Assessing the evolutionary patterns of plastid genome reduction in a group of non-photosynthetic parasitic Angiosperms (Orobanchaceae)

Der Plastid, der als Schlusselfunktion der autotrophen Lebensweise die Photosynthese ausfuhrt, besitzt ein semi-autonomes genetisches System mit eigenem Genom (Plastom), welches fur Proteine des Photosyntheseapparates sowie wenige Enzyme anderer metabolischer Prozesse und Untereinheiten grundlegender genetischer Prozesse kodiert. Aufgrund des Uberganges zu einer unterschiedlich stark ausgepragten heterotrophen Lebensweise weisen parasitische Pflanze enorm modifizierte Plastome auf. Diese sind durch eine extreme funktionelle und strukturelle Reduktion sowie stark erhohte DNS-Substitutionsraten charakterisiert. Gegenstand dieser Dissertation ist es, evolutive Trends der Plastomreduktion bei verminderten Selektionsdrucken zu rekonstruieren. Zu diesem Zweck wurden die Plastome verschiedener zur Photosynthese fahiger und unfahiger Vertreter der Sommerwurzgewachse (Orobanchaceae) vollstandig sequenziert und mittels moderner Methoden der vergleichenden Genomanalyse hinsichtlich folgender Aspekte analysiert: (i) strukturelle Anderungen, (ii) potentielle Funktionalitat von Photosynthese-assoziierten Plastidengenen, (iii) Pseudogenisierung und Gendeletion, und (iv) Evolution und Auswirkung erhohter plastidarer DNS-Substitutionsraten. Daruber hinaus behandelt ein Kapitel methodologische Aspekte der Sequenzierung von Plastidengenomen mittels Pyrosequenzierung gesamt-genomischer DNS-Extrakte. Die Analyse plastidarer DNS nah-verwandter Orobanchaceae erlaubt es erstmals, komplexe Muster der Genomreduktion in parasitischen Pflanzen aufzudecken. Unter anderem kann gezeigt werden, dass bereits der Ubergang zu einer heterotrophen Lebensweise fur strukturelle Anderungen des Plastoms ausschlaggebend ist und zu einem Verlust der Funktionalitat bestimmter Gene und einer Erhohung der Substitutionsraten fuhrt. Innerhalb der Orobanchaceae schreitet die Plastomreduktion mit zunehmender Heterotrophie mit linienspezifischer Geschwindigkeit voran. Das Ausmas von Pseudogenisierung und Deletion nicht-essentieller Genomabschnitte wird dabei masgeblich durch die Distanz zu essentiellen genischen Elementen und von der plastidaren Operonstruktur beeinflusst. Daruber hinaus weisen die zusammengetragenen Ergebnisse darauf hin, dass parasitische Pflanzen die Funktion einzelner Photosynthese-assoziierter Proteinkomplexe moglicherweise aufrechterhalten und eine erhohte Rate an intrazellularem DNS-Transfer aufweisen. Veranderungen der DNS-Substitutionsmuster bei zur Photosynthese fahigen heterotrophen Orobanchaceae implizieren eine Korrelation des Ubertritts zur parasitischen Lebensweise mit der Verminderung der Selektion bestimmter plastidarer Genen. Im Vergleich zu photosynthetisch aktiven Pflanzen, weisen Vollparasiten differenzierte Muster bezuglich DNS-Substitutionen auf, einschlieslich linienspezifischer Ratenerhohung und –reduktion. In der vorliegenden Arbeit wird anhand der Analyse von simulierten und experimentell generierten 454-Datensatzen erstmals gezeigt, dass die erfolgreiche Plastomrekonstruktion signifikant von der verwendeten Sequenzdatenmenge bestimmt wird. Daruber hinaus wird eine Methode zur a priori Schatzung der optimalen Datenmenge unter Verwendung weniger Parameter erarbeitet.