Wie Hülsenfrüchte eine Umgebung für die Stickstofffixierung schaffen: Kontrolle der Sauerstoffpermeation in Wurzelknöllchen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Macarena Marin
• Fachliche Zuordnung: Organismische Interaktionen, chemische Ökologie und Mikrobiome pflanzlicher Systeme
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 325528135

Hülsenfrüchte beherbergen in Wurzelknöllchen symbiotische Rhizobien, wo sie eine für die Stickstofffixierung geeignete Umgebung schaffen. Das Verständnis der Entstehung dieser Umgebung ist entscheidend für die Optimierung dieser Symbiose in Leguminosen und Übertragung auf die Knöllchenbildung in anderen Nutzpflanzen. In der ersten Förderperiode haben wir die natürliche Diversität der symbiotischen Phänotypen von Lotus mittels vergleichender Transkriptomik untersucht. Dabei identifizierten wir Gene, die in infizierten Knöllchen spezifisch hochreguliert waren und somit die Beherbergung von Rhizobien in diesen Strukturen vermitteln könnten. Phylogenetische und Expressionsanalysen von zwei knöllcheninduzierten Suberin-Biosynthesegenen, die für Fatty-Acyl-CoA-Reduktasen (FARs) kodieren, zeigten eine Diversifizierung in ihrem Expressionsmuster. Räumlich-zeitliche Analysen der Promotoraktivität, die die Expression dieser und anderer Suberin-verwandter Gene steuert, zeigte eine deutliche Aktivierung in der Wurzel- und Knöllchenendodermis. Mutantenlinien im knöllchenspezifischen FAR3.2-Gen zeigten eine Erhöhung der Knöllchenpermeabilität, eine beeinträchtigte Stickstofffixierung und ein verringertes Sprosswachstum. Unsere Ergebnisse unterstützen ein Modell, in dem knöllchenspezifische Suberin-verwandte Gene die Bildung einer Permeationsbarriere in der Knöllchenperipherie vermitteln. Die Kontrolle der Sauerstoffpermeation in die Knöllchen ist essentiell, um die sauerstoffempfindliche Nitrogenase zu schützen, und ist somit entscheidend für die Stickstofffixierung. In diesem Projekt werden wir die Funktion und Regulation von Genen mit Suberin-bezogenen Funktionen untersuchen, da sie vielversprechende molekulare Marker für die Etablierung der Knöllchenbarriere sind, die die Sauerstoffdurchlässigkeit kontrolliert. Zu diesem Zweck werden wir mit Hilfe von CRISPR/Cpf1-Geneditierung Mutantenlinien erstellen und phänotypisch charakterisieren, Reporterlinien zur Bestimmung der Ontogenese der Knöllchenbarriere generieren und die Regulation von Suberin-bezogenen Genen auf molekularer Ebene untersuchen. Diese Arbeit wird unser Wissen über die Bildung der Knöllchenbarriere, eine Schlüsselanpassung, die die Stickstofffixierung in Hülsenfrüchten ermöglicht, vergrößern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweiz