stellten die Pflanzen Oenothera (Nachtkerze) und Marchantia (Brunnenlebermoos) als zwei neue Modellorganismen vor. Beide Referenten verdeutlichten, dass der Einsatz neuer Modellorganismen von fundamentaler Bedeutung für das Verständnis komplexer Entwicklungsprozesse ist. Diese Prozesse können auch zur Entstehung von Hybridisierungsbarrieren führen, wodurch Rückschlüsse auf generelle Evolutionsereignisse möglich werden.  

Prof. Christian Parisod der Universität Bern hat die Relevanz von transposablen Elementen hervorgehoben. Durch die veränderte epigenetische Kontrolle in Hybriden kommt es vermehrt zur Transposon Aktivierung. Diese Fehlregulationen verursachen weitgehende Änderungen am gesamten Genom, welche eine Schlüsselrolle in der Bildung von Artengrenzen spielen.

In diesem Zusammenhang berichtete Dr. Stephan Scholten von einem weiteren regulatorischen Mechanismus der genomische Inkompatibilität und somit Artenbildung beeinflusst. Er untersucht an der Universität Hamburg hybride Inzuchtmaislinien. In solchen Hybriden kommt es zur Fehlregulation von  sRNA (kleinen RNA) Fragmenten, die weitreichende Konsequenzen auf die Entwicklung der Nachkommen hat. So können einerseits positive Heterose Effekte, als auch negative Effekte, aufgrund der genomischen Instabilität beobachtet werden.  

Genomschock

Zwei Forscher der Universität Göttingen vertieften den Einblick in natürliche Hybridisierungsereignisse. Prof. Elvira Hörandl  berichtete, dass Kreuzungen von Salix und Ranunculus einen Genomschock auslösen. Dieser beeinflusst das Schicksal der Nachfolgegenerationen entscheidend. In diesem Zusammenhang, konnte  Bahrum Ulum auch einen Einfluss externer Paramater auf die Artenbildung zeigen. Er berichtete, dass photoperiodischer Stress die meiotische Phase, sowie die Sporogenese verändert.
Elvis Katche der Universität Gießen untersucht Entwicklungsdefizite in allopolyploiden Pflanzen auf genetischer Ebene. In solchen Kreuzungen liegen unterschiedliche Genome mit oftmals ungerader Anzahl an Chromosomen vor. Seine Resultate zeigen, dass die Restrukturierung, Teilung und Fusion der einzelnen Subgenome zur Evolution von neuen homologen Chromosomen führen kann. Diese Ereignisse stellen einen ersten Schritt hin zur Entwicklung neuer stabiler Spezies dar.

Polyploidisierungereignisse sind ein grundlegender Bestandteil der pflanzlichen Evolution. Die Rekonstruktion solcher historisch, evolutionärer Ereignisse ist aufgrund von fehlenden Methoden, mit denen sich Phylogenien korrekt rekonstruieren lassen, erschwert. Eine neue Methode, präsentierte Christoph Oberprieler, welche computergestützte Multi-Lokus Sequenzdaten mit einem MSC (Multi Spezies Coalescence) Modell verknüpft.

Nachweis von drei Eltern

Eine andere interessante Methode um der Evolution auf die Spur zu kommen wurde von Dr. Dawit Tekleyohans vorgestellt. Die Forschenden modifizierten ein Zweikomponentensystem und konnten so Nachkommen identifizieren, die durch die Fusion einer Eizelle mit zwei Spermien entstehen. In diesem spannenden Vortrag konnte gezeigt werden, das Pflanzen mit drei Eltern existieren und somit Polyspermy eine plausible Route zur Polyploidisierung darstellt.
Die Konsequenz von Genomduplikationen auf die Blütenentwicklung war der Schwerpunkt des Vortrags von Dr. Mariana Mondragon-Palomino der Universität Regensburg. Mit der Hilfe Ihrer Erkenntnisse können gewünschte genetische Eigenschaften in wichtigen Nutzpflanzen gestärkt werden.

Niklas Buhk von der Universität Oldenburg berichtete von neuen Forschungsergebnissen zu Salicornia (Queller). Diese Pflanzen weisen je nach Standort unterschiedliche Ploidien auf. Bemerkenswert ist, dass Queller abhängig von Standort und Ploidiegrad von unterschiedlichen endophytischen Pilzen kolonisiert wird. Diese Plastizität ermöglicht den Pflanzen eine Anpassung an extreme Standorte.  

