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Domestikationsbedingte Evolution des pflanzlichen Metaorganismus am Beispiel von Weizen

Pflanzen werden durch eine breite Vielfalt von Mikroben, einschließlich eukaryotischer und prokaryotischer Arten, kolonisiert. Erst vor kurzem haben metagenomische Ansätze umfassende Studien über Mikroben, die Pflanzenwurzeln und überirdische Phyllosphären bewohnen, ermöglicht. Aktuelle Forschung deutet darauf hin, dass die Gene des Wirts, sowie eine Reihe von Umweltfaktoren starken Einfluss auf die Mikrobenzusammensetzung von Phyllosphäre und Rhizosphäre haben. Bisher haben sich detaillierte Studien auf die Modellpflanzenart Arabidopsis thaliana konzentriert. Nur wenige Studien beinhalten experimentelle Daten von Phyllosphären-Mikroben, diese haben aber gezeigt, dass sie eine Rolle bei der Pflanzentemperatur und der Krankheitsresistenz spielen können.

Mit diesem Projekt beabsichtigen wir die Mikroben der Phyllosphäre von wildem und domestiziertem Weizen zu untersuchen. Im Fokus unserer Arbeit steht die Anpassung der Pro- und Eukaryoten der Phyllosphäre von Weizen, bezüglich Zusammensetzung und genetischer Diversität, unter dem Einfluss von Domestizierung und Kultivierung. Basierend auf Studien von domestizierten Tieren und Pflanzen vermuten wir, dass die Domestizierung die Vielfalt der Mikroben, sowie die funktionelle Bedeutung der Biodiversität der Phyllosphäremikroben in domestiziertem Weizen verringert hat. In einem evolutionären Kontext wollen wir die Veränderung der Weizenmikroben über längere Zeiträume (Weizendomestizierung und Triticum aestivum Speziation vor ca. 10-12.000 Jahren) und kürzere Zeiträume (über 30 Generationen, entsprechend 30 Vegetationsperioden) bestimmen. Unsere Studie wird auf einer einzigartigen Zusammensetzung von Pflanzenmaterial aus dem Nahen Osten, dem Ursprung des Weizens, beruhen. Darunter befinden sich, unter anderem, die zwei wilden Weizenarten Triticum dicoccoides und Aegilops speltoides, sowie der kultivierte Brotweizen Triticum aestivum. Frisches Pflanzenmaterial wird nicht nur mit dem Ziel der Extraktion von DNA für die Metagenomsequenzierung gesammelt, sondern auch für die Isolierung von prokaryotischen und eukaryotischen Symbionten (parasitäre wie kommensale). Isolierte und kultivierte Organismen werden für die Genomsequenzierung, die funktionelle Genomanalyse und für die experimentelle Arbeit genutzt. Um die Stabilität und Speziesspezifität der Mikroben, die mit jeder Weizenart assoziiert sind, weiter zu untersuchen, werden wir einen synthetischen Phyllosphärengemeinschaftsansatz verwenden. Die Mikrobenfunktionalität wird durch eine Kombination von Inokulation von synthetschen Phyllosphäregemeinschaften und einem für Weizen pathogenen Pilz untersucht.

Unsere kombinierte Analyse der prokaryotischen und eukaryotischen Bestandteile der Weizenmikroben wird als erste Roadmap von Weizen als Metaorganismus dienen und wird voraussichtlich neue Einblicke in die Vielfalt, Evolution und Funktion der Phyllosphäremikroben, die mit diesem wichtigen Erntemetaorganismus verbunden ist, liefern.

Wissenschaftler

Mohamed-Amine Hassani

Postdoktoranden, Assoziierte Nachwuchswissenschaftler
Universität Kiel Botanisches Institut

Dr. Nils Hülter

Postdoktoranden, Assoziierte Nachwuchswissenschaftler
Universität Kiel Institut für Allgemeine Mikrobiologie

Ezgi Özkurt

Doktoranden
Universität Kiel Botanisches Institut Max-Planck-Institut für Evolutions Biologie

Ryszard Soluch

Doktoranden
Universität Kiel Institut für Allgemeine Mikrobiologie