Molekulare Mechanismen der Seminalwurzelbildung während der Domestikation und Verbesserung von Mais

• Antragsteller: Professor Dr. Frank Hochholdinger
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenzüchtung, Pflanzenpathologie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 439906817

Pflanzenwurzeln sind ein Schlüssel zur globalen Ernährungssicherung, weil sie fast alle mineralischen Nährstoffe, die von Menschen durch die Nahrung aufgenommen werden aus dem Boden extrahieren. Getreide haben ausgeklügelte dreidimensionale Wurzelsysteme entwickelt, die aus verschiedenen Wurzeltypen aufgebaut sind und die ihre Architektur im Laufe der Entwicklung kontinuierlich an die äußeren Bedingungen anpassen können. Das junge Wurzelsystem von Mais besteht aus einer Primärwurzel und einer variablen Zahl von Seminalwurzeln, die am Skutellarknoten gebildet werden. Seminalwurzeln sind eine neue Innovation von Mais, die in der nahe verwandten Art Sorghum nicht vorkommt. Sie erleichtern die Extraktion von mineralischen Nährstoffen und Wasser aus den oberen Schichten des Bodens und sind wichtig für die Vitalität der jungen Pflanzen. Das Auftreten der Seminalwurzeln und die Erhöhung ihrer Zahl ist die wichtigste Innovation im unterirdischen Teil der Pflanze während der Domestikation von Mais aus seinem Vorläufer Teosinte.In Vorarbeiten habe wir die 2444 Mais Inzuchtlinien der US Ames Sammlung phänotypisiert, die im Durchschnitt vier Seminalwurzeln bilden. Wir beobachteten eine beträchtliche Variabiltät der Zahl der Seminalwurzeln in den fünf Zuchtgruppen dieser Sammlung. Im Gegensatz dazu bildeten die meisten Teosinte Akzession, die wir phänotypisiert haben, keine Seminalwurzeln. Das übergeordnete Ziel dieses Projekt ist es, die molekularen Mechanismen zu identifizieren, die der Erhöhung der Zahl der Seminalwurzeln beim Übergang von Teosinte zu Mais und ihrer Variabilität im modernen Mais zu Grunde liegen. Zu diesem Zweck werden wir die Trankriptome der Skutellarknoten von ausgewählten Genotypen mittels RNA-seq untersuchen. Diese Genotypen werden in vier Klassen eingeteilt, die unterschiedliche durchschnittliche Zahlen von Seminalwurzeln zwischen Null (Klasse I) und 9-10 (Klasse IV) aufweisen. Außerdem werden wir die monogenen Maismutanten rtcs und rum1, die keine Seminalwurzeln bilden und bige1, die eine erhöhte Zahl von Seminalwurzeln bildet in diese Untersuchungen mit einbeziehen. Wir werden gewichtete Gen Koexpressionsnetzwerkanalysen einsetzen, um Module von Genen zu finden, deren Expressionsmuster mit der phänotypischen Variation der Seminalwurzelzahl stark korreliert. Anschließend werden ausgewählte Kandidatengene, die in diesen Analysen identifiziert wurden, mit Hilfe von in situ Hybridisierungsexperimenten untersucht, um deren spezifische Expression im Skutellarknoten nachzuweisen. Mutanten dieser Gene werden wir in einer in unserer Arbeitgruppe verfügbaren revers genetischen Sammlung identifizieren. Schließlich werden wir Genomeditierung mittels CRISPR/Cas9 einsetzen, um diese Mutanten zu validieren. Wir planen eine detailliertere Charakterisierung der Funktion der Kandidatengene und der Mutantenphänotypen in der zweiten Förderperiode dieses Projekts.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Peng Yu