TY - GEN A1 - Sas, Claudia A1 - Müller, Frank A1 - Kappel, Christian A1 - Kent, Tyler V. A1 - Wright, Stephen I. A1 - Hilker, Monika A1 - Lenhard, Michael T1 - Repeated inactivation of the first committed enzyme underlies the loss of benzaldehyde emission after the selfing transition in Capsella T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The enormous species richness of flowering plants is at least partly due to floral diversification driven by interactions between plants and their animal pollinators [1, 2]. Specific pollinator attraction relies on visual and olfactory floral cues [3-5]; floral scent can not only attract pollinators but also attract or repel herbivorous insects [6-8]. However, despite its central role for plant-animal interactions, the genetic control of floral scent production and its evolutionary modification remain incompletely understood [9-13]. Benzenoids are an important class of floral scent compounds that are generated from phenylalanine via several enzymatic pathways [14-17]. Here we address the genetic basis of the loss of floral scent associated with the transition from outbreeding to selfing in the genus Capsella. While the outbreeding C. grandiflora emits benzaldehyde as a major constituent of its floral scent, this has been lost in the selfing C. rubella. We identify the Capsella CNL1 gene encoding cinnamate: CoA ligase as responsible for this variation. Population genetic analysis indicates that CNL1 has been inactivated twice independently in C. rubella via different novel mutations to its coding sequence. Together with a recent study in Petunia [18], this identifies cinnamate: CoA ligase as an evolutionary hotspot for mutations causing the loss of benzenoid scent compounds in association with a shift in the reproductive strategy of Capsella from pollination by insects to self-fertilization. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 904 KW - benzyl alcohol-dehydrogenase KW - floral scent KW - recent speciation KW - petunia flowers KW - genus capsella KW - evolution KW - biosynthesis KW - fragrance KW - purification KW - pollinators KW - benzaldehyde KW - selfing syndrome KW - shepherd’s purse KW - cinnamate:CoA ligase Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-438018 SN - 1866-8372 IS - 904 SP - 3313 EP - 3319 ER - TY - GEN A1 - Jantzen, Friederike A1 - Lynch, Joseph H. A1 - Kappel, Christian A1 - Höfflin, Jona A1 - Skaliter, Oded A1 - Wozniak, Natalia Joanna A1 - Sicard, Adrien A1 - Sas, Claudia A1 - Adebesin, Funmilayo A1 - Ravid, Jasmin A1 - Vainstein, Alexander A1 - Hilker, Monika A1 - Dudareva, Natalia A1 - Lenhard, Michael T1 - Retracing the molecular basis and evolutionary history of the loss of benzaldehyde emission in the genus Capsella T2 - Postprints der Universität Potsdam Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The transition from pollinator-mediated outbreeding to selfing has occurred many times in angiosperms. This is generally accompanied by a reduction in traits attracting pollinators, including reduced emission of floral scent. In Capsella, emission of benzaldehyde as a main component of floral scent has been lost in selfing C. rubella by mutation of cinnamate-CoA ligase CNL1. However, the biochemical basis and evolutionary history of this loss remain unknown, as does the reason for the absence of benzaldehyde emission in the independently derived selfer Capsella orientalis. We used plant transformation, in vitro enzyme assays, population genetics and quantitative genetics to address these questions. CNL1 has been inactivated twice independently by point mutations in C. rubella, causing a loss of enzymatic activity. Both inactive haplotypes are found within and outside of Greece, the centre of origin of C. rubella, indicating that they arose before its geographical spread. By contrast, the loss of benzaldehyde emission in C. orientalis is not due to an inactivating mutation in CNL1. CNL1 represents a hotspot for mutations that eliminate benzaldehyde emission, potentially reflecting the limited pleiotropy and large effect of its inactivation. Nevertheless, even closely related species have followed different evolutionary routes in reducing floral scent. