Simultaneous manipulation of source and sink metabolism for improved crop yield

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Ralph Bock; Professor Dr. Alisdair Fernie, Ph.D.; Professorin Dr. Doris Rentsch; Professor Dr. Lee Sweetlove
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 263774672

Der Ertrag von Nutzpflanzen wird wesentlich durch die Kapazität der metabolischen Netzwerke in verschiedenen Pflanzengeweben bestimmt. Entscheidend hierfür ist die Kapazität, anorganischen Kohlenstoff (CO2) und Stickstoff (z.B. Nitrat) zu assimilieren, aber auch die Kapazität die daraus produzierten Zucker und Aminosäuren in Sink-Organe (Knollen, Früchte oder Samen) zu transportieren und dort in Speicherstoffe einzubauen. Die Steigerung der Kapazität bzw. der Effizienz der metabolischen Reaktionen und Transportprozesse durch gezielte genetische Manipulationen ist von außerordentlichem Interesse in Züchtungsforschung und Landwirtschaft. Forschungsverbünde, die diesen Ansatz derzeit verfolgen, konzentrieren sich primär auf die Prozesse der Assimilation von Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N) in Source-Geweben. Theoretische und experimentelle Befunde zeigen jedoch, dass der Gesamtfluss an C und N in der Pflanze nicht nur vom Source-Gewebe sondern auch von der metabolischen Kapazität der Sink-Gewebe limitiert wird. Erhöht man einseitig die metabolische Kapazität der Source-Gewebe, wird das Ertragspotential schließlich durch die Transport- und Aufnahmekapazität im Sink-Gewebe bestimmt.Im vorgeschlagenen Projekt werden wir eine neuartige und systematische Strategie des metabolischen Engineerings anwenden. Dabei werden sowohl in Sink- als auch in Source-Organen geeignete metabolische Prozesse und gleichzeitig verschiedene Transportprozesse manipuliert mit dem Ziel, simultan mehrere Engpässe im Netzwerk zu beseitigen. Hierfür wird eine neue Technik (die kombinatorische biolistische Transformation) genutzt, mit welcher eine nahezu unbegrenzte Zahl an Genen stabil in einen einzigen Lokus integriert werden kann. Basierend auf Vorarbeiten und Literaturdaten wurden 18 Zielgene ausgewählt, die kombinatorisch in Tomatenpflanzen eingebracht werden sollen. Ca. 150-200 unabhängige transgene Linien werden erzeugt und auf erhöhten Fruchtertrag untersucht. Durch die hohe Anzahl der manipulierten Zielgene erwarten wir einen deutlichen Anstieg des Ertrags, im Unterschied zu früheren Experimenten in denen Einzelgene eingebracht oder nur Sink bzw. Source verändert wurden. Außerdem werden im Projekt Ansätze verfolgt, um (1.) zusätzliche metabolische Engpässe zu identifizieren (u.a. durch Vergleich der metabolischen Flüsse und der Enzymaktivitäten), (2.) Transporter zu identifizieren, die an der N-Speicherung in Früchten beteiligt sind, sowie (3.) basierend auf der Analyse von Introgressionslinien zusätzliche Allele zu finden, die den Ertrag und den N-Gehalt der Früchte beeinflussen. Dadurch sollen zusätzliche Zielgene identifiziert werden, die dann mittels Supertransformation in die ertragreichste kombinatorisch transformierte Linie eingebracht werden können, um zu ermitteln, inwieweit der Ertrag noch weiter gesteigert werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Brasilien, Großbritannien, Schweiz
• Kooperationspartner: Professor Dr. Zoran Nikoloski, Ph.D.; Professor Dr. Adriano Nunes Nesi
• Mitverantwortliche: Professor Dr. R. George Ratcliffe; Dr. Stephanie Ruf