Evolution von Paarungssystemen
Wir untersuchen die Evolution von Paarungssystemen und sexueller Asymmetrie. Mit Pilzen als Modellsystemen untersuchen wir, wie Paarungstypen, Rekombination und Genfluss Anpassung und Vielfalt prägen.
Team
PD Dr. Bart Nieuwenhuis
Akademischer Oberrat
Evolution von Fortpflanzungssystemen, evolutionäre Genetik – Pilze
Warum Paarungstypen?
Paarungstypen steuern, welche Individuen miteinander paaren können, und regulieren zudem den mit der Paarung verbundenen Ploidiegradwechsel. Obwohl Paarungstypen die Kompatibilität einschränken, sind sie im gesamten Baum des Lebens zu finden. Wenn der Verlust der Paarungstypfunktion die Paarungsmöglichkeiten erhöht, warum behalten dann so viele Arten sie bei? Warum entwickeln manche Arten komplexe Systeme wie Mating-Type-Switching, die die Logik der Paarungstypen bewahren, während andere die Paarungstypen ganz verlieren? Wir kombinieren natürliche Variation mit experimenteller Evolution, um zu untersuchen, wann separate Paarungstypen bevorzugt werden und wann Selbstkompatibilität vorteilhafter ist.
Die Evolution der sexuellen Asymmetrie
Fruchtkörper des Pilzes Schizophyllum commune
Die sexuelle Fortpflanzung hat sich nur einmal entwickelt, doch die Art und Weise, wie haploide Genome verschmelzen, interagieren und sich wieder trennen, ist erstaunlich vielfältig. Bei Pilzen, Algen, Pflanzen und Tieren sind die sich paarenden Zellen fast nie identisch. Dies kann so dramatisch unterschiedlich sein wie bei Spermien und Eizellen oder so subtil wie bei die Paarungstypen (mating types) von Pilzen und Algen. Warum ist diese Asymmetrie so weit verbreitet und wodurch wird sie aufrechterhalten? Unsere Arbeitsgruppe untersucht, wie und warum diese Unterschiede entstehen und fortbestehen. Hauptsächlich anhand der Spaltpilzart Schizosaccharomyces pombe als Modellorganismus testen wir Hypothesen zur Evolution von Paarungssystemen, zur Rolle von Pheromonen sowie zur Stärke und den Folgen der sexuellen Asymmetrie. Obwohl es sich um einen klassischen Labororganismus handelt, ist seine natürliche Biologie erstaunlicherweise noch weitgehend unerforscht. Zusätzlich untersuchen wir die natürliche Variation der Paarungstypen beim Pilz (Schizophyllum commune).
Entwicklung von mehr (oder weniger) Paarungstypen
Paarungstyptests bei Schizophyllum commune zeigen Kompatibilität an zwei Loci.
Eine erhöhte Kompatibilität kann auch durch zusätzliche Paarungstypen erreicht werden. Dadurch vergrößert sich der Pool potenzieller Partner, während gleichzeitig Selbstbefruchtung verhindert wird. Obwohl dies theoretisch häufig vorkommen sollte, ist es in der Natur überraschend selten der Fall. Anhand der natürlichen Diversität der Basidiomyceten, insbesondere von S. commune, sowie gentechnisch veränderter Varianten von S. pombe, untersuchen wir, welchen Einfluss ökologische Faktoren wie Populationsdichte, Umweltstabilität und räumliche Struktur auf die Entwicklung von mehr oder weniger Paarungstypen haben.
Sexuelle Fortpflanzung und Anpassung
Kolonien von Spalthefe aus unserem Langzeit-Evolutionsexperiment: Oben links - Elterntyp; Oben rechts - Evolvierter Wildtyp-ähnlich; Unten: zwei verschiedene evolvierte mehrzellige Typen-Morphe.
Die sexuelle Fortpflanzung erhöht die Anpassungsfähigkeit, indem sie gekoppelte Allele voneinander trennt. Die Paarung zwischen Individuen verschiedener Populationen kann die Anpassung durch erhöhte genetische Variation zwar beschleunigen, führt aber auch dazu, dass maladaptive Gene eingeführt werden. Sind Populationen divergenter Selektion ausgesetzt sind – sei es aufgrund unterschiedlicher Umweltbedingungen oder gegensätzlicher Selektionsdrücke innerhalb einer Art –, vermengt sexuelle Fortpflanzung wiederholt Allele, die in einem Kontext vorteilhaft, in einem anderen jedoch schädlich sind. Diese Spannung beeinflusst, wie schnell sich Populationen anpassen und ob sie genetisch kohärent bleiben oder sich auseinanderentwickeln.
In Zusammenarbeit mit Jochen Wolf untersuchen wir mithilfe experimenteller Evolution, phänotypischen Analysen und Evolve-and-Resequence-Ansätzen, welchen Einfluss sexuelle Fortpflanzung und Genfluss auf die Anpassung an neue und heterogene Umwelten haben.
Rekombinationsraten und ihre Evolution
Ascus mit GFP- und RFP-Proteinen (erhalten mit Amnis ImageStream). Mithilfe dieser Bilder messen wir die Rekombinationsraten in Spalthefe.
Sowohl zwischen Populationen, die sich an unterschiedliche Umweltbedingungen anpassen, als auch zwischen Gruppen innerhalb einer Art, wie beispielsweise den Geschlechtern, erzeugt divergente Selektion Kombinationen von Allelen, die gut zusammenwirken. Rekombination kann diese Kombinationen jedoch aufbrechen und so eine „Rekombinationslast“ erzeugen. Um diesen Zusammenbruch zu verhindern, kann die Rekombination um Gene, die einer divergenten Selektion unterliegen, unterdrückt werden. Dies hat sich wiederholt entwickelt: in Paarungstyp-Loci, auf Geschlechtschromosomen sowie in Regionen, die mit geschlechts- oder rollenspezifischen Anpassungen assoziiert sind. Das Verständnis davon, wie und warum sich die Unterdrückung der Rekombination entwickelt, trägt dazu bei, zu entschlüsseln, wie Genome Konflikte aufteilen, koadaptierte Genkomplexe erhalten und sich in neue Formen diversifizieren. Um die Evolution der Rekombinationsraten zu untersuchen, verwenden wir S. pombe in experimentellen Anordnungen, um zu beurteilen, wie evolvierbar die Rekombination ist, welchen Einfluss strukturelle Variationen darauf haben und welche Mechanismen die Rekombinationsraten beeinflussen.