Identifizierung von transkriptionelle Regulatoren des Pflanzenionoms

• Antragsteller: Dr. Ricardo F.H. Giehl
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie ; Pflanzenbau, Pflanzenernährung, Agrartechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 411711475

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der Gehalt von mehreren Elementen in Pflanzengeweben (Ionom) ist eine wichtige Determinante für das Pflanzenwachstum und die Toleranz gegenüber einer Reihe von biotischen und abiotischen Stressfaktoren. Abgesehen von der Verfügbarkeit von mineralischen Elementen im Boden, definieren mehrere Prozesse in Pflanzen, einschließlich der Mobilisierung, Aufnahme und Translokation, das Ionom einer Pflanze während ihrer Entwicklung. Obwohl Transporter für die meisten relevanten anorganischen Ionen identifiziert und charakterisiert wurden, ist viel weniger über die regulatorischen Module bekannt, die die Akkumulation von Nährstoffen und Spurenelementen in Pflanzen regulieren. Ziel dieses Projekts war es, in der Modellpflanzen Arabidopsis thaliana neuer Regulatoren der Nährstoffakkumulation zu identifizieren und charakterisieren. Mehrere Mutanten mit veränderter Akkumulation eines oder mehrerer Elemente wurden identifiziert. Eine dieser Mutanten war itpk1, das doppelt so hohe Konzentrationen an Phosphor (P) in Sprossen akkumuliert wie Wildtyp-Pflanzen. Die Charakterisierung von ITPK1 zeigte, dass diese Inositol-Polyphosphat-Kinase entscheidend für die Aufrechterhaltung einer ungestörten P- Akkumulation in Pflanzen ist. Es wurde entdeckt, dass der ionomische Phänotyp mit der ITPK1-Funktion bei der P-abhängigen Synthese der Inositol-Pyrophosphate 5-InsP7 und InsP8 und mit der Aktivität der Transkriptionsfaktoren PHR1 und PHL1 verbunden ist. Es wurde weiterhin gezeigt, dass ITPK1 bei ausreichender P-Versorgung und hoch ATP- Konzentrationen InsP6 in 5-InsP7 umwandelt, während bei niedrigem ATP ITPK1 zu einer ADP- Phosphotransferase wird, die spezifisch 5-InsP7 dephosphoryliert. Neben ITPK1 war auch der Transkriptionsfaktor NGATHA-LIKE 1 (NGAL1) als ein Regulator der P-Akkumulation identifiziert. Jedoch reicherten ngal1 Mutanten nicht nur P sondern auch höhere Konzentrationen an Kalium (K) an. Eine Transkriptomanalyse ergab, dass viele P- und insbesondere K-Transporter Genen in den Wurzeln der ngal1-Mutante dereguliert sind, was darauf hindeutet, dass NGAL1 ein negativer Regulator ihrer Expression ist. Auf der Entwicklungsebene wurde festgestellt, dass NGAL1 das Wurzelwachstum bei niedrigem P, aber nicht bei niedrigem K beeinflusst. Wenn externe P niedrig ist P, führt der Verlust von NGAL1 zu einer erhöhten Eisen-Akkumulation im apikalen Wurzelmeristem. Diese Reaktion fiel stark mit ektopischer Callose-Ablagerung in Columella-Zellen und schwerer Desorganisation der Stammzellnische zusammen. Eine Transkriptomanalyse ergab, dass mehrere Gene im Zusammenhang mit Eisen-Homöostase und der Aufrechterhaltung der Wurzelstammzellnische in ngal1-Wurzeln dereguliert sind. Diese Ergebnisse zeigen, dass NGAL1 einen positiven Regulator eines Mechanismus darstellt, der Wurzelmeristeme unter niedrigem P schützt. Im Rahmen des Projekts wurde schließlich eine Methode entwickelt, um das Ionom verschiedener Zellpopulationen von A. thaliana-Wurzeln zu bestimmen. Die neue Methode, die fluoreszenzaktivierte Zellsortierung und ICP-MS kombiniert, ermöglicht die Quantifizierung mehrerer Elemente in verschiedenen Zelltypen und die Untersuchung der Folgen gestörter Transportwege oder veränderter Nährstoffverfügbarkeiten mit hoher Zelltypauflösung. Zusammengefasst, enthüllten die Ergebnisse dieses Projekts neue Mechanismen, die das Pflanzenionom und die Entwicklungsreaktionen auf die Nährstoffverfügbarkeit regulieren.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Arabidopsis inositol polyphosphate kinases IPK1 and ITPK1 modulate crosstalk between SA-dependent immunity and phosphate-starvation responses. Plant Cell Reports, 41(2), 347-363.
  Gulabani, Hitika; Goswami, Krishnendu; Walia, Yashika; Roy, Abhisha; Noor, Jewel Jameeta; Ingole, Kishor D.; Kasera, Mritunjay; Laha, Debabrata; Giehl, Ricardo F. H.; Schaaf, Gabriel & Bhattacharjee, Saikat
  
• ITPK1 is an InsP6/ADP phosphotransferase that controls phosphate signaling in Arabidopsis. Molecular Plant, 14(11), 1864-1880.
  Riemer, Esther; Qiu, Danye; Laha, Debabrata; Harmel, Robert K.; Gaugler, Philipp; Gaugler, Verena; Frei, Michael; Hajirezaei, Mohammad-Reza; Laha, Nargis Parvin; Krusenbaum, Lukas; Schneider, Robin; Saiardi, Adolfo; Fiedler, Dorothea; Jessen, Henning J.; Schaaf, Gabriel & Giehl, Ricardo F.H.
  
• Metal crossroads in plants: modulation of nutrient acquisition and root development by essential trace metals. Journal of Experimental Botany, 73(6), 1751-1765.
  Lešková, Alexandra; Javot, Hélène & Giehl, Ricardo F. H.
  
• Arabidopsis PFA-DSP-Type Phosphohydrolases Target Specific Inositol Pyrophosphate Messengers. Biochemistry, 61(12), 1213-1227.
  Gaugler, Philipp; Schneider, Robin; Liu, Guizhen; Qiu, Danye; Weber, Jonathan; Schmid, Jochen; Jork, Nikolaus; Häner, Markus; Ritter, Kevin; Fernández-Rebollo, Nicolás; Giehl, Ricardo F. H.; Trung, Minh Nguyen; Yadav, Ranjana; Fiedler, Dorothea; Gaugler, Verena; Jessen, Henning J.; Schaaf, Gabriel & Laha, Debabrata
  
• INOSITOL (1,3,4) TRIPHOSPHATE 5/6 KINASE1-dependent inositol polyphosphates regulate auxin responses in Arabidopsis. Plant Physiology, 190(4), 2722-2738.
  Laha, Nargis Parvin; Giehl, Ricardo F H; Riemer, Esther; Qiu, Danye; Pullagurla, Naga Jyothi; Schneider, Robin; Dhir, Yashika Walia; Yadav, Ranjana; Mihiret, Yeshambel Emewodih; Gaugler, Philipp; Gaugler, Verena; Mao, Haibin; Zheng, Ning; von Wirén, Nicolaus; Saiardi, Adolfo; Bhattacharjee, Saikat; Jessen, Henning J; Laha, Debabrata & Schaaf, Gabriel
  
• Involvement of NGATHA-Like 1 Transcription Factor in Boron Transport under Low and High Boron Conditions. Plant and Cell Physiology, 63(9), 1242-1252.
  Tsednee, Munkhtsetseg; Tanaka, Mayuki; Giehl, Ricardo Fh; von, Wirén Nicolaus & Fujiwara, Toru