Zum Verständnis der molekularen Evolution der Redundanz bei Pflanzen

Abstract

Gene duplication events have repeatedly occurred during angiosperm evolution, representing an important source of genetic redundancy and contributing to the evolution of genomic complexity. One proposed mechanism for the stable maintenance of duplicated genes is subfunctionalization. This process involves mutations to different functional elements of the genes, leading to a division of subfunctions between the duplicates, ensuring that both copies are required to achieve the complete set of original functions. In line with the modular structure of eukaryotic promoters, mutational changes are believed to predominantly occur at the level of cis-regulatory sequences, thus influencing a gene's spatial and temporal expression. In this study, we investigate the partial loss of redundancy between two duplicated genes in Capsella rubella, BOP1 and BOP2 and compared to their counterparts in Arabidopsis thaliana. In A. thaliana, BOP1 and BOP2 genes arose from a Whole Genome Duplication (WGD) and remain almost fully redundant. In contrast, in C. rubella, BOP1 is unable to maintain wild-type floral organ numbers or suppress bract formation, likely due to altered expression patterns in cryptic bract primordium. Using transgenic rescue in A. thaliana atbop1 atbop2 mutants and AtBOP1 promoter deletions, it was demonstrated that alterations in the interactions between the blocks of conserved non-coding sequences in the BOP1 promoter regions underlie this evolutionary divergence. These findings highlight the complexity of promoter architecture and the role of cis-regulatory element interactions in driving gene expression changes and redundancy loss. Additionally, we discovered that subfunctionalized BOP1 was already widespread in Capsella grandiflora, the ancestral species of C. rubella, prior to the latter's transition to selfing. Identifying natural modifiers of the crbop2-1 phenotype indicates the large extent of cryptic genetic variation present in the outbreeding C. grandiflora population, providing insights into the evolution of gene redundancy and subfunctionalization.Während der Evolution der Angiospermen kam es immer wieder zu Genduplikationen, die eine wichtige Quelle für genetische Redundanz darstellen und zur Evolution der genomischen Komplexität beitragen. Ein vorgeschlagener Mechanismus für die stabile Aufrechterhaltung von Genduplikaten ist die Subfunktionalisierung. Dieser Prozess beinhaltet Mutationen an verschiedenen funktionellen Elementen der Gene, die zu einer Aufteilung der Teilfunktionen zwischen den Duplikaten führen und sicherstellen, dass beide Kopien erforderlich sind, um die vollständige Reihe der ursprünglichen Funktionen zu erfüllen. In Übereinstimmung mit dem modularen Aufbau eukaryontischer Promotoren wird angenommen, dass Mutationsänderungen vorwiegend auf der Ebene der cis-regulatorischen Sequenzen stattfinden und somit die räumliche und zeitliche Expression eines Gens beeinflussen. In dieser Studie untersuchen wir den teilweisen Verlust der Redundanz zwischen zwei duplizierten Genen in Capsella rubella, BOP1 und BOP2, und vergleichen sie mit ihren Gegenstücken in Arabidopsis thaliana. In A. thaliana sind die Gene BOP1 und BOP2 aus einer Whole Genome Duplication (WGD) entstanden und bleiben fast vollständig redundant. Im Gegensatz dazu ist BOP1 in C. rubella nicht in der Lage, die Anzahl der Blütenorgane des Wildtyps aufrechtzuerhalten oder die Bildung von Hüllblättern zu unterdrücken, was wahrscheinlich auf veränderte Expressionsmuster im kryptischen Hüllblattprimordium zurückzuführen ist. Durch transgene Rettung in A. thaliana atbop1 atbop2-Mutanten und Deletionen des AtBOP1-Promotors konnte gezeigt werden, dass Veränderungen in den Interaktionen zwischen den Blöcken der konservierten nicht-kodierenden Sequenzen in den BOP1-Promotorregionen dieser evolutionären Divergenz zugrunde liegen. Diese Ergebnisse verdeutlichen die Komplexität der Promotorarchitektur und die Rolle der Interaktionen zwischen cis-regulatorischen Elementen bei der Veränderung der Genexpression und dem Verlust von Redundanz. Darüber hinaus haben wir festgestellt, dass subfunktionalisiertes BOP1 in C. grandiflora bereits vor dem Übergang zu C. rubella verbreitet ist. Die Identifizierung natürlicher Modifikatoren des crbop2-1-Phänotyps weist auf das große Ausmaß kryptischer genetischer Variation in der auskreuzenden C. grandiflora-Population hin und bietet Einblicke in die Evolution von Genredundanz und Unterfunktionalisierung