ecotype https://doi.org/10.17192/z2020.0063 Flagellen ccdc39 Motilität Biologie sexuelle Reproduktion Physcomitrella patens belongs to the bryophytes and is an extant species of the first land plants. This phylogenetic informative position allows the analysis of key evolutionary steps in (land) plant evolution employing P. patens as a model organism. Decades of research mainly focused on the gametophytic generation, probably also due to the lack of sexual reproductive events in the primarily used ecotype Gransden. Long term in vitro vegetative reproduction probably led to the accumulation of somatic (epi-) mutations which eventually led to a nearly male sterile phenotype. So far, only few P. patens ecotypes are used for scientific work. Thus, to overcome the fertility issues and to apply comparative analyses to study sexual reproduction and sporophyte development as well as species and population divergence in P. patens, the establishment of more ecotypes is highly needed. In comparison to other plant model organisms as e.g. Arabidopsis thaliana, genome wide epigenetic modifications especially with regard to sexual reproduction are still barely studied in P. patens ecotypes. Here I present the characterization of the sexual reproduction of the recently introduced fertile ecotype Reute which was collected 2006 in Germany. Reute is the most closely related ecotype to Gransden reported so far. In a comparative analysis between the ecotypes Gransden, Reute and Villersexel, I could show no differences in timing and morphology of the sexual reproductive tissues. However, while Reute was as fertile as the more distant ecotype Villersexel, Gransden was nearly self-sterile. Also, I present the fluorescent marker strain Reute-mCherry which can be used in crossing analyses e.g. to determine if female or male sexual reproductive organs are impaired. By employing this method, a clear male defect could be shown in Gransden. Further, I present a comparative multi-omics analysis between Gransden and Reute using different tissues during sexual reproduction. Single nucleotide polymorphisms (SNPs), DNA-methylation and RNA-expression pinpoint a flagellar defect, which presumably leads to the observed male fertility impairment in Gransden. Finally, I present the characterization of key-players which are highly conserved within eukaryotes and are required for flagellar motility in humans as well as in the moss P. patens. urn:nbn:de:hebis:04-z2020-00638 Physcomitrella patens Gransden Moos 2020-02-04 ths Prof.Dr. Rensing Stefan A. Rensing, Stefan A. (Prof.Dr.) doctoralThesis moss Life sciences Biowissenschaften, Biologie Physcomitrella patens https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2020/0063/cover.png Philipps-Universität Marburg sexual reproduction opus:8928 germ cell flagella 2019-12-18 Gransden 2020-02-04 Fachbereich Biologie mobility 2020 Reute 132 application/pdf Spermatozoid Meyberg, Rabea Meyberg Rabea Ökotyp ccdc39 Reute monograph Conserved key players required for Physcomitrella patens male fertility are affected by accumulation of (epi-) mutations spermatozoid English Konservierte Gene die für die männliche Fertilität von Physcomitrella patens benötigt werden, sind von der Akkumulation von (Epi-) Mutationen betroffen 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. Publikationsserver der Universitätsbibliothek Marburg Universitätsbibliothek Marburg