Fortpflanzungssystem und evolutionäre Dynamik von Hybridzonen

Untersuchungen zur genetischen Auswirkungen von Hybridisierung und Introgression (Genaustausch zwischen Arten) haben traditionellerweise das Genom als untrennbare Einheit betrachtet. Wegen variablen Selektionsdrücken liegt allerdings die Idee des porösen Genoms mit wechselnden Introgressionsraten innerhalb des Genoms nahe. Demnach sollten loci die unter dem Einfluss frequenzabhängiger Selektion stehen, eine erhöhte Introgressionsrate aufweisen, während loci unter divergente Selektion der Introgression eher widerstehen. Der Einfluss dieser verschiedenen Formen der Selektion führt zu Variation sowohl in der genetischen Vielfalt als auch der Divergenz entlang des Genoms. In diesem Projekt untersuche ich den Einfluss der frequenzabhängigen Selektion auf den Selbstinkompatibilitätslocus, und vergleiche ihn sowohl mit dem selektiv-neutralen genomischen Hintergrund also auch mit den Genen welche die Blütenfarbe regulieren. Auf Grund der gut charakterisierten Variation bei Selbstinkompatibilität und Blütenfarbe, bietet Antirrhinum eine einzigartige Gelegenheit für einen solchen Vergleich. Trotz der potentiellen Auswirkungen des Fortpflanzungssystems sowohl auf die Geschwindigkeit und evolutionären Folgen von Hybridisierung als auch auf die genetische Variationsmuster am Genom entlang, sind Hybridisierung und Fortpflanzungssysteme bisher getrennte Forschungsbereiche geblieben. Ziel dieses Projekts ist es daher diese beiden Aspekte zu vereinen, um die Rolle der Selbstinkompatibilität auf die evolutionäre Dynamik von Hybridisierung bei Antirrhinum zu klären. Um das Zusammenspiel von Selektion und Hybridisierung zu untersuchen, ist ein Vergleich der Selektion über verschiedenen Zeiträume nötigt. Ich beabsichtige daher das genetische Profil von Loci unter frequenzabhängiger und divergenter Selektion mit dem neutraler Loci zu vergleichen, und zwar über kurze (einige Generationen), mittlere (hunderte von Generationen) und längere (tausende von Generationen) evolutionäre Zeiträume. Um den relativen Einfluss von Selektion und Drift zu messen, konzentriere ich mich auf spezifische demographische und ökologische Situationen. Diese Daten können einen Einblick in zwei strittige und grundlegende Fragen der Evolutionsbiologie geben: i) Was ist die Rolle verschiedener Formen der Selektion bei der Strukturierung von genetischen Variation, und ii) welche Faktoren tragen zu reproduktiven Isolation bei? Um diese Fragen zu beantworten, ist eine Kombination von molekularer Genetik, Genomik, Kreuzungsexperimenten und ökologischen Herangehensweisen von Nöten.

Seit Charles Darwin überlegte, weshalb Blumen eine so wunderbare Vielfalt an Farben und Formen hervorbringen, sind BiologInnen fasziniert von den Mechanismen, durch die blühende Pflanzen die Paarung zwischen genetisch unterschiedlichen Individuen fördern. Ein Instrument, durch das Blumen die Selbstbestäubung verhindern, ist die genetisch basierte Selbstinkompatibilität. Diese Systeme werden von zwei verknüpften Genen kontrolliert, die eine hohe Diversität zeigen (um maximale Paarungstypen zu gewährleisten). Häufig besitzen Populationen ähnliche Paarungstypen (niedrige Differenzierung der Population). Das kann in einer spezifischen genetischen Signatur von hoher Diversität und niedriger Differenzierung an den Teilen des Genoms, die die Selbstinkompatibilität kontrollieren, resultieren. Im Gegensatz dazu wird erwartet, dass Gene für die Blütenfarbe eine andere genetische Signatur zeigen, da die Selektion zu Divergenz zwischen den verschiedenen Arten führen kann. Das resultiert in niedriger genetischer Diversität an Blütenfarben-Loci innerhalb einer Art, aber großen genetischen Unterschieden zwischen den Arten. Hier untersuchen wir, wie die Signale der Selektion am Selbstinkompatibilitäts-Locus und den Blütenfarbengenen in natürlichen Populationen von zwei Sub-Spezies von Löwenmäulchen (Antirrhinum) variieren. Diese Forschung zeigt, dass, in Übereinstimmung mit den Erwartungen, diese zwei Teile des Genoms gegensätzliche genetische Signaturen tragen. Selbstinkompatibilitäts-Loci sind sehr vielfältig, und es zeigen sich wenige Unterschiede zwischen Populationen und Arten. Blütenfarben-Loci andererseits haben eine niedrige genetische Vielfalt innerhalb der Spezies, aber zeigen hohe genetische Unterschiede zwischen Spezies. Dieses Projekt bietet wichtige Einblicke darin, wie unterschiedlich die Selektion über das Genom agieren kann, abhängig davon, welche Form der Selektion involviert ist. Davon können wir ein besseres Verständnis dafür gewinnen, wie die Selektion die genetische Variation während der Entstehung einer neuen Spezies formt.