Transkriptom-gesteuerte kombinatorische Geneditierung zur Decodierung der Pflanzen- und Mikrobiota-Homöostase

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Paul Schulze-Lefert; Professorin Dr. Alga Zuccaro
• Fachliche Zuordnung: Organismische Interaktionen, chemische Ökologie und Mikrobiome pflanzlicher Systeme
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 565892813

Pflanzen sind in der Natur mit mikrobiellen Gemeinschaften assoziiert, die als Pflanzenmikrobiota bezeichnet werden. Obwohl die Bedeutung der Mikrobiota für das Pflanzenwachstum und -gesundheit nachgewiesen ist, sind wenige Mitglieder der Mikrobiota opportunistische Krankheitserreger, die unter günstigen Umweltbedingungen Infektionen verursachen. Daher gilt es nicht nur Prinzipien zu verstehen, die der Assemblierung der Mikrobiota zugrunde liegen, sondern auch, wie die Mikrobiota opportunistische Krankheitserreger in Schach hält. Die meisten pflanzengenetischen Determinanten, die homöostatischen Wechselwirkungen mit der Mikrobiota in gesunden Pflanzen zugrunde liegen, sind noch unbekannt. Wir haben mehr als 400 Gene in Arabidopsiswurzeln identifiziert, die auf die Besiedlung durch definierte Mikrobiota mit unterschiedlichen immunmodulatorischen Eigenschaften unter immunstimulierenden Bedingungen reagieren. Mutationsstudien an wenigen geprüften Wirtsgenen aus diesen Expressionsclustern bestätigen, dass diese Gene für die Pflanzen- und Mikrobiota-Homöostase benötigt werden. Wir postulieren, dass solche von der Mikrobiota vermittelten Transkriptomänderungen des Wirts das Ergebnis wechselseitiger Interaktionen zwischen Wirt und Mikrobiota sind. Hier entwickeln wir eine Methode zum Aufbau kombinatorischer CRISPR-Bibliotheken für Geneditierung in Arabidopsis, um funktionelle Studien von Genexpressionsclustern des Wirtes zu ermöglichen. Durch Proof-of-Principle Experimente haben wir gezeigt, dass es möglich ist, eine kombinatorische CRISPR-Bibliothek zu erstellen. Diese Bibliothek kann gleichzeitig bis zu acht Pflanzengene ansteuern, die nach dem Zufallsprinzip aus einem Pool von etwa hundert synthetisierten guide- RNA-Sequenzen ausgewählt werden. Die kombinatorischen Arabidopsis-Mutantenbibliotheken werden mit definierten bakteriellen Gemeinschaften allein oder mit zusätzlichen opportunistischen oder an den Wirt angepassten bakteriellen oder pilzlichen Krankheitserregern beimpft, um einzelne oder komplexe Mutanten zu identifizieren, die ein verändertes Mikrobiota-Profil aufweisen. Die Daten werden mit den mikrobiellen Profilen von geneditierten Arabidopsispflanzen, die im natürlichen Boden wachsen, ergänzt. Darüber hinaus werden wir eine Reihe von Werkzeugen entwickeln, darunter i) genetisch veränderte Mitglieder der bakteriellen Mikrobiota, die einen quantifizierbaren Fluoreszenz- oder Biolumineszenzmarker exprimieren, und ii) transgene Reporterpflanzen mit Stellvertretern für induzierbare pflanzliche Resistenzreaktionen auf Krankheitserreger in Gegenwart definierter mikrobieller Gemeinschaften. Wir erwarten Koexpressionsmodule zu entdecken, die für die Mikrobiota- Homöostase in Arabidopsis notwendig sind, um Krankheitserreger in Schach zu halten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Taiwan
• Partnerorganisation: National Science and Technology Council (NSTC)
• Kooperationspartner: Ka-Wai Ma, Ph.D.