Geminivirale Replikons und Zellzyklus-Regulation in Zuckerrübe: Untersuchung von Schlüsselfaktoren für die homologe Rekombination

• Antragsteller: Omid Eini, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenzüchtung, Pflanzenpathologie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 453640441

Geminiviren (Familie Geminiviridae) sind Pflanzenviren mit zirkulären einzelsträngigen DNA-Genomen, die für ihre Genomamplifikation auf die DNA-Replikationsmaschinerie des Wirtes angewiesen sind. Sie replizieren sich durch „Rolling-Circle-Replication“ und rekombinationsabhängige Replikation. Daher müssen sie den Wirtszellzyklus in die S-Phase überführen, in der die DNA-Replikation und die Homologie-abhängige DNA-Rekombination (HDR) stattfinden. Dieses Szenario unterstützt die hohe beobachtete Rekombinationsrate bei Geminiviren, die zu einer signifikanten Diversität innerhalb der Geminiviren führte. In ähnlicher Weise wird HDR durch eine geminivirale Infektion in transgenen Arabidopsis-Pflanzen gefördert, obwohl die für diese Funktion erforderlichen viralen Elemente noch zu identifizieren sind. Darüber hinaus wurden in jüngster Zeit geminivirale Replikons (GVRs), die das Gen des replikationsassoziierten Proteins (Rep) und die intergenische Region (IR) enthalten, für die effiziente Darstellung von CRISPR/Cas (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/CRISPR assoziierter Nuklease) und Reparatur-DNA in Pflanzenzellen verwendet. Unter Verwendung dieses Systems wurde über eine höhere Genomeditierungs (GE)-Effizienz mittels HDR für funktionelle Genmodifikation oder Insertion bei Tomate, Tabak und Kartoffel berichtet. Die detaillierte Rolle von GVRs zur Erhöhung der HDR-Frequenz wurde jedoch nicht untersucht. Daher wird die Analyse der Wirkung von Rep sowie anderer geminiviraler Gene auf den HDR-Signalweg in Pflanzenzellen ein vertieftes Verständnis der viralen homologe Rekombination als auch der HDR in Pflanzen ermöglichen. Dies könnte insgesamt die Effizienz von GE in (Kultur-) Pflanzen erhöhen. Dieses Projekt zielt darauf ab, die Rolle von Genen (Rep; C2, C3 und C4) aus den GVR des Beet curly top virus und Beet curly top Iran virus bei der homologen Rekombination sowohl im viralen Replikationszyklus als auch in Pflanzen zu verstehen, um effizientere GVR zur GE Anwendung zu erzeugen. Zu diesem Zweck soll ein Modell entwickelt werden, das auf einer Kombination der GVRs und eines geminiviralen Betasatelliten basiert, der sich innerhalb derselben Zelle repliziert, um Virus-Rekombinationsanalysen durchzuführen. Um die Rolle der GVR-Gene für die Induktion von HDR in der Pflanze mittels CRISPR/Cas-System zu verstehen, wird ein einfaches und effizientes experimentelles System verwendet, welches auf der HDR-basierten Mutation von GFP zu YFP in einer Modellpflanze basiert. Um die GVRs zur Verbesserung der HDR in Pflanzen weiter zu optimieren, werden essentielle Zellzyklus und Rekombination assoziierte Gene aus Transkriptomdaten von Zuckerrübe ausgewählt und in GVRs überführt und zur Überexpression eingesetzt. Die Wirksamkeit der optimierten GVRs für HDR-Effizienzsteigerung wird in derselben Modellpflanze getestet. Das verbesserte und effizienteste GVR soll in der Zukunft für ein verbessertes GE in Zuckerrüben eingesetzt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Mark Varrelmann