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 775 KW - benzaldehyde KW - Capsella KW - cinnamate-CoA ligase KW - evolution KW - floral scent KW - selfing syndrome KW - shepherd’s purse Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-437542 SN - 1866-8372 IS - 775 SP - 1349 EP - 1360 ER - TY - THES A1 - Jantzen, Friederike T1 - Genetic basis and adaptive significance of repeated scent loss in selfing Capsella species T1 - Genetische Grundlage und Adaptive Signifikanz von wiederholtem Duftverlust bei selbstenden Capsella Arten N2 - Floral scent is an important way for plants to communicate with insects, but scent emission has been lost or strongly reduced during the transition from pollinator-mediated outbreeding to selfing. The shift from outcrossing to selfing is not only accompanied by scent loss, but also by a reduction in other pollinator-attracting traits like petal size and can be observed multiple times among angiosperms. These changes are summarized by the term selfing syndrome and represent one of the most prominent examples of convergent evolution within the plant kingdom. In this work the genus Capsella was used as a model to study convergent evolution in two closely related selfers with separate transitions to self-fertilization. Compared to their outbreeding ancestor C. grandiflora, the emission of benzaldehyde as main compound of floral scent is lacking or strongly reduced in the selfing species C. rubella and C. orientalis. In C. rubella the loss of benzaldehyde was caused by mutations to cinnamate:CoA ligase CNL1, but the biochemical basis and evolutionary history of this loss remained unknown, together with the genetic basis of scent loss in C. orientalis. Here, a combination of plant transformations, in vitro enzyme assays, population genetics and quantitative genetics has been used to address these questions. The results indicate that CNL1 has been inactivated twice independently by point mutations in C. rubella, leading to a loss of benzaldehyde emission. Both inactivated haplotypes can be found around the Mediterranean Sea, indicating that they arose before the species´ geographical spread. This study confirmed CNL1 as a hotspot for mutations to eliminate benzaldehyde emission, as it has been suggested by previous studies. In contrast to these findings, CNL1 in C. orientalis remains active. To test whether similar mechanisms underlie the convergent evolution of scent loss in C. orientalis a QTL mapping approach was used and the results suggest that this closely related species followed a different evolutionary route to reduce floral scent, possibly reflecting that the convergent evolution of floral scent is driven by ecological rather than genetic factors. In parallel with studying the genetic basis of repeated scent loss a method for testing the adaptive value of individual selfing syndrome traits was established. The established method allows estimating outcrossing rates with a high throughput of samples and detects successfully insect-mediated outcrossing events, providing major advantages regarding time and effort compared to other approaches. It can be applied to correlate outcrossing rates with differences in individual traits by using quasi-isogenic lines as demonstrated here or with environmental or morphological parameters. Convergent evolution can not only be observed for scent loss in Capsella but also for the morphological evolution of petal size. Previous studies detected several QTLs underlying the petal size reduction in C. orientalis and C. rubella, some of them shared among both species. One shared QTL is PAQTL1 which might map to NUBBIN, a growth factor. To better understand the morphological evolution and genetic basis of petal size reduction, this QTL was studied. Mapping this QTL to a gene might identify another example for a hotspot gene, in this case for the convergent evolution of petal size. N2 - Blütenduft stellt einen wichtigen Kommunikationsweg für Pflanzen mit ihrer Außenwelt dar, jedoch ging die Emission von Duftstoffen während des Übergangs von Bestäuber-vermittelter Auskreuzung zur Selbstung verloren oder wurde stark reduziert. Dieser Wandel des Fortpflanzungssystems wurde nicht nur vom Duftverlust begleitet, sondern auch von einer Reduktion anderer Merkmale, die Bestäuber