Erforschung eines mehrfach zielgerichteten CRISPR-Ansatzes zur Identifizierung fehlender molekularer Faktoren, die das Wurzelwachstum unter niedrigem N stimulieren

• Antragsteller: Dr. Ricardo F.H. Giehl
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 561197454

Stickstoff (N) ist ein wichtiges mineralisches Element, das von Pflanzen benötigt wird und eine entscheidende Rolle für das Wachstum, die Entwicklung und die allgemeine Physiologie der Pflanzen spielt. Pflanzen haben komplexe Mechanismen entwickelt, um mit schwankenden N-Konzentrationen im Boden umzugehen, einschließlich morphologischer und architektonischer Veränderungen des Wurzelsystems. Diese Reaktionen vergrößern die Kontaktfläche der Wurzeln mit dem Boden. Trotz Fortschritten beim Verständnis der zugrunde liegenden molekularen Mechanismen bleiben kritische Fragen unbeantwortet, darunter wie der N-Status der Pflanze mit Prozessen verknüpft ist, das Wurzelwachstum gegenüber dem Sprosswachstum unter niedrigem N priorisieren. Das Schließen dieser Wissenslücken ist von entscheidender Bedeutung, um ein besseres Verständnis für die Auswirkungen der Stickstoffverfügbarkeit auf die Wurzelentwicklung zu vermitteln, und damit Stickstoffverluste in landwirtschaftlichen Böden zu verringern und die Widerstandsfähigkeit und Produktivität von Pflanzen in Systemen mit geringem Eintrag zu verbessern. Dieses gemeinsame israelisch-deutsche Forschungsprojekt kombiniert das vom Shani-Labor an der Universität Tel Aviv (Israel) entwickelte, einzigartige und leistungsfähige Multi-Knock-Verfahren mit der Wurzelphänotypisierung und der Pflanzenernährungsexpertise des Giehl-Labors am Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (Deutschland), um die fehlenden genetischen Komponenten zu identifizieren, die das Wurzelwachstum unter niedrigem N stimulieren. Das Kooperationsprojekt sieht insbesondere Folgendes vor: a) groß angelegte CRISPR-Bibliotheken zu erstellen, die spezifisch auf N-Mangel-induzierte Gene und deren Homologe abzielen; b) eine mehrstufige Phänotypisierung durchzuführen, um neue molekulare Komponenten zu identifizieren, die auf verschiedenen zeitlichen, hierarchischen und räumlichen Ebenen wirken; c) neu identifizierte Gene zu charakterisieren, um ihre Funktion bei der Reaktion von Wurzeln auf geringem N zu definieren; und d) die Verbindung von Wurzelentwicklungsmerkmalen mit effizienter N-Aufnahme anhand der gewonnenen Daten zu untersuchen. Das Projekt wird nicht nur neue Mechanismen zur Auslösung von Wurzelreaktionen auf Stickstoffmangel aufdecken, sondern auch neue Ressourcen generieren. Dazu gehören mehrfach zielgerichtete CRISPR-Bibliotheken zur Überwindung funktioneller Redundanz und ein daraus resultierender umfassender Satz von Mutanten für bis zu 449 N-induzierte Gene. Neben der Identifizierung neuartiger Gene zur Anpassung von Pflanzen an N-Mangel wird diese Zusammenarbeit die Leistungsfähigkeit der Gen-Editierung auf Transkriptomebene erforschen und den Ansatz als Alternative zur Beschleunigung der merkmalspezifischen funktionellen Charakterisierung von Pflanzen vorführen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel
• Partnerorganisation: The Israel Science Foundation
• Kooperationspartner: Dr. Eilon Shani