Dimorphe Früchte, Samen und Keimlinge als Anpassung an abiotischen Stress bei wechselhaften Umweltbedingungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Gerhard Leubner; Dr. Ortrun Mittelsten Scheid; Professor Dr. Klaus Mummenhoff; Professor Dr. Stefan A. Rensing; Professor Dr. Eric Schranz; Professor Dr. Günter Theißen
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 243732593

Früchte und Samen, im folgenden als Diasporen zusammengefasst, ermöglichen höheren Pflanzen die Ausbreitung und Etablierung der Nachkommen. Ziel von SeedAdapt ist es, die Molekularbiologie von Frucht-, Samen- und Keimlingseigenschaften einjähriger Pflanzen in Anpassung an unvorhersehbare Umweltbedingungen zu erforschen. Obwohl diese Eigenschaften für Nahrungsqualität und -sicherheit äußerst wichtig sind und ganze Ökosysteme beeinflussen können, ist die molekulare Vielfalt der Anpassungsmechanismen bei abiotischer Stresseinwirkung nahezu unbekannt. Um diese Lücke zu schliessen, soll unser integratives Projekt das 'dimorphe Diasporensyndrom' einjähriger Pflanzen der Gattung Aethionema (Brassicaceae) erforschen. Einige Arten davon bilden zwei grundsätzlich verschiedene Typen von Diasporen auf ein und demselben Fruchtstand aus, offenbar als Strategie zur Risikostreuung. Das 'Samen-Diasporen Syndrom (SDS)' stellt den durch Arabidopsis vertretenen 'Normalfall' dar: Öffnungsfrüchte, die Samen mit geringer Dormanz verbreiten, welche bei Quellung verschleimen und mit der Wurzel voran auskeimen. Demgegenüber ist das 'Frucht-Diasporen Syndrom (FDS)' gekennzeichnet durch Schließfrüchte, die nicht-verschleimende Samen mit tiefer Dormanz umschliessen und bei denen die Keimblätter zuerst sichtbar werden. Wir werden zwei aufgrund ihrer Herkunft an unterschiedliche Klimata angepasste Aethionema arabicum Linien und ihre Reaktion auf abiotische Stressfaktoren während dreier empfindlicher Entwicklungsstadien vergleichen: (1) Samen- und Fruchtbildung, (2) Keimung, (3) Keimlingswachstum. Wir werden das Verhältnis von SDS zu FDS an den Fruchtständen der Elternpflanze, die Expression der für Fruchtöffnung zuständigen Gene und die Glukosinolatzusammensetzung in Abhängigkeit definierter Stressfaktoren in beiden Diasporentypen untersuchen. Weiterhin wollen wir Hormonom, Epigenom und Transkriptom erfassen, die der Dimorphie zugrunde liegen und ein 'Syndrom-Stress-Gedächtnis' bilden, das wir durch Stressphysiologie-Modellierung, Biomechanik und Wachstumsparameter der Keimlinge quantifizieren werden. Die Genomsequenz und eine RNA-Seq Bioinformatik-Pipeline für Ae. arabicum stehen zur Verfügung. Wir erwarten Informationen über differentiell exprimierte Gene und korrelierte epigenetische Marker. Damit können Analysen auch auf andere Aethionema Arten ausgeweitet und mittels Sequenzvergleich und reverser Genetik auf weitere Kultur- und Modellpflanzen angewandt werden. Ergänzend planen wir ein Mutanten-Screening und eine QTL-Analyse, um die Kopplung individueller SDS/FDS Merkmale zu untersuchen, sowie die Etablierung eines genetischen Transformationssystems für Aethionema. Diese umfassende Analyse der Regulation von Frucht-, Samen- und Keimlingsmerkmalen integriert innovative Technologien und komplementäre Expertise und bietet Gelegenheit, ein Wissenschaftsgebiet von größter Bedeutung für Ökologie, Evolution, Samenindustrie und Züchtungsforschung optimal zu bearbeiten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien, Niederlande, Österreich