Aufdeckung des regulatorischen Netzwerks, welches Hitzestress-Toleranz bei Kartoffelpflanzen vermittelt (Pot-HotNet)

• Antragstellerin: Privatdozentin Dr. Sophia Sonnewald
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 432435747

Die Kartoffel (Solanum tuberosum) gehört zu den wichtigsten Nutzpflanzen weltweit. Aufgrund ihrer vergleichsweise einfachen Kultivierung und des hohen Nährwerts der Kartoffelknollen steigt die weltweite Popularität. Allerdings haben bereits leicht erhöhte Temperaturen einen deutlich negativen Einfluss auf die Bildung, den Ertrag und die Qualität von Kartoffelknollen. Aufgrund der globalen Klimaerwärmung sind erhöhte Temperaturen auch während der Anbauphase in Mitteleuropa häufiger zu erwarten und die Entwicklung von „thermotoleranten“ Kultursorten ist essentiell um die Ertragsstabilität zu sichern. Das Verständnis der zugrunde liegenden molekularen Mechanismen bildet dafür die Grundlage. In vorangegangenen Studien haben wir die physiologischen, metabolischen und molekularen Veränderungen in einer hitzeempfindlichen Sorte analysiert und Prozesse identifiziert, die möglicherweise bei der Anpassung an erhöhte Temperaturen bedeutsam sind. Im Rahmen des vorschlagenen Projektes, möchten wir die Bandbreite der europäischen Kultursorten ausnutzen, um die molekularen Mechanismen und Netzwerke aufzudecken, die zur Hitzetoleranz führen. Dazu möchten wir 200 verschiedene Kultivare unter normalen (20° C) und erhöhten Temperaturen (30°C) anbauen und die phänotypischen, morphologischen und biochemischen Veränderungen aufnehmen, die die Grundlage für eine Einteilung der Sorten bilden. In Vorexperimenten hat sich gezeigt, dass ein starkes hitzebedingtes Streckunswachstum negativ mit dem Knollenertrag korreliert; ein einfach zu bestimmender Parameter, den wir für eine genomweite Assoziationsstudie (GWAS) benuzten möchten. Alle Sorten werden genotypisiert (GBS) um Allele zu identifizieren, die mit Hitzestresstoleranz assoziert sind. Bisher wurden solche Studien hauptsächlich in diploiden Pflanzen durchgeführt und wir möchten dieses Verfahren bei der tetraploiden Kartoffel anwenden und weiterentwicklen. Entsprechende bioinformatische Werkzeuge wurden bei uns etabliert. In einem Pilotexperiment mit 6 Testkultivaren haben wir eine ausreichende Sequenziertiefe und Sequenzvariabilität belegen können. Zusätzlich sollen die transkriptionellen Veränderungen beim Wachstum unter erhöhten Temperaturen von unterschiedlichen Kultivaren mittels RNA-Sequenzierung erfasst werden, um Gene zu identifzieren, die in empfindlichen und toleranten Sorten unterschiedlich exprimiert sind. Gleichzeitig ermöglichen uns die Daten zu untersuchen, ob und wie sich die Expression von Genen in den identifizierten Prozessen verändern. Die Transkriptomdaten werden zudem mit dem Genomdaten intergriert, um zu prüfen, inwiefern allelische Variation sich in einer veränderten Genexpression widerspiegelt und um die Zahl der Kandidatengene einzuengen. Mittels einer Netzwerkanalyse sollen die Genome-Trankriptom-Phenom-Interaktionen darstellt werden. Kandidatengene werden nachfolgend unabhängig überprüft und detailliert charakterisiert bzw. dienen der Entwicklung von molekularen Markern für Züchtungszwecke.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen