Conserved key players required for Physcomitrella patens male fertility are affected by accumulation of (epi-) mutations

Das Moos Physcomitrella patens ist ein rezenter Nachkomme der ersten Landpflanzen. Diese phylogenetisch interessante Position ermöglicht die Analyse von Schlüsselmomenten in der Evolution der (Land-) Pflanzen. P. patens wird seit vielen Jahrzehnten als Modellorganismus verwendet. Dennoch konzentrieren sich die meisten Arbeiten bisher auf die gametophytische Generation, welches sich durch das seltene Vorkommen der sexuellen Reproduktion im vorwiegend verwendeten Ökotyp Gransden erklären lässt. Seit vielen Jahren wird das Gewebe in der in vitro Kultur ausschließlich vegetativ vermehrt. Die vermutlich daraus resultierende Anhäufung von somatischen (Epi-) Mutationen hat die männliche Sterilität von Gransden zur Folge. Bisher werden nur wenige der bekannten P. patens Ökotypen für wissenschaftliche Arbeiten verwendet. Daher ist die Etablierung von weiteren Ökotypen relevant. Zum einen können so Analysen der sexuellen Reproduktion und des daraus resultierendem Sporophyten durchgeführt werden, zum anderen ermöglichen Ökotypen vergleichende Analysen der Spezies- und Populationsvielfalt in P. patens. Im Vergleich zu anderen Pflanzenmodellorganismen wie z.B. Arabidopsis thaliana, gibt es in P. patens bisher nur wenige genomweite Analysen von epigenetischen Modifikationen, vor allem im Bezug auf Gewebe, die in der sexuellen Reproduktion involviert sind. In dieser Arbeit präsentiere ich die Charakterisierung der sexuellen Reproduktion des vor kurzem vorgestellten fertilen P. patens Ökotyps Reute, welcher 2006 in Deutschland gesammelt wurde. Reute ist im Vergleich mit allen sequenzierten Ökotypen genetisch gesehen am nächsten mit dem bisher verwendeten Ökotyp Gransden verwandt. In einer vergleichenden Studie zwischen den drei Ökotypen Gransden, Reute und Villersexel konnte ich zeigen, dass die zeitliche und morphologische Entwicklung der Geschlechtsorgane sich nicht unterscheidet und Reute so fertil wie der genetisch etwas entferntere Ökotyp Villersexel ist. Im Gegensatz dazu konnte ich zeigen, dass Gransden nahezu steril ist. Außerdem präsentiere ich den fluoreszenten Stamm Reute-mCherry, welcher für Kreuzungsanalysen verwendet werden kann um z.B. zu bestimmen, ob die männlichen und/oder weiblichen Geschlechtsorgane funktional sind. Mithilfe dieser Methode konnte eindeutig gezeigt werden, dass Gransden einen Defekt im männlichen Reproduktionsapparat zeigt. Des Weiteren beinhaltet diese Arbeit zwischen Gransden und Reute vergleichende Datensätze von Nukleotidpolymorphismen, der Genexpression und des DNA-Methylierungsstatus von Geweben die in die sexuelle Reproduktion involviert sind. Genetische und epigenetische Unterschiede zwischen den Ökotypen weisen auf Defekte in den Flagellen der männlichen Spermatozoide hin, welche vermutlich zur männlichen Sterilität des Ökotyps Gransden beitragen. Abschließend präsentiere ich die Charakterisierung von Schlüsselgenen die in Eukaryoten konserviert sind und für die flagellare Motilität der menschlichen Spermien sowie der Spermatozoide des Mooses P. patens benötigt werden.