Zellspezifische Umprogrammierung von Leguminosenwurzeln für die endosymbiontische Infektion

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Parniske
• Fachliche Zuordnung: Organismische Interaktionen, chemische Ökologie und Mikrobiome pflanzlicher Systeme ; Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 258665719

Die meisten Landpflanzen können arbuskuläre Mykorrhiza (AM), eine landwirtschaftlich wichtige Symbiose mit Pilzen eingehen, um ihre Mineral-und Wasserversorgung zu verbessern. Ein evolutiv altes Signaltransduktionsprogramm ermöglicht die Kolonisierung der Wurzel durch AM Pilze. Leguminosen nutzen dieses Programm um eine zusätzliche, intrazelluläre (Endo-) Symbiose mit stickstofffixierenden Bakterien zu initiieren. Die erfolgreiche Infektion beruht auf einem Zelldifferenzierungsprogramm, das der intrazellulären Aufnahme des mikrobiellen Partners dient. Obwohl eine Reihe symbiose-relevanter Gene durch genetische Ansätze identifiziert wurde, sind die genauen zellulären und molekularen Ereignisse, auf denen die bakterielle Besiedlung der Wurzel beruht, kaum verstanden. Das COME-IN Projekt wird sich auf Signaltransduktionsereignisse im Kern und die damit verbundene transkriptionelle Umprogrammierung während der bakteriellen Infektion konzentrieren. Mittels innovativer Lebendzellbeobachtung früher Infektionsstadien hat das Toulouse Team kernlokalisierte Kalziumoszillationen und zellspezifische Akkumulation des symbiontischen ERF-Transkriptionsfaktors (TF) ERN1 detektiert. COME-IN zielt durch die Weiterentwicklung solcher Technologien darauf ab, die räumlich-zeitliche Verbindung zwischen Kalziumozillationen und der Dynamik von TF-Akkumulation und -Konformation während der Infektion zu entschlüsseln. Wir werden uns auf zwei für die Infektion zentrale TFs, ERN1 und CYCLOPS, konzentrieren, wobei letzterer einen Komplex mit CCaMK, einem wichtigen Integrator der kernlokalisierten Kalziumsignale, bildet. Das Münchner Team hat beobachtet, dass die Transkriptionsaktivität und die Konformation des CYCLOPS Dimers phosphorylierungsabhängig ist. FRET- basierte Strategien sollen verwendet werden, um die Konformation von CYCLOPS-Dimeren in lebenden Zellen während der Infektion zu analysieren und diese mit Calcium- Oszillationen zu korrelieren. Desweiteren ist die durch den CYCLOPS Promoter determinierte Gewebelokalisierung entscheidend für den Erfolg der symbiotischen Entwicklung. Wir werden die cis und trans aktiven Faktoren identifizieren, die das komplexe Expressionsmuster von CYCLOPS bestimmen. Die INTACT (Isolation of Nuclei TAgged in specific Cell Types) Technologie soll eingesetzt werden, um gezielt auf die Subpopulation von Zellen zuzugreifen, die eine Neuprogrammierung durchlaufen. In Kombination mit RNA-Sequenzierung, sollen dann die Transkriptome erfasst werden, die speziell mit frühen Stadien der bakteriellen Infektion assoziiert sind. Die vergleichende Analyse der zellspezifischen Transkriptome von Wildtyp und infektionsdefekten Pflanzenmutanten wird die Identifizierung von Genen ermöglichen, die in direktem Zusammenhang mit der endosymbiontischen Infektion stehen und Abhängigkeit von ERN1 und CYCLOPS zeigen. Das COME-IN Projekt wird somit neue Einblicke in die zellulären Mechanismen der symbiontischen Wirtszellbesiedlung geben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Beteiligte Person: Dr. Fernanda de Carvalho-Niebel