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Projekt
TERRAPHOS - Evolution pflanzlicher Anpassung an terrestrische Phosphatverfügbarkeit
Antragstellerinnen / Antragsteller
Professor Dr. Steffen Abel; Dr. Christin Naumann
Fachliche Zuordnung
Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen
Förderung
Förderung seit 2023
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 528056313
Phosphor, das kritische Element für den Energiestoffwechsel aller Lebensformen, kommt in relativ geringen Konzentrationen in der Erdkruste vor. Global sind Apatite aus vulkanischen Gesteinen die einzig bedeutende Quelle für anorganisches Phosphat (Pi) und dessen biologische Assimilation. Durch chemische und mikrobielle Gesteinsverwitterung freigesetzt, bildet Pi mit Metallkationen unlösliche Salze und wird zudem durch starke Adsorption an Metall(oxy)hydroxide (insbesondere FeIII und Al) immobilisiert. Die dadurch bedingte, gravierende Pi Limitierung stellte für die ersten siedelnden Landpflanzen (Embryophyten), welche nur über primordiale Rhizoide für die Wasser- und Nährstoffaufnahme verfügten, eine besondere Herausforderung dar. Aus den Rhizoiden entwickelten sich über Rhizome die Wurzelsysteme der Tracheophyten und deren Fähigkeit, die Fe-abhängige Pi-Verfügbarkeit im Boden über Wurzelmeristeme lokal zu erfassen. Wir habe kürzlich gezeigt, dass Arabidopsis LOW PHOSPHATE ROOT 1 (LPR1) eine dominante Rolle im lokalen Pi-Sensing spielt und Vertreter einer bisher unbekannten Klasse Fe-oxidierender Multikupferoxidasen (MCOs) ist, welche in allen Landpflanzen, aber auch in Bodenbakterien, vorkommt. Unsere Studien legen nahe, dass ein bakterielles Gen dieser LPR1-Typ MCO Kohorte mittels horizontalem Gentransfer (HGT) von Bodenbakterien auf den gemeinsamen Vorgänger der Streptophyten (charophytische Süßwasseralgen plus Landpflanzen) übertragen wurde. Mindestens zwei weitere Gene, die für einen ABC-Transporterkomplex kodieren (Beteiligung am Fe-abhängigen lokalen Pi-Sensing), gelangten ebenfalls auf diese Weise in die Embryophyten. Bemerkenswert ist, dass Arabidopsis LPR1 auch die Wurzelhaarentwicklung beeinflusst, welche evolutionär mit der Rhizoidbildung verknüpft ist. Somit bilden LPR1-Typ MCOs einen exzellenten Ansatz, um die Evolution und Anpassung von Landpflanzen über HGT an dramatisch veränderte geochemische Bedingungen zu untersuchen. Das erste Ziel des Projekts verfolgt die Überprüfung der potentiell generellen biochemischen Aktivität von LPR1-Typ MCOs als spezifische Ferroxidasen. Hierfür werden rekombinante LPR1-Typ MCOs von ausgewählten sporenbildenden Tracheophyten, Bryophyten, Charophyten und Bodenbakterien exprimiert, gereinigt und enzymatisch charakterisiert. Zur Untersuchung einer möglicherweise konservierten Funktion im lokalen Pi-Sensing, werden wir Komplementationsanalysen mit ausgewählten MCO-Genen vom LPR1-Typ in Arabidopsis lpr1 Knockout-Linien durchführen. Ein zweites Ziel untersucht, ob die Evolution des Fe-abhängigen Pi-Sensings während der pflanzlichen kontinentalen Besiedlung durch den HGT von LPR1-Typ MCO Ferroxidase begünstigt wurde. Hierzu werden wir das etablierte Modellsystem der Bryophyten (Marchantia) anwenden, dessen Reaktionen auf Pi-Mangel untersuchen und die Funktion von orthologen Genen in Marchantia, wie z.B. LPR1-Typ MCOs, für das externe Pi-Sensing über Ansätze der reversen Genetik analysieren.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
