Genom- und Chromosomen-Veränderungen als Triebkraft der Evolution
Der Bauplan allen Lebens ist die DNA, die in ihrer Gesamtheit als Genom bezeichnet wird. Durch eine Vielzahl von Faktoren ändert sich das Genom ständig. Einige Veränderungen können sich durchsetzen und an die Nachkommen weitergegeben werden. Dabei sind manche Veränderungen so stark, dass schon kurze evolutionäre Zeiträume ausreichen, um z.B. neue Arten hervorzubringen und Biodiversität zu generieren. Die Forschungsarbeiten der Professur für Zell- und Molekularbiologie der Pflanzen konzentrieren sich auf die Mechanismen, die Genome neu organisieren und umfassend verändern: Genom-Verdopplungen, die Aktivierung von mobilen DNA-Elementen und die Umstrukturierung ganzer Chromosomen.
Die Abbildung zeigt, wie aus Hochdurchsatz-Sequenzierungsdaten chromosomale Markierungspunkte für die eindeutige Zuordnung der Chromosomen gewonnen wurden. Oben: Die 18 Chromosomen der Zuckerrübe lassen sich durch einen chromosomalen Barcode klar in neun Paare einteilen und unterscheiden. Als molekulare Grundlage wurden 54.720 Oligonukleotide an den Chromosomen verankert. Unten: 92 chromosomale Markierungspunkte ermöglichen die klare Identifikation der einzelnen Chromosomen des dreifachen Genoms von Safran-Krokus.
Wir arbeiten an der Schnittstelle zwischen Molekularbiologie, Cytogenetik und Bioinformatik. Dabei sind wir auch an der Sequenzierung, Assemblierung und Annotation von pflanzlichen Genomen beteiligt, so z.B. von Kulturpflanzen wie der Zuckerrübe und dem Safran-Krokus. Da die Anzahl, Größe und Morphologie der Chromosomen extrem zwischen den Pflanzenarten variiert, haben wir hochauflösende Methoden zur Chromosomen-Analyse etabliert. Die Fluoreszenz-in situ-Hybridisierung (FISH) ist die einzige Technik, mit der die Lage und die Verbreitung jeder DNA-Sequenz auf den Chromosomen lokalisiert werden kann. Die so gewonnen Einblicke in die Chromosomenstruktur und -evolution komplementieren die Bioinformatik und verschaffen uns somit ein Alleinstellungsmerkmal: Da wir die bioinformatischen Daten auch cytogenetisch auf den Chromosomen verankern, leisten wir einen erheblichen Beitrag zur Erzeugung von Referenz-Genomsequenzen höchster Qualität.
Ausgewählte Publikationen
Heitkam T., Weber B., Walter I., Liedtke S., Ost C. and Schmidt T. (2020): Satellite DNA landscapes after allotetraploidisation of quinoa (Chenopodium quinoa) reveal unique A and B subgenomes. The Plant Journal, doi: 10.1111/tpj.14705 read article
Read the corresponding preprint (open access): bioRxiv, doi: 10.1101/774828
Schmidt T., Heitkam T., Liedtke S., Schubert V. and Menzel G. (2019): Adding color to a century-old enigma: Multi-color chromosome identification unravels the autotriploid nature of saffron (Crocus sativus) as a hybrid of wild Crocus cartwrightianus cytotypes. New Phytologist, 222(4): 1965-1980 read article
Rodríguez del Río Á., Minoche A., Zwickl N., Friedrich A., Liedtke S., Schmidt T., Himmelbauer H. and Dohm J. (2019): Genomes of the wild beets Beta patula and Beta vulgaris ssp. maritima. The Plant Journal 99(6): 1242-1253 read article
Dohm JC, Minoche AE, Holtgräwe D, Capella-Gutiérrez S, Zakrzewski F, Tafer H, Rupp O, Sörensen TR, Stracke R, Reinhardt R, Goesmann A, Kraft T, Schulz B, Stadler PF, Schmidt T, Gabaldón T, Lehrach H, Weisshaar B, Himmelbauer H, (2014): The genome of the recently domesticated crop plant sugar beet (Beta vulgaris). Nature 505: 546–549 read article