anlocken, so zum Beispiel auch einer verringerten Blütenblattgröße. Diese veränderten Merkmale werden unter dem Begriff Selbstungssyndrom zusammengefasst und können mehrfach in der Evolution von Angiospermen beobachtet werden. Der Übergang von Auskreuzung zu Selbstung und die damit einhergehende Veränderung von Blüten stellt eines der bekanntesten Beispiele für konvergente Evolution im Pflanzenreich dar. In dieser Arbeit wurde die Gattung Capsella als Modell für die Untersuchung konvergenter Evolution genutzt, da sie zwei eng verwandte selbstbestäubende Arten enthält, die unabhängig voneinander den Übergang zur Selbstbefruchtung vollzogen. Verglichen mit dem auskreuzendem Vorfahr C. grandiflora, ist die Emission von Benzaldehyd als Hauptbestandteil des Blütenduftes in den selbstbestäubenden Arten C. rubella und C. orientalis verloren gegangen oder stark reduziert. Der Verlust von Benzaldehyd wurde in C. rubella durch Mutationen in der Cinnamat:CoA Ligase CNL1 verursacht, die biochemische Grundlage und evolutionäre Geschichte dieses Verlustes waren jedoch unbekannt, ebenso wie die genetische Grundlage für den Duftverlust von C. orientalis. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Kombination aus transformierten Pflanzen, in vitro Enzymassays, Populationsgenetik und quantitativer Genetik genutzt, um diese Fragen zu beantworten. Die Ergebnisse sprechen dafür, dass in C. rubella CNL1 zweimal unabhängig voneinander durch Punktmutationen inaktiviert wurde und diese zu einem Verlust der Benzaldehydemission führten. Beide inaktive Haplotypen können in Populationen rund um das Mittelmeer detektiert werden, was dafür spricht, dass die Mutationen auftraten, bevor sich die Art geografisch ausbreiten konnte. Diese Arbeit bestätigt, dass CNL1 ein sogenannter Hotspot für die Eliminierung der Benzaldehydemission ist, wie es schon von vorhergehenden Arbeiten angedeutet wurde. Im Gegensatz dazu verbleibt CNL1 in C. orientalis funktionsfähig. Um herauszufinden, ob bei dieser Art ähnliche Mechanismen der konvergenten Evolution zum Duftverlust führten, wurde ein QTL-Kartierungsansatz gewählt. Die Ergebnisse sprechen dafür, dass hier die Duftreduktion auf einem evolutionär anderen Weg erreicht wurde als in C. rubella, eventuell spiegelt dies wider, dass die Evolution von Blütenduft eher durch ökologische als genetische Faktoren angetrieben wird. Parallel zur Aufklärung der genetischen Basis von wiederholtem Duftverlust wurde eine Methode zum Testen des adaptiven Wertes einzelner Merkmale des Selbstungssyndromes etabliert. Diese Methode erlaubt es, Auskreuzungsraten mit einem hohen Probendurchsatz abzuschätzen, und es konnte gezeigt werden, dass sie erfolgreich Auskreuzungsereignisse detektiert, die von Insekten vermittelt wurden. Diese neue Methode bringt einige Vorteile gegenüber bisher angewandten Protokollen mit sich; sie ist wesentlich schneller und eine Vielzahl an Proben lässt sich mit deutlich geringerem Aufwand analysieren. Dies ermöglicht eine Korrelation der Auskreuzungsrate mit unterschiedlichen Merkmalen, indem, wie hier demonstriert, quasi-isogene Linien verwendet werden. Denkbar wäre auch eine Kombination mit anderen morphologischen oder ökologischen Parametern, um deren Einfluss auf die Auskreuzungsrate zu untersuchen. Konvergente Evolution kann nicht nur beim Duftverlust in der Gattung Capsella beobachtet werden, sondern auch bei der morphologischen Evolution der Petalengröße. Vorhergehende Studien fanden mehrere QTL, die der Reduktion der Petalengröße in C. rubella und C. orientalis unterliegen, manche von ihnen sind sogar in beiden Spezies zu finden. Einer der gemeinsamen QTL ist PAQTL1, der vielleicht auf NUBBIN zurückgeführt werden kann, einem Wachstumsfaktor. Um die morphologische Evolution und die genetische Grundlage der Reduktion der Petalengröße besser zu verstehen, soll dieser QTL weiter charakterisiert werden, da ihm eventuell ein Hotspot-Gen für die konvergente Evolution der Petalengröße unterliegen könnte. KW - Capsella KW - selfing syndrome KW - floral scent KW - outcrossing rate KW - benzaldehyde KW - CNL1 KW - Capsella KW - Selbstungssyndrom KW - Blütenduft KW - Auskreuzungsrate KW - Benzaldehyd KW - CNL1 Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-435253 ER -