Entschlüsselung transkriptioneller und molekular morpho-dynamischer Mechanismen zur Kontrolle intrazellulärer Infektionen von Rhizobien

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Ott
• Fachliche Zuordnung: Organismische Interaktionen, chemische Ökologie und Mikrobiome pflanzlicher Systeme ; Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431626755

Die Rhizobien-Leguminosen-Symbiose zählt zu einer der höchstentwickelten Interaktionen zwischen Mikroorganismen und Pflanzen. Sie umfasst essentielle Schritte wie die molekulare Wahrnehmung des Partners, die Infektion des Wirtes mittels sogenannter Infektionsschläuche und die Freisetzung von Rhizobien in der finalen Wirtszelle in Wurzelknöllchen. Dabei ist vor allem der Prozess der Freisetzung der Bakterien weitestgehend unverstanden. Diese Prozesse erfordern ein Höchstmaß an transkriptioneller Reprogrammierung und die dynamische Ausbildung neuer morphologischer Muster. Dazu gehören die Neubildung von Membranen wie der sogenannten Peribakteroidmembran (PBM). Eine detaillierte Analyse transkriptioneller, molekularer und zellulärer Muster während dieser essentiellen Schritte ist entscheidend, um die komplexen Regulationsnetzwerke, die die Rhizobien-Wirts Interaktion und final die symbiotische Stickstofffixierung regulieren, im Ganzen zu verstehen. In Vorarbeiten konnte die Arbeitsgruppe Ott zeigen, dass das Remorin SYMREM1 mit Rezeptoren, die bakterielle Nod Faktoren wahrnehmen, interagiert und in der Leguminose Medicago truncatula in die Aufnahme der Rhizobien, das Wachstum des Infektionsschlauchs und die intrazelluläre Freisetzung der Bakterien involviert ist. Die Arbeitsgruppe Li identifizierte das orthologe GmSYMREM1 Gen in Glycine max und bestätigte reziprok die Interaktion mit den entsprechenden Nod Faktor Rezeptoren NFR1α/5α. In einem gemeinsamen Projekt können beide Gruppen nun zeigen, dass die Rhizobien-vermittelte Induktion von GmSYMREM1 durch das miR172-NNC1 Modul reguliert wird. Zusammengefasst zeigen diese Daten, dass Medicago und Soja, die entsprechend indeterminierte und determinierte Knöllchen ausbilden, vermutlich konservierte Mechanismen für die intrazellulären Aufnahme von Rhizobien benutzen. Im Rahmen dieses Projekts werden wir 1) unserer zur Analyse der transkriptionellen Regulation von SYMREM1 ausbauen und finalisieren, 2) komplementäre Ansätze wie ChIPseq und Promoterevolution benutzen, um neue Regulatoren zu identifizieren, 3) Strategien anpassen, um epigenetische Muster, die die Spezialisierung infizierter Zellen vermitteln, auf Einzelzellebene zu analysieren, 4) neu charakterisierte Promotoren benutzen, um synthetische Schalter, die ein präzises Ansteuern der PBM erlauben, herzustellen, und deren Regulation verstehen, 5) morpho-dynamische Prozesse mit ultra-struktureller Auflösung mittels korrelativer Mikroskopie untersuchen und so entscheidende Schritte der bakteriellen Freisetzung im Detail verstehen. Dieses Projekt wird entscheidend zum Verständnis der intrazellulären Kolonisierung von Wirtszellen beitragen, da wir generelle Mechanismen der PBM Spezialisierung, der bakteriellen Freisetzung und der Wirtszelldifferenzierung in indeterminierten und determinierten Wurzelknöllchen analysieren werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartnerin: Professorin Dr. Xia Li