Charakterisierung von Mikrosatelliten aus dem Pflanzen- und Pilzgenom

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Genomische Mikrosatelliten, auch als "simple sequence repeats“ (SSRs) bezeichnet, bestehen aus tandemartig hintereinander angeordneten, kurzen DNA-Motiven von ca. 1-5 Basen. Aufgrund einer Reihe typischer Charakteristika eignen sich Mikrosatelliten hervorragend als molekulare Marker:

• Sie gehören zu den variabelsten DNA-Sequenzen überhaupt, hauptsächlich infolge einer flexiblen Anzahl der einzelnen Sequenzbausteine (variable number of tandem repeats; VNTR.

• Sie kommen in großer Anzahl in allen Eukaryontengenomen vor und sind mehr oder weniger gleichmäßig über das Gesamtgenom verteilt.

• Die große Mehrzahl von Mikrosatelliten ist vermutlich funktionslos ("junk" DNA), und daher selektionsneutral.

• Mikrosatelliten-Marker sind kodominant und sehr gut reproduzierbar.

Die gängigste Strategie zur Entwicklung molekularer Marker auf der Basis von Mikrosatelliten-Variation beruht auf der Amplifikation individueller Mikrosatelliten-Loci mit Hilfe flankierender Primer und der Polymerase-Ketteneaktion (PCR). Bis vor wenigen Jahren waren zur Gewinnung von Sequenzinformation für das Design solcher Primer aufwändige Klonierungsarbeiten im Labor erforderlich. Auf diese traditionelle Weise haben wir und unsere Kooperationspartner in den vergangenen 15 Jahren Mikrosatelliten aus einem weiten Spektrum von Pflanzen- und Pilzarten isoliert und charakterisiert, u.a. aus der Kichererbse (Cicer arietinum), zwei Pelargonienarten (Pelargonium hortorum und Pelargonium peltatum), der Kiwifrucht (Actinidia deliciosa), der neotropischen Regenwaldbaumart Simarouba amara, fünf Arten der tropischen Ameisenpflanzengattung Macaranga, der Strandsode(Suaeda maritima), der Flügelsamigen Schuppenmiere(Spergularia media) und den beiden phytopathogenen Pilzarten Mycosphaerella fijiensis (Pathogen der Banane) und Ascochyta rabiei (Pathogen der Kichererbse).

Mikrosatelliten können auch aus Datenbankinformationen wie z.B. der GenBank „gefischt“ werden (in silico mining). Diese Strategie führte in unserer Arbeitsgruppe zur Etablierung von mehreren hundert Mikrosatellitenmarkern für die Ananas (Wöhrmann und Weising 2011). Die Marker stammten alle aus transkribierten Sequenzen (expressed sequence tags, EST) und erwiesen sich als sehr gut übertragbar auch auf viele andere Arten der Bromeliengewächse. Mikrosatelliten aus Datenbanken wurden auch für populationsgenetische Untersuchung an der Kirschenart Prunus divaricata eingesetzt (Wöhrmann et al. 2011).

Mit der Entwicklung von Hochdurchsatz-DNA-Sequenzierungsverfahren („next generation sequencing“) hat sich die Erzeugung von Mikrosatellitenmarkern in den letzten Jahren erheblich vereinfacht. Die gewünschten Sequenzen werden mit Hilfe geeigneter Computerprogramme einfach aus dem riesigen Berg von Sequenzen „gefischt“, die ein moderner Sequenzierer (454, Illumina etc.) in kürzester Zeit liefert. Mit Hilfe der 454-Sequenzierung wurden in unserer Arbeitsgruppe in Kooperation mit Dr. Bruno Hüttel (MPI für Züchtungsforschung, Köln) Mikrosatelliten aus drei Bromelienarten (Fosterella rusbyi, Dyckia marnier-lapostollei und Deuterocohnia longifolia), dem Kleinen Immergrün (Vinca minor) und zwei Macaranga-Arten entwickelt.

Primäres Ziel des Projekts ist die Entwicklung sensitiver PCR-gestützter molekularer Marker für verschiedene Anwendungsgebiete, insbesondere für populationsgenetische Untersuchungen, jedoch auch für Vaterschaftsanalysen bei Kreuzungen und (mit Einschränkungen) für die Artabgrenzung in nahe verwandten Artkomplexen. Auch haben wir Methoden entwickelt, die die Erzeugung und Anwendung von Chloroplasten-Mikrosatelliten (cpSSRs) erleichtern (Weising und Gardner 1999; Guicking et al. 2008).

Prof. Dr. Kurt Weising

• Dr. Daniela Guicking
• Dr. Tina Wöhrmann

1 / 1998 - 12 / 2013, Ende offen

DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft), Bonn   http://www.dfg.de im Rahmen mehrerer Einzelanträge.

