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Vergleichende Genomik

Vergleichende Molekulare Analyse der Metall-Homöostase in den Arabidopsis Modellpflanzen A. halleri, einer Metall-Hyperakkumulatorpflanze, und A. thaliana

 
Abbildung 1

Abbildung 1: Arabidopsis halleri kann auf Schwermetall-verseuchtem Boden gedeihen, aber A. thaliana Pflanzen sterben (links), wenn sie auf diesen Boden umgepflanzt werden.
 

Abbildung 2

Abbildung 2: Arabidopsis halleri ist ein Zink-Hyperakkumulator. Die Blätter reichern höhere Zink-Konzentrationen an als die Blätter von A. thaliana und anderen Nicht-Hyperakkumulatoren, und niedrigere Zink-Konzentrationen in Wurzeln, bei derselben Zink-Konzentration in der hydroponischen Nährlösung.
 

Zusammenfassung

Ziel dieses Projekts ist ein erweitertes Verständnis der molekularen Mechanismen, die natürlich selektierten, extremen, komplexen Merkmalen in Pflanzen zugrunde liegen. Betrachtet wird die Zink- und Cadmium-Hyperakkumulation und die assoziierte Zink- und Cadmium-Hypertoleranz in Arabidopsis halleri im Vergleich zu nahe verwandten nicht-toleranten nicht-Akkumulator-Arten, vor allem A. thaliana.

Zum Nachweis der Funktionen von Kandidatengenen, zum Beispiel AhHMA3 (Heavy Metal ATPase3), AhMTP1 (Metall-Toleranz-Protein1) und AhFRD3 (Fe(III)-Reduktase-Defekt3), werden zwei Ansätze kombiniert. Zum einen wird die Expression von Kandidatengenen durch stabile Transformation von A. halleri mit RNA-Interferenzkonstrukten stillgelegt. Zum anderen werden Kandidatengene aus A. halleri heterolog in A. thaliana eingebracht. Da mehrere wesentliche Gene zu Metall-Hyperakkumulation und –Hypertoleranz beitragen, werden transgene A. thaliana-Linien auch untereinander gekreuzt, um die Funktionen verschiedener Kandidatengene zu kombinieren.

Charakteristisch für Metall-Hyperakkumulatoren im Vergleich zu nahe verwandten nicht-Akkumulatoren scheinen bislang nicht Funktionsänderungen von Genprodukten, sondern Genkopienzahlexpansion und die stark erhöhte Expression einer Anzahl von Kandidatengenen zu sein. Die hohe Expression von AhHMA4 (Heavy Metal ATPase4)-Genen wird in cis festgelegt. Durch Promotoranalysen sollen die Sequenzbereiche eingegrenzt und cis-regulatorische Sequenzelemente identifiziert werden, die die hohe Expression von AhHMA4-Genen verursachen, sowie Transkriptionsfaktoren, die durch diese Sequenzen rekrutiert werden. Um die Arten von Mutationen zu bestimmen, die zur hohen Expression weiterer Kandidatengene in A. halleri führen, werden zunächst Promotoraustauschexperimente zwischen A. halleri und A. thaliana durchgeführt.
 

Abildung 3

Abbildung 3: Arbeitsmodell des Mechanismus der Zink-Hyperakkumulation. Dargestellt sind die Prozesse in der Wurzel, die die Rate der Translokation von Zink aus der Wurzel in den Spross bestimmen. Die hohe Expression von HMA4 hat eine Schlüsselrolle.
 

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