Die Bildung und Regulation von Benzoxazinoiden als wichtige Abwehrverbindungen in Weizen

• Antragsteller: Dr. Tobias Gerhardt Köllner
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461126932

Pflanzen werden kontinuierlich von Insekten befallen und produzieren als Reaktion verschiedene Abwehrstrategien, um Schäden zu reduzieren und die eigene Fitness zu bewahren. Nichtsdestotrotz verursacht Herbivorie häufig schwere Schäden, insbesondere wenn Pflanzen in großen Monokulturen kultiviert werden. Da diese Schäden zu erheblichen Ertragseinbußen führen können, ist es von großer Bedeutung, natürliche Abwehrstrategien zu erforschen, die zukünftig gegen Insekten und andere Schädlinge angewendet werden können.Benzoxazinoide sind Sekundärmetabolite und spielen eine wichtige Rolle in der Pflanzenabwehr. Sie kommen in vielen Poaceae-Arten vor, einschließlich so wichtiger Nutzpflanzen wie Mais, Weizen und Roggen. Die Bildung der Benzoxazinoid-Grundstruktur wurde in Mais intensiv untersucht und umfasst acht enzymatische Schritte. Das gebildete 2,4-Dihydroxy-7-methoxy-1,4-benzoxazin-3-on-glucosid (DIMBOA-Glc) kann durch eine Reihe kürzlich identifizierter Enzyme in andere Benzoxazinoide umgewandelt werden. Während die ersten Schritte des Benzoxazinoid-Stoffwechselweges in den Gräsern konserviert sind, wurden Enzyme, welche die Modifizierung des Benzoxazinoid-Grundgerüstes vermitteln, in einzelnen Arten unabhängig voneinander entwickelt. Obwohl die Modifikationen die spezifischen biologischen Aktivitäten einzelner Benzoxazinoide bestimmen, weiß man nur wenig über deren Biochemie in anderen Arten. Darüber hinaus sind die Mechanismen, die den Benzoxazinoid-Stoffwechselweg regulieren, kaum bekannt.Im vorgeschlagenen Projekt werden wir genetische Methoden wie die quantitative Kartierung von „trait loci“ und die Erzeugung und Charakterisierung von Introgressionslinien mit einer Hochdurchsatz-Metabolitenanalyse kombinieren, um Gene zu identifizieren, die an der Bildung und Regulation von Benzoxazinoiden in Weizen beteiligt sind. Kandidaten für Enzyme und Transkriptionsfaktoren werden in vitro mittels heterologer Expression bzw. Chip-Seq-Analyse charakterisiert. Die vorübergehende Stummschaltung sowie die stabile Überexpression von Kandidatengenen in Weizen helfen, ihre Rolle in planta aufzuklären. Darüber hinaus werden Bioassays mit Blattläusen und Raupen durchgeführt, um die biologischen Folgen veränderter BXD-Profile in transgenen Pflanzen zu untersuchen. Die erwarteten Ergebnisse werden zukünftige Arbeiten zur Verbesserung der Pflanzenresistenz und zur Verringerung unserer Abhängigkeit von schädlichen Pestiziden fördern.Das Projekt hat eine Laufzeit von 36 Monaten und ermöglicht die Initiierung und Intensivierung einer internationalen Zusammenarbeit zwischen drei Arbeitsgruppen des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie, der Ben-Gurion-Universität des Negev und der Universität von Haifa. Die Gruppen haben bereits Erfahrungen mit internationalen Kooperationen und ihre sich ergänzenden Expertisen in der Weizengenetik, der Pflanzenbiochemie sowie der Pflanzen-Insekten-Interaktionen sichern den Gesamterfolg des Projekts.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel
• ausländ. Mitantragstellerinnen / ausländische Mitantragsteller: Professor Dr. Assaf Distelfeld; Dr. Vered Tzin