Ein inspirierender Vortrag wurde von Christina Wesse aus der Universität Osnabrück gehalten. Sie untersuchte im Zuge ihrer Doktorarbeit, welche Rollen phänotypische Plastizität und ökotypische Differenzierung auf die invasive Kapazität der Capsella bursa-pastoris (Hirtentäschel) ausüben.

Die letzte Einheit des Workshops leitete Dr. Michael Nodine vom Gregor Mendel Institut in Wien (Österreich) ein.  Dr. Nodine beschäftigt welchen Einfluss miRNA (mikro RNAs) auf die Pflanzenembryoentwicklung ausübt. Diese kleinen Moleküle beeinflussen sowohl die Musterentwicklung als auch die zeitliche Kontrolle des Übergangs von der Morphogenese in die Reifungsphase des Embryos.

Genomisches Ungleichgewicht

Auch Hormone spielen in der Entwicklung von Pflanzenembryos eine Schlüsselrolle. In Pflanzen wird nicht nur die Eizelle sondern auch die Zentralzelle befruchtet. Während das genetische Material der Eizelle an die nächste Generation weitergegeben wird, bildet die Zentralzelle das Endosperm. Dieses Gewebe dient der Ernährung des Embryos. Das Endosperm toleriert genomisches Ungleichgewicht kaum und dessen genetische Fehlregulation führt meist zum Absterben des gesamten Samens. Das Pflanzenhormon Auxin ist einer der Faktoren, die die interzelluläre Kommunikation zwischen dem Endosperm und der Samenschale kontrollieren, erklärte Dr. Duarte Figueiredo der schwedischen Universität für Agrarwissenschaften.

Auch an der Universität Bremen wird an der Wirkung von Pflanzenhormonen geforscht. Das gasförmige Hormon Ethylen spielt eine zentrale Rolle in vielen pflanzlichen Prozessen. Vor kurzem konnte gezeigt werden, dass der Ethylen-Signalweg auch eine entscheidende Rolle in der Befruchtung spielt. Dr. Juliane Heydlauff referierte über die Auswirkungen, die eine Unterbrechung des Ehtylen-Signalweges auf die Endosperm-Entwicklung hat.

Alle jungen WissenschaftlerInnen präsentierten sehr gute Arbeiten. Christina Wesse von der Universität Osnabrück konnte die Jury überzeugen und bekam den Preis für Ihren Vortrag mit dem Titel: „Geographical Structure of Shepherd´s Purse Population: A worldwide perspective“.

Junge Forschende bevorzugt

Gern angenommen wurde auch das soziale Programm, zu dem eine Besichtigung der historischen Altstadt sowie ein ausgezeichnetes Abendessen im Louis & Jules an der Schlachte zählte. An den beiden Workshop-Tagen knüpften die Teilnehmenden zahlreiche Kontakte, die zu verstärkter Zusammenarbeit und gemeinsamen Projekten führen werden. Im Vordergrund standen dabei junge WissenschaftlerInnen sowie die Studierenden, die beispielsweise in der Diskussion zuerst Fragen an die Vortragenden stellen durften. Die eingeladenen ProfessorInnen konnten dank ihrer Erfahrung sowohl über aktuelle Forschungsfragen informieren als auch detaillierte Einblicke in ihr spezielles Forschungsfeld geben. Die Doktorandinnen und Doktoranden konnten dadurch den Blick über ihre Arbeit hinaus schärfen und sich für zukünftige Herausforderungen wappnen. Dank des überragenden Feedbacks und der vielen Anfragen von interessierten Studierenden, Doktorierenden und PostDocs denken die drei Organisatoren bereits über eine Fortsetzung des Workshops in den kommenden Jahren nach. Dank der finanziellen Unterstützung der DBG konnten die Reisekosten der eingeladenen SprecherInnen, der Vortragsraum, das Programmheft und der Vortrags-Preis finanziert werden.

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Im Oktober 2017

Niklas Buhk (Uni Oldenburg https://www.uni-oldenburg.de/plant-evol/) und Thomas Nakel (Uni Bremen, http://www.uni-bremen.de/en/molgen.html) und Dawit Tekleyohans (Uni Bremen, http://www.uni-bremen.de/en/molgen.html)


Die Teilnehmenden am dritten Workshop zur Stärkung des wissenschaftlichen Nachwuchses waren aus mehr als fünf Ländern angereist. Foto: Niklas Buhk
Christina Wesse begeisterte die Zuhörenden mit ihrer Präsentation über die Verbreitungsanalyse einer Population des Hirtentäschel-Krautes, der den Preis für den besten Vortrag erhielt. Foto: Niklas Buhk
Die Teilnehmenden JungforscherInnen und ProfessorInnen lauschen einer Präsentation. Foto: Niklas Buhk