Aufdeckung des regulatorischen Netzwerks, welches Hitzestress-Toleranz bei Kartoffelpflanzen vermittelt (Pot-HotNet)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Kartoffel (Solanum tuberosum) ist eine der wichtigsten Kulturpflanzen weltweit. Aufgrund ihrer einfachen Kultivierung und des hohen Nährwerts der Knollen steigt ihre Popularität. Steigende Temperaturen bedrohen die Produktion und beeinträchtigen den Ertrag und die Qualität der Knollen. Daher ist es essentiell, hitzestresstolerante Sorten zu züchten, um Ertragsstabilität zu gewährleisten. Diese Aufgabe erfordert detailliertes Wissen und das Verständnis der zugrunde liegenden biologischen Prozesse und genregulatorischen Netzwerke. In diesem Projekt haben wir ein breites Spektrum europäischer Sorten untersucht, um die molekularen Mechanismen der Hitzetoleranz bzw. -anfälligkeit aufzudecken. Dazu wurden die morpho-physiologischen Veränderungen aufgrund erhöhter Temperaturen (30°C) von ca. 180 Kartoffelsorten erfasst. Die Ergebnisse bestätigten, dass Hitzestress Knollenwachstum und die Stärkeakkumulation beeinträchtigt, und zeigten, dass die hitzevermittelte Zunahme der Sprosslänge negativ mit dem Knollengewicht korreliert. Dabei gab es Unterschiede im Ausmaß der Reaktionen zwischen den Sorten. Um die zugrundeliegenden genetischen Unterschiede zu entschlüsseln, wurde eine genomweite Assoziationsstudie (GWAS) durchgeführt. Dafür wurden die genomische Information aller Sorten durch einen Genotyping-by-sequencing (GBS) Ansatz erfasst und eine Analyse-Pipeline für tetraploide Kartoffeln entwickelt. Etwa 20K Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs) wurden identifiziert und für GWAS genutzt. Es wurden mehrere QTL identifiziert, die mit hitzebedingten Veränderungen der Pflanzenhöhe, der oberirdischen Biomasseakkumulation und -verteilung sowie des Knollengewichts und des Stärkegehalts in Verbindung stehen. Zukünftig können diese zur Entwicklung molekularer Marker für die Züchtung stressresilienter Kartoffeln beitragen. Zwei kontrastierende Genotypen wurden ausgewählt, um genauer zu untersuchen, wie erhöhte Temperaturen Kartoffelpflanzen auf physiologischer, metabolischer und transkriptioneller Ebene beeinflussen. Die Untersuchungen ergaben, dass die anfällige Sorte (Cecile) ein stärkeres hitzebedingtes Sprosswachstum und einen deutlichen Rückgang der Photosynthese, sowie eine Aktivierung stressbezogener Gene und verfrühte Seneszenz aufwies. Diese Veränderungen wurden bei der toleranten Sorte (Solara) nicht oder weniger stark beobachtet. Die anfällige Sorte akkumulierte Salicylsäure und Ethylen, die wahrscheinlich zur Beeinträchtigung der Photosynthese und zur vorzeitigen Seneszenz beitragen. Infolgedessen verringert sich die Fitness der Pflanzen und die Entwicklung der Knollen und die Stärkebildung werden beeinträchtigt. Die tolerantere Sorte zeigte hingegen eine verstärkte Expression von Genen, die mit Hitzetoleranz assoziiert sind und akkumulierte Osmolyte. In laufenden und zukünftigen Arbeiten werden die Kandidatengene, die durch den genetischen Ansatz und die vergleichende Transkriptomstudie identifiziert wurden, verifiziert und weiter untersucht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Tuber and Tuberous Root Development. Annual Review of Plant Biology, 72(1), 551-580.
Zierer, Wolfgang; Rüscher, David; Sonnewald, Uwe & Sonnewald, Sophia
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Knollen unter Hitzestress, Zeitschrift Kartoffelbau 05/2023
Sonnewald S.
