Genetik der Pflanzen (Fach) / Vorlesung 1 (Lektion)

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• 1)DNA in Eukaryonten und Prokaryonten Eukaryonten: Das Kerngenom der besteht i.d.R. aus mehreren linearenChromosomen Prokaryonten haben meist ein zirkuläres Chromosom. Die plastidären und mitochondrialen Genome sind zirkulär.
• 2)Warum ist die DNA in Chromosomen verpackt? Zweck? Verdichtung der DNA zu kompakten Einheiten Schutz der DNA vor Schädigung korrekte Verteilung der DNA bei der Zellteilung an die Tochterzellen Mechanismen zur (In)Aktivierung derDNA; Regulation der Genaktivität
• 3) Nucleosomen  Proteinkern aus Histonen 1,5 Umwindungen des DNA-Doppelstrangs
• 4)Histon-Oktamer Kern der Nucleosomen Besteht aus 4 verschiedenen Histonen :  H2A H2B H3 H4 N-Termini ragen aus dem nuclesomen raus Spielt eine große rolle bei epigenetischen Regulationen
• 5) H1-Histon Lagert sich an Nucleosomen und verdichtet die Nucleosomen-Kette von 10nM.Faser --> zu 30 nm Faser (Solenoide)
• 5)Chromsomen Nucleoproteinkomplexe Bestehen aus 2 Chromatiden die am Cetromer gebunden sind Chromatid besteht aus Chromatin --> Nuclesomen
• 7)Wann sind Chromosomen sichtbar Während der Metaphase der Zellteilung -> hochkonserviert (interphase -> aufgelockert)
• 8)Was ist Cohesin Cohesin, ein evolutionär sehr alter Proteinkomplex, bildet ein Skelett für Chromosomen im Interphasekern und stabilisiert deren Struktur. Cohesin bildet eine Struktur zur Organisation der Chromosomen
• 9)Heterochromatin und Euchromatin Euchromatin: mit Feulgen-Reagenz schwach färbbare Bereiche =aufgelockerte DNA; enthält die meisten aktiven Gene Heterochromatin: intensiv färbbare Chromosomenabschnitte = stärkerkondensierte DNA; wenige aktive Gene
• 9.1) repetetive DNA DNA-Bereiche im Erbgut , deren Sequenz aus sich wiederholenden Abschnitten besteht. Große Genome enthalten viel "repetitive DNA" Der Anteil repetitiver DNA am Genom unterscheidet sich bei verschiedenen Organismen in mittlerer bis sehr hoher Kopienzahl vor (bis >hunderttausend Kopien), die nicht fürProteine kodieren („hochrepetitive DNA") – insbesondere im Heterochromatin. Repetitive DNA hat häufig überhaupt keine oder zumindest keine essentielleFunktion für den Organismus; neuere Ergebnisse zeigen aber, dass großeAbschnitte dieser DNA auch transkribiert werden
• 9.2.1)Genomik Der Begriff „Genomik“ beschreibt die Untersuchung des gesamten Genoms eines Organismus, in erster Linie anhand der DNA Sequenz. Genomweite Analysen beinhalten auch die Untersuchung aller Transkripte (Transcriptomics), Proteine (Proteomics), ihre Interaktionen (Interaktom) und ihrer Funktionen (Funktionelle Genomik).
• 9.2.2.)Hochdurchsatztechnologien sind für genomweite Analysen essentiell: ‐ Analyse der Genomsequenz – Next Generation Sequencing (NGS).‐ Genomweite Analyse der Transkriptabundanz von Genen (Microarrays, RNA‐Seq).‐ Genomweite Analyse von Protein‐DNA Interaktion (ChIP‐Seq).
• 9.2.3.)Informationen aus der Genomforschung Die detaillierte Größe und Struktur des Genoms, zum Beispiel der Verteilungder Gene auf den  Chromosomen. Einblick in die Entwicklungsgeschichte von Genomen, zum Beispiel die Entdeckung früherer Genomduplikationen. Vergleich der Genome verwandter Spezies: Regionen mit Kolinearität (Syntänie) und Entdeckung von speziesspezifischen Genen. Analyse des Informationsgehalts eines Genoms, zum Beispiel Informationen über Art und Anzahl der proteinkodierenden Gene. Informationen über die genetische Variabilität innerhalb einer Spezies. Entwicklung molekularer Marker für die Kartierung von Genen und Merkmalen.