• Dr. B. Huettel, Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung, Köln
• Prof. Dr. A.M. Benko-Iseppon, Universidad Federal de Pernambuco, Recife, Brasilien
• Prof. Dr. C. Palma-Silva, Universidade Estadual Paulista, Rio Claro, Brasilien
• Dr. F.R. Blattner, Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK), Gatersleben

• Zenk, F.L., Firmer, C., Wöhrmann, T., Silva, L.V., Weising, K., Huettel, B., Paggi, G.M. (2018) Development of 15 nuclear microsatellite markers in Deuterocohnia (Pitcairnioideae; Bromeliaceae) using 454 pyrosequencing. Applications in Plant Sciences 6(4): e1147
• Wöhrmann, T., Huettel, B., Wagner, N., Weising, K. (2016) Microsatellites from Fosterella christophii (Bromeliaceae) by de novo transcriptome sequencing on the Pacific Biosciences RS. Applications in Plant Sciences 4(1): 1500084
• Weising, K., Wöhrmann, T., Huettel, B. (2015) The use of high-throughput DNA sequencing for microsatellite marker discovery in plants. In: “Next generation sequencing in systematic and evolutionary biology”, ed. Hörandl, E.. Regnum Vegetabile Book Series of the IAPT (International Association of Plant Taxonomy), Koeltz Scientific Books, Königstein, pp. 205-269
• Moeller, S., Wöhrmann, T., Huettel, B., Weising, K. (2015) Development of 18 polymorphic microsatellite markers for Vinca minor (Apocynaceae) via 454 pyrosequencing. Applications in Plant Sciences 3(5): 1500015
• Nybom, H., Weising, K., Rotter, B. (2014) DNA fingerprinting in botany: past, present, future. Investigative Genetics 5: 1.
• Wöhrmann, T., Pinangé, D., Krapp, F., Benko-Iseppon, Huettel, B., Weising, K. (2013) Development of 15 nuclear microsatellite markers in the genus Dyckia (Pitcairnioideae; Bromeliaceae) using 454 pyrosequencing. Conservation Genetics Res. 5: 81-84.
• Krapp, F., Alves dos Santos Cruz, G., Wöhrmann, T., Benko-Iseppon, A., Weising, K. (2013) A set of variable plastid SSR markers for the genus Cryptanthus (Bromeliaceae). Res. Plant Biol. 3(2): 18-21.
• Wöhrmann, T., Wagner, N., Krapp, F., Huettel, B., Weising, K. (2012) Development of microsatellite markers in Fosterella rusbyi (Bromeliaceae) using 454 pyrosequencing. Amer. J. Bot. E160-e163.
• Krapp, F., Wöhrmann, T., Pinangé, D., Benko-Iseppon, A., Huettel, B., Weising, K. (2012) A set of plastid microsatellite loci for the genus Dyckia (Bromeliaceae) derived from 454 pyrosequencing. Amer. J. Bot. e470-e473.
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• Wöhrmann, T., Guicking, D., Khoshbakht, K., Weising, K. (2011) Genetic variability in wild populations of Prunus divaricata in Northern Iran evaluated by EST-SSR and genomic SSR marker analysis. Genet. Res. Crop. Evol. 58: 1157-1167.
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• Weising, K., Gardner, R. (1999) A set of universal PCR primers for the analysis of simple sequence repeat polymorphisms in chloroplast genomes of dicotyledonous angiosperms. Genome 42: 9-19.

• Morell, Amelie (2018) Etablierung von Chloroplasten-Mikrosatellitenmarkern in zwei Arten der Gattung Impatiens. Bachelor-Arbeit
• Regett, Sebastian (2017) Etablierung von Mikrosatelliten-Markern für Impatiens noli-tangere und Impatiens parviflora (Balsaminaceae) und ihr Einsatz für populationsgenetische Untersuchungen. Diplomarbeit
• Firmer, Cynthia. (2017) Etablierung von Mikrosatellitenmarkern in der Gattung Deuterocohnia (Bromeliaceae). Staatsexamensarbeit
• Wöhrmann, Tina (2014) Etablierung von Mikrosatellitenmarkern für die Pitcairnioideae (Bromeliaceae) und ihr Anwendung für populationsgenetische Fragestellungen. Dissertation
• Schüßler, Sarah (2014) Etablierung von nukleären Mikrosatellitenmarkern für Macaranga gigantea und M. pearsonii (Euphorbiaceae). Bachelorarbeit
• Zenk, Fides (2012) Entwicklung von Mikrosatellitenmarkern in Deuterocohnia longipetala Mez (Bromeliaceae) auf der Basis von DNA-Sequenzdaten aus der 454-Pyrosequenzierung, Bachelor-Arbeit.
• Prinz, Kathleen (2009) Populationsgenetische und ökologische Untersuchungen zur Besiedlung und Bedeutung anthropogener Binnensalzstellen, Dissertation.
• Spickmann, Carolin (2008) Populationsgenetische Untersuchungen an Suaeda maritima s.l. in Ober- und Mittelitalien, Diplomarbeit.
• Wöhrmann, T. (2008) Populationsgenetik von Prunus divaricata (Rosaceae) in Nordiran, Diplomarbeit.
• Vesely, Sanja (2006): Verwandtschaftsuntersuchungen in der Gattung Fosterella (Bromeliaceae) mit Hilfe von Mikrosatelliten-DNA-Markern, Staatsexamen
• Brauer, Ingo (2006): Etablierung von Mikrosatellitenmarkern für die Gattung Fosterella, Staatsexamen
• Roth, Tina (2005): Verwandtschaftsbeziehungen in einem Bestand des Europäischen Wisent (Bison bonasus), Diplomarbeit
• Reinl, Danny (2003): Entwicklung und Charakterisierung von Chloroplasten-Mikrosatellitenmarkern für die Gattung Suaeda (Chenopodiaceae), Diplomarbeit
• Vogel,Miriam (2002): Entwicklung und Charakterisierung von Chloroplasten-Mikrosatellitenmarkern für die Ameisenpflanzengattung Macaranga (Euphorbiaceae), Diplomarbeit

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