Lokale ROS-Erzeugung bei Pflanzenwachstum und Fertilität: Evolution und Diversifizierung der NADPH Oxidase Familie

• Antragstellerin: Professorin Dr. Stefanie Müller-Schüssele
• Fachliche Zuordnung: Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen ; Evolution und Systematik der Pflanzen und Pilze
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431732981

Die Evolution der Landpflanzen hat fundamentale Änderungen im Generationswechsel, sowie in der Art und Weise der Befruchtung hervorgebracht. Während Bryophyten eine dominante haploide Generation aufweisen und die Befruchtung zwischen begeißelten Spermatozoiden und Eizellen in Archegonien auf Gametophyten stattfindet, sind die Gametophyten in Angiospermen auf wenige Zellen reduziert. Hierbei wurde die Befruchtung vom Wasser unabhängig, erfordert nun aber die Interaktion zwischen dem Pollenschlauch, mit seinem apikalen Spitzenwachstum, und dem Embryosack, der in der Samenanlage eingeschlossen ist. Hier ist die lokale Erzeugung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) an der Zellwandremodellierung und an Signalprozessen, sowohl beim weiblichen, als auch beim männlichen Part der Fortpflanzung beteiligt. In Angiospermen wurden die „Respiratory Burst Oxidase Homologs“ (RBOH) als der Ursprung spezifischer extrazellulärer ROS-Erzeugung identifiziert. Die ersten Pflanzen-RBOH entstanden vor der Besiedelung des Landes in Grünalgen und die Proteinfamilie ist während der Landpflanzenevolution kontinuierlich expandiert, was eine funktionelle Diversifizierung nahelegt. Die präzise Rolle der RBOH-Isoformen und der lokalen Erzeugung von ROS für Pflanzenwachstum und Fortpflanzung bleibt allerdings hinsichtlich der evolutionären Perspektive ungelöst.Dieses Projekt untersucht (1) die anzestrale biologische Funktion der RBOH Homologe in Pflanzen und (2) die Sub- und Neofunktionalisierung von RBOH innerhalb von Modellspezies, sowie im Vergleich zwischen verschiedenen evolutionär weit voneinander entfernten Modellspezies. Mit Hilfe reverser Genetik werden wir Null-Mutanten für die beiden RBOH-Isoformen des Lebermooses Marchantia polymorpha, sowie für die vier RBOH-Isoformen des Laubmooses Physcomitrium patens generieren und die resultierenden Phänotypen in Bezug auf Pflanzenwachstum und Fertilität quantifizieren. Um die auftretenden ROS-abhängigen Defekte genau zu spezifizieren und zu quantifizieren, werden wir genetisch kodierte Redox-Sensoren zur dynamischen intrazellulären und extrazellulären Analyse lokaler ROS-Generierung nutzen und weiterentwickeln. Weiterhin werden wir die Expressionsdomänen und subzellulären Lokalisierungen der vier P. patens RBOH-Isoformen durch Reporterkonstrukte untersuchen. Komplementationsstudien mit Algen- und Bryophyten-Homologen in Arabidopsis thaliana rboh Mutanten mit reduziertem apikalen Spitzenwachstum und reduzierter Fertilität werden es uns außerdem erlauben, die funktionelle Diversifizierung zwischen evolutionär weit entfernten Homologen zu bestimmen.Dieses Projekt wird die Rolle und funktionelle Evolution von RBOH in der lokalen Erzeugung von ROS im Apoplast während der sexuellen Fortpflanzung in verschiedenen Landpflanzengruppen aufdecken. Dies wird ein besseres Verständnis der komplexen Redox-Prozesse währen der Befruchtung in Angiospermen ermöglichen und die evolutionären Wurzeln der RBOH-Funktion in Pflanzen aufdecken.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5098: Innovation und Koevolution in der sexuellen Reproduktion von Pflanzen - ICIPS