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Funktionelle Charakterisierung des lateralrootless 1 Gens von Mais

Fachliche Zuordnung Genetik und Genomik der Pflanzen
Pflanzenzüchtung, Pflanzenpathologie
Förderung Förderung von 2016 bis 2023
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 317530843
 
Erstellungsjahr 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Seitenwurzeln vergrößern die absorbierende Oberfläche des Wurzelsystems von Getreiden erheblich. Bei Mais (Zea mays L.) werden Seitenwurzeln von Phloempol-Perizykelzellen gebildet. Die Mais-Mutante lateralrootless 1 (lrt1) bildet keine Seitenwurzeln in Primär- und Seminalwurzeln. Das übergeordnete Ziel dieses Projekts war die Klonierung und Charakterisierung des lrt1-Gens. Wir klonierten das lrt1-Gen durch Kartierung in Kombination mit Bulk Segregant Analysis- Sequencing (BSA-seq) und anschließender Validierung durch CRISPR/Cas9. Das lrt1-Gen kodiert ein Homolog von DDB1-CUL4-ASSOCIATED FACTOR (DCAF), einer Untereinheit des CUL4-basierten E3-Ubiquitin-Ligase-Komplexes (CRL4), der im Zellkern lokalisiert ist. DCAF-Proteine binden Substratproteine und sorgen für deren Ubiquitinierung. Dadurch werden sie für den anschließenden Abbau im 26S-Proteasom markiert. Das lrt1-Gen wird bevorzugt in der meristematischen Zone aller Wurzeltypen exprimiert. Genetische Analysen zeigten, dass lrt1 oberhalb des Seitenwurzelgens rum1 wirkt. Vorteilhafte Wechselwirkungen zwischen Pflanzenwurzeln und Mikroorganismen der Rhizosphäre sind für die Fitness der Pflanzen entscheidend. Wir konnten nachweisen, dass von Wurzeln abgegebene Flavone die Anreicherung von Bakterien des Taxons Oxalobacteraceae in der Rhizosphäre fördern, die wiederum das Wachstum und die Stickstoffaufnahme von Mais unterstützen und dass dieser Prozess durch LRT1 vermittelte Bildung von Lateralwurzeln koordiniert wird. Wir konnten damit erstmals die genetische Grundlage der wechselseitigen Interaktionen zwischen Wurzelarchitektur und spezifischen mikrobiellen Taxa in der Rhizosphäre aufklären, die zu einer verbesserten Pflanzenleistung führen. Darüber hinaus untersuchten wir die transkriptomischen Netzwerke von Xylem- und Phloempol-Perizykelzellen in Mais während der frühen Stadien der Seitenwurzelentwicklung, indem wir die Isolierung dieser Zellen mittels Laser Capture Microdissction (LCM) mit zelltypspezifischen RNAseq-Experimenten in Wildtyp- und lrt1-Wurzeln kombinierten. In einer gewichteten Gen-Koexpressions-Netzwerkanalyse (WGCNA) in Kombination mit einer Anreicherungsanalyse von Transkriptionsfaktor-Familien war die ERF-Familie (ETHYLENE RESPONSE FACTOR) die einzige Transkriptionsfaktor-Familie, die deutlich überrepräsentiert war. Vier der sechs Mitglieder dieser Familie waren in Phloempol-Perizykelzellen des 3. Stadiums von Wildtyp-Primärwurzeln signifikant hochreguliert. Um die Rolle dieser Ethylen-Response-Faktoren bei der Bildung von Seitenwurzeln zu untersuchen, erzeugten wir mittels CRISPR/Cas9 Mutanten von zwei dieser Ethylen-Response-Faktor-Gene und konnten zeigen, dass die Dichte der Seitenwurzeln bei beiden Mutanten im Vergleich zum Wildtyp deutlich reduziert war. Schließlich knüpften wir an frühere Arbeiten an, die zeigten, dass der arbuskuläre Mykorrhizapilz (AMF) Glomus mosseae die Bildung von Seitenwurzeln in der lrt1-Mutante induzieren kann, und führten eine RNAseq-Analyse durch, bei der wir mit diesem AMF behandelte Primärwurzeln der lrt1-Mutante mit unbehandelten Wurzeln verglichen. Wir konnten nachweisen, dass fünf von sechs Mais ERF Genen durch diesen Pilz induziert wurden, was darauf hindeutet, dass diese Pilze in der Lage sind, Ethylen-Response-Factor-Gene in der lrt1- Mutante zu induzieren und damit zur Bildung von Seitenwurzeln beizutragen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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