Wechselwirkungen von Hormonen und Zwei-Komponenten Signalsystem (TCS) - regulatorische Determinanten der Differenzierung von Transfergeweben in Gerste

• Antragsteller: Dr. Johannes Thiel
• Fachliche Zuordnung: Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen ; Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 349455999

In Kulturpflanzen hat die Versorgung reproduktiver Organe mit Assimilaten starken Einfluss auf den Ertrag und beeinflusst in Getreiden Kornzahl und Korngröße. Die Entwicklung des Ährenmeristems und die nachfolgende Kornentwicklung sind verbunden mit der Differenzierung von spezialisierten Transfergeweben. Transfergewebe differenzieren in den sich entwickelnden Ähren, in den maternalen Kornteilen und schließlich im Endosperm, wo sie für die Versorgung des sich füllenden Korns verantwortlich sind. Die Entwicklung der unterschiedlichen Transfergewebe unterliegt spezifischen molekularen Mechanismen, deren Aufklärung eine grundlegende Voraussetzung für die Verbesserung des Ertragspotenzials ist. Mit Hilfe gewebespezifischer Transkriptom-Sequenzierungsansätze (454-, Illumina-Sequenzierung) wurde das Zwei-Komponenten Signalsystem (TCS) als essentieller Signaltransduktionsweg in endospermalen Transferzellen (ETCs) des Gerstenkorns identifiziert. ETC-spezifische Ko-expressionscluster und der Nachweis spezifischer Proteininteraktionen weisen auf eine koordinierte Funktion dieser Signalkomponeten in definierten Phosphorylierungsketten hin, die möglicherweise Zellidentität und weitere Differenzierungsprozesse von ETCs und Endosperm regulieren. Die hormonabhängige Transkription ausgewählter TCS-Elemente sowie weitere Korrelationsanalysen geben Hinweise auf Wechselwirkungen zwischen TCS-Phosphorelays und ABA/Ethylen während der ETC-Differenzierung. Transgene Gerstenlinien mit RNAi-vermittelter Suppression der Expression einer Histidinkinase (HvHK1) zeigen Störungen der ETC- und Endospermdifferenzierung. Im mittleren Bereich der Transferzellen sind die charakteristischen Zellwand-Einwüchse wenig ausgeprägt, die Körner enthalten weniger Stärke und sind kleiner. Gewebespezifische RNA-seq Analysen der veränderten ETC-Region sind geplant, um regulatorische Netzwerke zu identifizieren, die von HvHK1 reguliert werden. Die TALEN-induzierte Modifikation des Typ-C Responseregulators RR15 oder verwandter Genkopien führt zu einer deutlichen Beeinträchtigung der Endospermentwicklung mit einer starken Einfurchung im zentralen Bereich und einer abnormen Entwicklung des Aleurons in den Flügeln des Endosperm. Detaillierte histologische und molekulare Analysen sollen den interessanten Phänotyp weiter spezifizieren. Durch umfassende gewebespezifische Expressionsanalysen wurden neue Kandidatengene der Phosphorylierungsketten definiert, die hauptsächlich im Hauptleitbündel des Korns und in der Vaskulatur der sich entwickelnden Ähre exprimiert werden. Die Anwendung der CRISPR/CAS9-Technologie ist geplant, um die Funktion der Kandidatengene in der Pflanze aufzuklären.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen