ECOTHERM - Aufklärung des molekularen Mechanismus der pflanzlichen Temperaturwahrnehmung anhand von Untersuchungen der natürlichen Variation in der Hitzeschockantwort von Arabidopsis thaliana

• Antragsteller: Dr. Daniel Maag
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 416992417

Pflanzen reagieren auf kurzzeitig erhöhte Temperaturen mit einer konservierten Hitzeschockantwort (HSA), welche zum Erwerb einer vorübergehenden Thermotoleranz führt. Diese erworbene Thermotoleranz ermöglicht es Pflanzen einen nachfolgenden, extremeren Temperaturanstieg zu überleben, der für nicht akklimatisierte Pflanzen tödlich ist. Die HSA ist durch umfassende Veränderungen des pflanzlichen Stoffwechsels sowie des Transkriptoms gekennzeichnet und wird durch ein komplexes Netzwerk von Transkriptionsfaktoren reguliert. Von zentraler Bedeutung ist dabei die Aktivierung von Hitzeschocktranskriptionsfaktoren der Unterklasse A1 (HSFA1). Trotz der Tatsache, dass die HSA in Arabidopsis thaliana relativ gut auf molekularer Ebene charakterisiert werden konnte, ist unklar, wie der Anstieg der Umgebungstemperatur von der Pflanze wahrgenommen und wie dieses Signal in die Aktivierung von HSFA1 übersetzt wird. Darüber hinaus ist wenig bekannt über die natürliche Variation in der Temperaturantwort von A. thaliana sowie die ihr zugrunde liegenden Mechanismen.Unsere Vorarbeiten zeigen, dass verschiedene Ökotypen von A. thaliana sich hinsichtlich ihrer Fähigkeit Thermotoleranz zu erwerben unterscheiden. Darüber hinaus zeigte sich eine positive Korrelation zwischen der Überlebensrate der Keimlinge und dem gemessenen Raffinosegehalt nach Akklimatisierung. Aufgrund der Tatsache, dass die temperaturabhängige Raffinosesynthese ebenfalls durch HSFA1 reguliert wird, scheint diese einen geeigneten Marker für die Aktivierung der HSA darzustellen. Basierend auf diesen Vorarbeiten werden wir den temperaturabhängigen Anstieg des Raffinosegehalts nutzen, um (I) die genetische Architektur des HSFA1-abhängigen Signalweges und die Mechanismen, die seiner intraspezifischen Variation zugrunde liegen, aufzuklären, sowie um (II) sowohl Kandidatengene, die an der Temperaturwahrnehmung beteiligt sind, als auch bislang unbekannte Komponenten der HSFA1-abhängigen Signalweiterleitung mittels einer genomweitem Assoziationsstudie (GWAS) zu identifizieren. Dazu werden wir in einem ersten Schritt zunächst den temperaturabhängigen Anstieg verschiedener HSA-Marker in 100 Ökotypen charakterisieren. Dies wird gleichzeitig der Identifizierung extremer Ökotypen und gegebenenfalls der Anpassung der experimentellen Bedingungen für die Hochdurchsatzphänotypisierung im zweiten Schritt dienen. Die identifizierten extremen Ökotypen werden im Anschluss mittels lipidomics und RNAseq auf metabolischer sowie transkriptioneller Ebene charakterisiert, um so einen Einblick in die der intraspezifischen Variation zugrunde liegenden molekularen Mechanismen zu gewinnen. Im zweiten Schritt werden wir die Temperaturantwort von 1135 Arabidopsis Ökotypen, deren Genome kürzlich komplett sequenziert wurden, hinsichtlich eines Markers bestimmen. Die signifikantesten Kandidatengene aus der GWAS sollen im Anschluss bezüglich ihrer Funktion in der Temperaturwahrnehmung und dem Erwerb von Thermotoleranz untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Arthur Korte, Ph.D.