Charakterisierung der Antwort auf circadianen Stress in Arabidopsis thaliana
Pflanzenphysiologie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Projekt „Charakterisierung von circadianem Stress in Arabidopsis thaliana“ wurde eine neue Art von abiotischem Stress in Pflanzen untersucht. Dieser Stress wurde bei der Antragstellung als „circadianer Stress“ bezeichnet, aber später in „photoperiodischen Stress“ umbenannt. Photoperiodischer Stress wird durch eine Verlängerung der Lichtperiode induziert und tritt erstmals während der folgenden Dunkelperiode auf. Durch den Stress wird ein charakteristisches Set von Stressgenen aktiviert, die Konzentration von Stresshormonen steigt an, es werden vermehrt reaktive Sauerstoffspezies (ROS) gebildet und am folgenden Tag kann in der Folge von starkem Stress Zelltod im Blattgewebe auftreten. Das Projekt war in drei Abschnitte eingeteilt, in denen (i) eine grundsätzliche Charakterisierung von Parametern, die bei photoperiodischem Stress eine Rolle spielen, vorgenommen werden sollte, (ii) die besondere Rolle des Hormons Jasmonsäure in der Stressantwort untersucht werden sollte, und (iii) durch Transkriptomanalyse und die Isolierung von Suppressormutanten ein Zugang zum Signalweg gefunden werden sollte. Die Hauptergebnisse sind in diesem Bericht zusammengefasst. In ersten Untersuchungen wurde die Stresswirkung in Abhängigkeit vom Pflanzenalter und in verschiedenen Geweben beschrieben. Die Analyse der notwendigen Lichtmenge für eine Stresswirkung und genetische Analysen zeigte überraschenderweise eine wichtige Rolle der Chloroplasten bei photoperiodischem Stress. Ferner haben der Lichtrezeptoren CRY2 und in geringerem Maße phyB wichtige Funktionen. Die Stressinduktion ist also von zwei verschiedenen Lichtsignalwegen abhängig. In der Wurzel gebildetes Cytokinin schützt vor photoperiodischem Stress, Auxin hingegen fördert ihn. Vorergebnisse, die eine besonders wichtige Rolle von Jasmonat belegten, wurden durch eine breit angelegte Analyse von Mutanten der Jasmonatsynthese und -wirkung widerlegt. Eine unabhängige zweite Mutation in der Jasmonatsynthesemutante jar1-1 war die Ursache für die ursprüngliche gefundene Stressresistenz dieser Mutante. Weitere Hormonmessungen und Transkriptomanalysen zeigten hingegen, dass ein wichtiger Teil der Stressantwort von Salicylsäure abhängig ist. Das Signalprotein NPR1 ist für die Vermittlung der Folgen von photoperiodischem Stress essenziell. Ferner zeigten die Transkriptomanalysen eine große Ähnlichkeit der Reaktion auf photoperiodischen Stress mit der Antwort auf Pathogenbefall auf. Mit photoperiodischem Stress vorbehandelte Pflanzen waren resistenter gegen nachfolgenden Pathogenbefall. Dies eröffnet die Möglichkeit, eine Behandlung mit photoperiodischem Stress zum Pflanzenschutz in Gewächshauskulturen anzuwenden. In genetischen Screens wurden in besonders stresssensitiven Genotypen Suppressormutanten isoliert und vorläufig charakterisiert. Die relevanten Genloci konnten jedoch aus zeitlichen Gründen nicht mehr isoliert werden. Zusammengenommen erfolgte im Rahmen dieses Projektes eine vertiefende Analyse der molekularen und genetischen Mechanismen, die bei der Antwort auf photoperiodischen Stress beteiligt sind. So konnte insgesamt zu einem besseren Verständnis dieses neuartigen abiotischen Stress-Syndroms beigetragen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Cytokinin action in response to abiotic and biotic stresses in plants. Plant, Cell & Environment, 42(3), 998-1018.
Cortleven, Anne; Leuendorf, Jan Erik; Frank, Manuel; Pezzetta, Daniela; Bolt, Sylvia & Schmülling, Thomas
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The involvement of phytohormones, tissue and age in the response to photoperiod stress in Arabidopsis thaliana. Doctoral thesis, Freie Universität Berlin
Frank, M.
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Light acts as a stressor and influences abiotic and biotic stress responses in plants. Plant, Cell & Environment, 44(3), 645-664.
Roeber, Venja M.; Bajaj, Ishita; Rohde, Mareike; Schmülling, Thomas & Cortleven, Anne
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Photoperiod stress induces an oxidative burst-like response and is associated with increased apoplastic peroxidase and decreased catalase activities. Journal of Plant Physiology, 253, 153252.
Abuelsoud, Walid; Cortleven, Anne & Schmülling, Thomas
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Root‐derived trans ‐zeatin cytokinin protects Arabidopsis plants against photoperiod stress. Plant, Cell & Environment, 43(11), 2637-2649.
Frank, Manuel; Cortleven, Anne; Novák, Ondřej & Schmülling, Thomas
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Photoperiod Stress in Arabidopsis thaliana Induces a Transcriptional Response Resembling That of Pathogen Infection. Frontiers in Plant Science, 13.
Cortleven, Anne; Roeber, Venja M.; Frank, Manuel; Bertels, Jonas; Lortzing, Vivien; Beemster, Gerrit T. S. & Schmülling, Thomas
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The Photoperiod Stress Response in Arabidopsis thaliana Depends on Auxin Acting as an Antagonist to the Protectant Cytokinin. International Journal of Molecular Sciences, 23(6), 2936.
Frank, Manuel; Cortleven, Anne; Pěnčík, Aleš; Novak, Ondrej & Schmülling, Thomas
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The Photoperiod: Handling and Causing Stress in Plants. Frontiers in Plant Science, 12.
Roeber, Venja M.; Schmülling, Thomas & Cortleven, Anne
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Factors affecting photoperiod stress: light quality and quantity, flowering pathway, and natural genetic background of Arabidopsis thaliana. Doctoral thesis, Freie Universität Berlin
Bajaj Hengge, I.
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Plastid- and photoreceptor-dependent signaling is required for the response to photoperiod stress. Journal of Plant Physiology, 306, 154429.
Bajaj Hengge, Ishita; Cortleven, Anne & Schmülling, Thomas
