Oft kommen mehr Pollenkörner auf Narben an, als Eizellen zu befruchten sind, was zu Pollenkonkurrenz führt. Pollenkonkurrenz wurde mit Inzuchtvermeidung, sexueller Selektion, Verstärkung der Fortpflanzungsbarriere und Speziation in Verbindung gebracht. Die mathematische Modellierung der Pollenkonkurrenz ermöglicht es Forschern, Laborbefruchtungsexperimente in einem wesentlich größeren Maßstab zu simulieren. Ein neues Papier ist die zunächst Pollenkonkurrenz zu simulieren und Polleninterferenz als Eigenschaft des Befruchtungsprozesses hervortreten zu lassen.
Alex Capaldi, außerordentlicher Professor für Mathematik und Statistik an der Valparaiso University, und Co-Autoren erstellten ein mechanistisches agentenbasiertes Modell (ABM), um zu identifizieren und zu quantifizieren, welche Pollenleistungsmerkmale unterschiedliche Wettbewerbsergebnisse (z. B. Samenvererbungsanteil) verursachen und in welchem Umfang trägt bei. ABMs sind eine Art mathematisches Modell, das zeigt, wie Individuen (dh Pollenkörner) mit anderen Individuen und ihrer lokalen Umgebung interagieren.
„Das Verständnis, welche Merkmale bei der Pollenkonkurrenz am wichtigsten sind, kann genetische Studien darauf konzentrieren, Gene zu identifizieren, die zum größten Erfolg bei der Bestäubung führen“, erklärt Capaldi.
Das Modell wurde so konstruiert, dass es einen Stempel darstellt, wobei verschiedene Komponenten das Stigma, den Stil, den Übertragungstrakt, das Septum, den Eierstock und die Samenanlagen darstellen. Diese Komponenten wurden in Flecken zerlegt, denen jeweils eine Energiemenge und ein Lockstoff-/Abstoßungsindex zugeordnet war, der sich im Laufe der Zeit änderte.
Jedes Pollenkorn hatte einen Indikator, ob der Pollenschlauch gekeimt ist, einen Energiewert, eine Pollenschlauchlänge und einen Indikator, ob es eine Eizelle befruchtet hat. Auch diese Eigenschaften veränderten sich im Laufe der Zeit.
Die Autoren modellierten zwei Akzessionen von Arabidopsis thaliana, Columbia (Col) und Landsberg erecta (Ler), die zuvor demonstrierte nicht zufällige Paarung in Pollenwettbewerben. Jede Akzession erhielt unterschiedliche Pollenleistungsmerkmale, die aus der Literatur abgeleitet wurden. Diese enthielten:
- Energiemenge in jedem Pollenkörner
- Geschwindigkeit des Pollenschlauchwachstums
- Energiebedarf für das Pollenschlauchwachstum
- Energie, die benötigt wird, um eine Eizelle zu befruchten
Die Autoren kalibrierten das Modell auf zwei Größen: die mittleren Pollenschlauchlängen und die Verteilung der Pollenschlauchlängen während einzelner Beitrittsexperimente. Das Modell war in der Lage, im Durchschnitt ähnliche Werte vorherzusagen, wie sie in empirischen Studien gefunden wurden.
Das Modell wurde dann mit einer gleichen Anzahl von Pollenkörnern aus den beiden Akzessionen durchgeführt, um zu bestimmen, welche Merkmale für die Fähigkeit, mehr Samen als die konkurrierende Akzession zu zeugen, vorteilhaft waren. Pollenleistungsmerkmale, die die Bewegung und Richtung der Pollenschläuche beeinflussten, wie z. B. die Erkennung des Eizellenradius durch Chemoattraktoren, die Grenzen der Energieernte von Pollenkörnern und die Kosten für die Bewegung von Pollenkörnern, erwiesen sich als primäre Wettbewerbsfaktoren.
Um zu testen, ob sich die Interferenz der Pollenschläuche als wichtige Wettbewerbseigenschaft herausstellte, verglichen die Autoren die Längen der Ler-Pollenschläuche in Einzelakzessionsexperimenten mit den Längen der Ler-Pollenschläuche in Experimenten, in denen sie mit Col konkurrierten. Sie fanden heraus, dass die Ler-Pollenschläuche während der Konkurrenz kürzer waren Col, was darauf hinweist, dass die Polleninterferenz eine Eigenschaft der Pollenkonkurrenz ist. Dies wurde von a unterstützt früheren Studie was zeigt, dass das Vorhandensein von Col-Pollen das Wachstum von Ler-Pollenschläuchen verzögert.
Capaldi schlussfolgert: „Dies liefert uns ein nützliches Modell, um mit der Analyse der mechanistischen Aspekte der Polleninterferenz zu beginnen. Die Fähigkeit, Pollen während der Befruchtung als Population zu betrachten, verändert, was wir genetisch tun können, und kann Werkzeuge bereitstellen, die in der Zukunft bei der groß angelegten Befruchtung funktionieren. Dieser Prozess kann beispielsweise zu Technologien führen, die den Bau künstlicher Artenbarrieren ermöglichen.“
DER ARTIKEL::
Charlotte Beckford, Montana Ferita, Julie Fucarino, David C. Elzinga, Katherine Bassett, Ann L. Carlson, Robert Swanson, Alex Capaldi. in silico Plants, 2022, diac016, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac016
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