• 9.3.) Arabidopsis thaliana Modellpflanze der Genetik und Genomforschung• Erste komplett sequenziertes Pflanzengenom• Genomegröße ca. 125.000.000 Bp• ca. 27.000 Gene
• 9.3.1) Vorteile der Modellpflanze Arabidosis thaliana für den Experimentator • Kleines Genom mit wenig repetitiven Sequenzen• Genomische Sequenz bekannt• Große Sammlungen von Mutanten incl. Knockout-Mutanten (T-DNA Insertionsmutanten)• Hohe natürliche Variabilität bei Ökotypen (Akzessionen)• Einfach genetisch transformierbar• Hohe Anzahl von Nachkommen• Kurze Generationszeit• Geringer Platzbedarf
• Paraloge Gene Ursache zur enstehung Genduplikation (entstehen durch Duplikation eines Gens ) Polyploidie--> Homöloge gene enstehen sagen etwas über die evolutive entwicklung was aus
• 9.3.4)Genomanalyse von Arabidopsis thaliana: statistische Daten Genomgröße ca. 125 Mbp, Anzahl Gene ca. 27.000 (1 Gen/4.5 kbp)  Ca. 60% der Gene gehören einer Genfamilie an und ca. 60% des Genoms besteht aus duplizierten Regionen 14% des Genoms besteht aus repetitiven Sequenzen, überwiegend Transposons • 70% der Gene hat eine aus der Sequenz abgeleitete mögliche Funktion,d.h. >7000 Gene haben keine bekannte mögliche Funktion• Einige Genfamilien fehlen in Pflanzen, z.B. Tyrosinkinasen und Steroidhormonrezeptoren Große Genfamilien sind der der Regulation der: Proteinabbaus Zellwandsynthese Transkription,
• 9.3.5.)Drei verschiedene Ontologien werden derzeit benutzt: • Molekulare Funktion (~ 8.500 Begriffe): z.B. Kinase, Phosphatase, usw.• Biologischer Prozess (~15.000 Begriffe): z.B. Proteinsynthese, Ca-Bindung, usw.• Zelluläres Kompartiment (~2.200 Begriffe): z.B. Zellkern, Vakuole, usw.
• 9.4.) Evolution des Kerngenoms At Sehr viele (bis zu ca. 25%) der Kerngene von Arabidopsis (und allen anderenLandpflanzen) stammen von Cyanobakterien ab – ein weiterer Beleg für dieEndosymbionten-Hypothese.
• 9.5.)Genomanalyse von Reis (Oryza sativa L.): statistische Daten • Genomgröße ca. 389 Mbp• Genomduplikation von Große Abschnitte • 35% Transposon-DNA• Geschätzte Genzahl ca. 37.500; Gendichte 1 Gen / 9.9 kb• ca. alle 200 bp ist ein SNP zu finden• Es gibt einen hohen Grad Syntänie mit anderen monokotylen Pflanzen, aber nichtdikotylen Pflanzen
• 9.5.1) Allopolyploide Pflanzen Allopolyploide Pflanzen enthalten zwei Chromosomensätze (AABB) ausverschiedenen, nah verwandten Arten (AA und BB), die miteinandergekreuzt wurden. Beispiele sind Raps, Tabak und Weizen.
• 9.5.2.)Autopolyploiden Pflanzen Bei autopolyploiden Pflanzen (AAAA) wurde der arteigene Chromosomensatz verdoppelt. Autopolyploidie kann durch Colchicin(Inhibitor der Kernspindel bei der Mitose) induziert werden, dies verursacht meist ein Vergrößerung des Zellvolumens.
• 9.5.3.)Homologe Chromosomen und Homöologen Chromosomen bei der meisose Homologe Chromosomen polyploider Pflanzen können in der Meiose  korrekt miteinander paaren. Bei homöologen Chromosomen sind die Sequenzunterschiede für eine Paarung zu groß.
• 9.5.4.) Züchtungsgeschichte des Weizens (Triticum aestivum) Weizen gehört neben Mais und Reis zu den wichtigsten Nutzpflanzen. Das Genom ist ca. 17 GBp groß (sechsmal so groß wie das des Menschen) und enthält sehr viel repetitive DNA. Die Zuordnung der Sequenzen zum A, B und D Genom ist wegen der Sequenzähnlichkeit schwierig. Eine erste Fassung der Genomsequenz liegt nun vor (Science, Juli 2014)
• Genetische Ansätze der Funktionellen Genomik Vorwörsgenetik : Phänotyp--> Genotyp Reverse Genetik: Geotyp--> Phänotyp
• Untersuchung der Genfunktion durch die Änderung der Genaktivität. Loss-of-function:• Gen-Knockout• Gen-Silencing (z.B. RNAi)• TILLINGGain-of-function:• Ektopische Expression• Dominante Mutationen Verursacht die Mutation von Genen einen veränderten Phänotyp, so istdies sehr informativ über den zellulären Prozess an dem diese beteiligt sind.
• Zukünftige Entwicklungen Weitere Fragen der Genomforschung Die vergleichende Analyse von Pflanzengenomen wird dabei helfen, eine Reihe wichtiger Fragen der Pflanzenevolution zu beantworten, z.B. hinsichtlich der funktionellen Änderungen und Anpassungen während der Evolution. Welche Änderungen geschahen als Pflanzen multizelluläre Organismen wurden? Welche Änderungen begleiteten den Wechsel von Pflanzen aus dem wässrigen Milieu aufs Land? Wurden existierende genetische Programme angepasst, um Blüten und Vaskulargewebe zu bilden? Oder wurden neue Programme entwickelt? Was war die Rolle der häufig aufgetretenen wiederholten Genomduplikation in verschiedenen Arten? Hat dies die massive Zunahme neuer Formen und Funktionen erst ermöglicht? Welche Änderungen erfolgten bei der Domestikation von Nutzpflanzen? Kann der vorhandene Genpool besser kombiniert werden für bessere Eigenschaften von Nutzpflanzen?
• orthologe Gene sind am nächsten verwandten Gene gleicher Funktion aus zwei verschiedenen Arten. Untergruppe von homologen Genen Enstehen durch Gen-duplikation

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