Zu einem Verständnis der Funktion und Regulation von Heterochromatin während der reproduktiven Phase von Mais und deren Nutzung für die Entwicklung von neuen Pflanzenzüchtungsstrategien

• Antragsteller: Professor Dr. Arp Schnittger
• Fachliche Zuordnung: Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406919596

Der Genotyp, d.h. die Sequenzinformation des Genoms, sowie die Chromatinumgebung (Epigenom) bestimmen den Phänotyp eines Organismus. Die Untersuchung des Epigenoms ist somit von großem Interesse für die Grundlagenforschung sowie die angewandte Forschung. Die bezüglich des Epigenoms am besten untersuchte Pflanze ist Arabidopsis. Allerdings ist sie wegen ihrer kleinen Genomgrösse und der geringen Zahl an repetetiven Elementen eher eine genomische Ausnahme. Darüber hinaus verursacht eine Änderung des Epigenoms in Mais z.T. starke entwicklungsbiologische Veränderungen, während Arabidopsis recht unempfindlich gegenüber epigenetischer Instabilität zu sein scheint. Die Kontrolle der reproduktiven Lebensphase in Pflanzen ist von zentraler Wichtigkeit für die Züchtung und den Ertrag und somit für die Nahrungssicherheit. Dennoch wurden die Mechanismen, die die Dynamik und Funktion des Epigenoms während der Fortpflanzung kontrollieren in Nutzpflanzen bisher nur wenig untersucht. Wir, sowie andere Labore, haben jedoch Hinweise gefunden, dass insbesondere das Heterochromatin, das den Großteil der repetitiven Elemente des Genoms ausmacht, eine wichtige Rolle bei der pflanzlichen Fortpflanzung spielt. Dies wird besonders deutlich in Arten mit komplexen Genomen, in denen der Verlust oder die Einschränkung von Enzymaktivitäten, die den Aufbau des Heterochromatins kontrollieren, Änderungen beim Fortpflanzungsprozess bewirken, z.B. Veränderungen in der Meiose bzw. eine Tendenz zu apomiktischem Verhalten verursachen. Gerade das kontrollierte Einleiten von Apomixis ist dabei ein allgemein anerkanntes aber noch nicht realisiertes Ziel in der Pflanzenforschung. Wir postulieren, dass Heterochromatin als ein Stabilisator des Fortpflanzungsprozesses wirkt und dass eine Änderung des Heterochromatins zu einem veränderten Fortpflanzungsverhalten führen kann, was ein großes Potential für die Pflanzenzüchtung birgt. Unser Forschungsziel ist die Rolle und Regulation des Heterochromatins während der Reproduktion zu ermitteln, wobei wir Mais als Untersuchungsobjekt nutzen. Zwei Aspekte der Fortpflanzung werden wir dabei besonders beleuchten: die meiotische Rekombination und die frühe Embryogenese im Hinblick auf die Fähigkeit zur klonalen Vermehrung. Mais ist eine der Hauptnutzpflanzen weltweit und ein sehr gutes Modell, um die Interaktion zwischen Genetik und Epigenetik zu untersuchen. Unser Projekt basiert auf einer Sammlung von Maismutanten, die in der Heterochromatinstruktur verändert sind, und die wir in unseren Vorarbeiten isoliert haben. Dazu haben die Partner dieses Projektes neue Methoden entwickelt, die es ermöglichen die epigenetische Struktur in lebenden Zellen zu untersuchen. In diesem Projekt bündeln wir diese Vorarbeiten und die Expertisen der Partner, um die funktionale Bedeutung der Heterochromatinstruktur für das Ergebnis des Fortpflanzungsprozesses zu ermitteln und daraus neue Methoden für die Pflanzenzüchtung entwickeln zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Privatdozent Daniel Grimanelli, Ph.D.