Towards a molecular understanding of Aluminium genotoxicity for crop improvement

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Paul Larsen, Ph.D.; Professor Dr. Arp Schnittger; Professorin Dr. Iwona Szarejko; Professor Dr. Lieven De Veylder
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 263419178

Toxische Aluminiumkonzentrationen liegen weltweit auf mehr als 50 Prozent der Ackerflächen vor und führen zu Ertragseinbußen bei vielen Nutzpflanzen. Der auffälligste Effekt von Aluminium ist dabei eine Reduktion des Wurzelwachstums auf Böden mit einem saurem pH. Besonders empfindlich auf Aluminium regiert die Gerste, eines der bedeutendsten Getreide Europas und Nordamerikas sowie anderer Regionen in gemäßigten Breiten. Ertragseinbußen der Gerste von bis zu 30% wurden dabei in Zusammenhang mit einem reduzierten Wachstum auf sauren Böden gebracht. Aufgrund seiner komplexen Auswirkungen ist Aluminiumtoxizität in der Vergangenheit als unlösbares Problem bezeichnet worden. Die Vorarbeiten unseres Konsortiums in der Modelpflanze Arabidopsis thaliana konnten nun aber zeigen, dass die wachstumsinhibitorischen Effekte von Aluminium zu einem großen Teil auf die Aktivierung eines ATM AND RAD3-RELATED (ATR) abhängigen Signaltransduktionsweges zurückzuführen sind, der DNA-Schäden detektiert und daraufhin Zellproliferation blockt. Die Einsicht, dass Aluminium als Genotoxin agiert, eröffnet nun eine völlig neue Perspektive, die weitreichende Konsequenzen hat. In diesem Antrag wollen wir Arabidopsis und Gerste als Modelsysteme nutzen, um nun diesen neu entdeckten Effekt von Aluminium zu untersuchen. Dazu soll zuerst durch Pyrosequenzierungen die Art der von Aluminium verursachten DNA-Schäden bestimmt werden, vor allem da Aluminium scheinbar andere Konsequenzen hat als andere Mutagene wie zum Beispiel UV-B oder Starklicht. Durch eine Kombination aus genomweiten Transktriptionsuntersuchungen, Phylogenetik und phänotypischen Analysen zielen wir dann auf ein Verständnis des molekularen Regelwerkes, das dem Aluminium-induzierten Zellzyklusarrest zugrunde liegt. Dieser Ansatz wird vervollständigt durch die funktonalen Untersuchungen von verschiedenen Zellzkluskontrollfaktoren sowie durch die Phosphoproteomanalysen dieser Faktoren und einer Suppressormutagenese. Diese Verbindung aus Translation von Forschungsergebnissen aus Arabidopsis zu Gerste und primären Forschungsarbeiten in Gerste liefert dann die Möglichkeit, in Getreiden und anderen Nutzpflanzen Aluminiumtoleranz zu kreieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Belgien, Polen, USA