Martin Hasselmann

Molekulare Charakterisierung des geschlechtsbestimmenden Locus der Honigbiene (Apis mellifera L.)

Kumulative Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 07.01.2004

Abstract
Im Verlauf dieser Arbeit wurde das Gen complementary sex determiner (csd) als primäres Signal der haplo-diploiden Geschlechtsbestimmung von Apis mellifera isoliert und molekular charakterisiert. Damit konnte erstmalig ein Beitrag zum Verständnis der komplementären Geschlechtsbestimmung auf molekularer Ebene geliefert werden. Die Isolierung erfolgte durch die schrittweise Annäherung an den Sex-Locus auf genomischer DNA-Ebene. Im Verlaufe dieser Positions-Klonierung wurden 70 kb der hoch instabilen Sex-Locus Region isoliert und durch die Etablierung von vier neuen, an den Sex-Locus gekoppelten Markern feinkartiert. Die funktionelle Analyse von csd mit der für die Honigbiene neu etablierten RNAi-Technik belegte den primären Signalcharakter von csd in der geschlechtsbestimmenden Regulationskaskade. csd-RNAi in genetisch weiblichen Eiern bewirkte die Entwicklung männlicher Gonaden, wohingegen in genetisch männlichen Eiern kein Effekt auf die Gonadendifferenzierung gefunden wurde. Erstmalig wurden geschlechtsbestimmende Allele von Apis mellifera isoliert und ihre DNA-Sequenz ermittelt. Durch die Analyse von synonymen und nichtsynonymen Nukleotidaustausche konnten Hinweise auf diversifizierende Selektion gefunden werden. Desweiteren wurde der Einfluß der Selektion an csd-Allelen auch im angrenzenden genomischen Bereich deutlich. So zeigten an csd gekoppelte selektiv neutrale Loci eine erhöhte Nukleotiddiversität, die jedoch mit größerer Distanz zu csd stark abnimmt ('hitchhike'-Effekt). Diese Abnahme ist durch die ungewöhnliche hohe Rekombinationsrate in der Sex- Locus Region erklärbar, welche mit Hilfe der Feinkartierungs-Strategie ermittelt wurde.

In the course of this work, the primary signal of haplo-diploid sex determination of Apis mellifera was isolated and molecularly characterized. This is the first contribution for understanding the complementary sex determination at molecular level. The sex-locus was narrowed down at genomic DNA level by a stepwise approach. By positional cloning, 70 kb of the highly unstable sex-locus region were isolated and fine-mapping was performed with four newly developed sex-locus linked markers. Functional analysis of csd with for the honey bee developed RNA-technique establishes that csd acts as the primary signal in the sex determining pathway. In genetic female eggs csd-RNAi resulted in male gonads, whereas in genetic males no effects in gonad differentiation were found. For the first time, sex determining alleles of Apis mellifera were isolated and the DNA-sequences were obtained. Analysis of synonymous and nonsynonymous substitutions indicate diversifying selection. Moreover, the influence of selection on csd-alleles was also detectable in the adjanced genomic region. Selective neutral loci linked to csd show an increased nucleotide diversity that rapidly decline with increasing distance to csd ('hitchhike'-effect). This decline can be explained by a high recombination rate in the sex-locus region, which was measured by fine scale-mapping.

Keywords:
Sex-Locus, haplo-diploide Geschlechtsbestimmung, Apis mellifera, Feinkartierung, csd, RNAi, Selektion, geschlechtsbestimmende Allele, Rekombination

sex-locus, haplo-diploid sex-determination, Apis mellifera, fine-mapping, csd, RNAi, selection, sex-determining alleles, recombination

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