Design RNA-bindender Proteine zur gezielten Steuerung der mitochondriellen Atmung und der Fertilität in Pflanzen

• Antragstellerin: Dr. Elena Lesch
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie ; Genetik und Genomik der Pflanzen ; Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 576008908

Mitochondrien sind die Haupt-Energiefabriken in Eukaryoten. Sie stammen von einem freilebenden Bakterium ab und besitzen ein stark reduziertes Genom, das hauptsächlich Gene für oxidative Phosphorylierung (OXPHOS) und die mitochondriale Proteinsynthese enthält. OXPHOS ist der entscheidende Prozess zur Synthese von ATP – der Hauptenergiewährung der Zelle – und findet in der inneren Mitochondrienmembran (IMM) statt. Dabei wird ein Protonengradient über die IMM erzeugt, der die ATP-Synthese über die ATP-Synthase antreibt. OXPHOS erfordert das koordinierte Zusammenspiel von fünf Multiproteinkomplexen, die teils im Zellkern, teils im mitochondrialen Genom kodiert sind, sowie zweier mobiler Elektronentransporter. Eine Störung dieser Komponenten kann gravierende Auswirkungen auf Fitness und Lebensfähigkeit eines Organismus haben. Bei Pflanzen können Umstrukturierungen oder Mutationen im mitochondrialen Genom männliche Sterilität verursachen, indem toxische Faktoren exprimiert werden. Dieses Phänomen, bekannt als zytoplasmatische männliche Sterilität (CMS), wird in der Landwirtschaft eingesetzt, um ertragreiche Hybridsorten zu erzeugen. Die genetischen Grundlagen von CMS sind gut untersucht, doch wie genau mitochondriale Dysfunktion spezifisch den männlichen Gametophyten schädigt – während andere Gewebe kaum betroffen sind – ist mechanistisch noch unzureichend verstanden. Zur Klärung verfolgen wir einen innovativen Ansatz, der auf synthetischen RNA-bindenden Pentatricopeptide Repeat (PPR) Proteinen basiert. Diese ermöglichen die zielgerichtete posttranskriptionelle Steuerung der Genexpression in Organellen – selbst bei essentiellen Genen. Durch gezielte Induktion mitochondrialer Dysfunktion wollen wir deren physiologische Auswirkungen, zum Beispiel auf Fertilität und Energiestatus, hochaufgelöst analysieren, insbesondere im männlichen Reproduktionsgewebe. Dieses Vorgehen wird nicht nur neue Einblicke in die CMS-Mechanistik liefern, sondern auch ein breiter anwendbares System zur Gewebe-spezifischen und reversiblen Analyse mitochondrialer Genfunktionen etablieren. In der Pflanzenzüchtung wird die Fertilität von CMS-Linien durch Einkreuzung von Restorer-Linien wiederhergestellt, die Gene für Fertility Restorer (Rf)-Proteine tragen. Allerdings ist dieser Prozess oft komplex, erfordert mehrere Faktoren, und ist CMS-spezifisch. Für viele CMS-Systeme wurden bislang keine Rf-Gene identifiziert – was ihre züchterische Nutzbarkeit stark einschränkt. Im Rahmen des Projekts werden wir synthetische PPR-Protein-basierte Rfs entwickeln – mit dem Ziel, die kontrollierte Fertilitätssteuerung und zukünftige Hybridzüchtung entscheidend voranzubringen.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Gastgeber: Kamel Hammani, Ph.D.