Anpassung von Nutzpflanzen an abiotischen Stress mithilfe von aktinvermittelter, stressresponsiver Membranstabilisierung

• Antragstellerin: Sruthy Maria Augustine, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenzüchtung, Pflanzenpathologie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 442874779

Abiotische Stressfaktoren tragen maßgeblich dazu bei, dass Pflanzen ihr genetisches Potenzial zur Erzielung der gewünschten Produktivität nicht ausschöpfen können. Aufgrund der wachsenden Bedrohung für die Nahrungssicherheit durch den menschengemachten Klimawandel und die Umweltzerstörung wird abiotische Stresstoleranz für die Optimierung von Nutzpflanzen immer bedeutender. Neben den derzeitigen Zuchtverfahren zur Erhöhung der Nahrungssicherheit sind dringend schnellere Optimierungsprogramme für Nutzpflanzen nötig, z. B. moderne biotechnologische Instrumente zur Entwicklung neuer, vielfältiger Stressreaktionen. Weizen ist für ein Drittel der Weltbevölkerung eine der wichtigsten Getreidearten. Ertrag und Qualität werden von abiotischen Stressfaktoren, insb. Dürre (in Kombination mit Hitze) und Salzhaltigkeit, stark beeinträchtigt. In einer früheren Studie stellten wir fest, dass Erianthus arundinaceus, eine Wildart des Zuckerrohrs, bei Dürre eine höhere Hsp70-Genexpression zeigte, die mit Zunahme des Stresses durch die Dürre anstieg. Die Hsp70-Expression korrelierte mit der Dürretoleranz bei E. arundinaceus. Wir isolierten das Hsp70-Gen aus E. arundinaceus und überexprimierten es in Zuckerrohr, was die kortikale Aktinanreicherung steigerte, wodurch sich mittels Zellmembranstabilität ineinandergreifende marginale Lappen (IML) und abiotische Stresstoleranz in Zuckerrohr bildeten (Augustine et al., 2015a, 2015b). Das Hsp70-Ortholog von dürreresistentem E. arundinaceus, das durch den dürreresponsiven Ubiquitin-Promotor (Ubi 2.3) von Porteresia coarctata gesteuert wird, hat in Zuckerrohr eine fast 2000-fache Hsp70-Expression eingeleitet. Das aktuelle Projekt wurde aufgrund der Bedeutung von Weizen und der Probleme, die durch Verbesserungsstrategien für die Entwicklung multipler Stresstoleranzen in Einzelpflanzenarten entstehen, konzipiert. Aufgrund unserer vielversprechenden vorherigen Ergebnisse besteht das Ziel dieses Projekts in 1) der Identifizierung und Isolierung des stressresponsiven Promotors (Ubi 2.3) und Hsp70-Orthologs von dürreresistentem Weizen und Sorghumgenotypen; 2) der Identifizierung der physiologischen und molekularen Rolle von Aktin bei Stresstoleranz; 3) der Analyse der IML-Bildung und der Hsp70-Expression in Hsp70-Spendergenotypen; 4) der Bestimmung, ob die Überexpression von Hsp70 in Weizen als Reaktion auf die Dürretoleranz zu Aktinpolymerisation und IML-Bildung auf der Zellmembran führt; 5) der Analyse der Effekte der Hsp70-Überexpression in Weizen; und 6) der Validierung der IML-Selektionsmarker zur Identifizierung von stresstoleranten Pflanzen. Ferner nehmen wir an, dass Aktin eine zentrale Rolle bei Dürrestresstoleranz spielt und Hsp70-vermittelte kortikale Aktinanreicherung, die zu IML-Bildung und Stresstoleranz mittels Membranstabilisierung führt, ein Mechanismus zur abiotischen Stresstoleranz ist, der sich evtl. zur Steigerung der Toleranz von einkeimblättrigen Nutzpflanzen gegenüber Dürren und Salzhaltigkeit eignet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen