Validierung und funktionelle Charakterisierung von Kandidatengenen für Eisenstresstoleranz bei Reis (Oryza sativa L.)

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Frei
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenbau, Pflanzenernährung, Agrartechnik ; Pflanzenzüchtung, Pflanzenpathologie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 289427281

Eisentoxizität stellt ein häufiges Nährstoffungleichgewicht im überstauten Reisanbau dar, welches durch niedriges Redoxpotenzial im Boden verursacht wird. Die Aufnahme großer Mengen an reduziertem Eisen führt über die Fenton-Reaktion zu oxidativem Stress im Pflanzengewebe. Ziel dieses Projektes ist es, zur Züchtung von Reissorten beizutragen, die an Eisentoxizität angepasst sind, indem (i) Kandidatengene charakterisiert werden, die in vorausgegangen hydroponischen Genomkartierungsstudien identifiziert wurden, und (ii) ausgewählte mögliche Spendersorten für Toleranzgene in Feld- und Topfversuchen in Madagaskar getestet werden. Die Arbeitsgruppe des Antragstellers führte bereits mehrere Studien zur Identifikation von QTL (quantitative trait loci) mittels Kreuzungspopulationen, sowie eine genomweite Assoziationskartierung durch. Innerhalb der identifizierten Eisentoleranzloki wurden anhand der der chromosomalen Position, der Gen-Annotation, sowie vorläufiger physiologischer Experimente fünf Kandidatengene nominiert. Potentielle Knockout- und Überexpressionsmutanten für diese Gene wurden von öffentlichen Genbanken akquiriert und sollen im Rahmen des Projektes hinsichtlich ihrer Eisentoleranz in Nährlösungsversuchen getestet werden. Bewertung von Toleranz oder Sensitivität soll routinemäßig durch Messung von Blattsymptom- und Biomassebildung, Lipidperoxidation und Eisenkonzentrationen im Pflanzengewebe erfolgen. Zusätzlichen sollen spezifische physiologische Hypothesen getestet werden, die dem jeweiligen Kandidatengen zugrunde liegen, und natürlich auftretende Polymorphismen in der Sequenz der Kandidatengene bestimmt werden. Um darüber hinaus die vielversprechendsten Kandidatengene in variablem genetischem Hintergrund testen zu können, sollen Transformationsvektoren konstruiert werden, die sich für Überexpressionsstudien mit konstitutivem Promoter, oder Gen-Knockout mittels eines CRISPR/cas9 Genomeditingverfahrens eignen. Diese molekularbiologischen Untersuchungen sollen durch agronomische Versuche ergänzt werden, in deren Rahmen ausgewählte Genotypen aus den ursprünglich verwendeten Mapping-Populationen unter natürlichen oder semi-natürlichen Umweltbedingungen in Madagaskar getestet werden. Feld- und Topfversuche mit eisentoxischem Boden im Gewächshaus sollen insgesamt 25 Genotypen umfassen, die unter eisentoxischen Bedingungen entweder ohne Düngung oder mit Düngung entsprechend der Empfehlung der lokalen Agrarforschungsinstitutionen getestet werden. Stresstoleranz / Sensitivität soll anhand der Bildung von Blattsymptomen, der Biomasse- und Ertragsbildung, Messung von Eisenkonzentrationen, sowie physiologischer Untersuchungen hinsichtlich der Redoxhomöostase im Blattgewebe untersucht werden. Diese Untersuchungen werden insgesamt zu einer umfassenden Charakterisierung der Allelvarianten von Kandidatengenen für Eisenstresstoleranz bei Reis führen, die für die markergestützte Selektion von eisenstresstoleranten Reissorten verwendet werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen