Verlängerte Wurzeln zur effizienten Erschließung von Stickstoffquellen durch Veränderung der Brassinosteroid- und Auxinbioynthese und Signaltransduktion

• Antragsteller: Professor Dr. Nicolaus von Wirén
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie ; Pflanzenbau, Pflanzenernährung, Agrartechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 446538237

Pflanzen passen sich an räumliche und zeitliche Fluktuationen von Nährstoffen im Boden durch das "Sensing" von Nährstoffen und Veränderungen in der Wurzelarchitektur an. Solche morphologischen Anpassungen ermöglichen es, verfügbare Nährstoffe im Boden effizienter zu erschließen. Wenn Pflanzen unter leichtem bzw. mildem Mangel an Stickstoff (N) wachsen, erhöhen sie die Länge von Primär- und Seitenwurzeln. Diese Reaktion birgt Potential zur Verbesserung der N-Effizienz, weil sich das Bodenvolumen vergrößert, aus dem limitierende Nährstoffe aufgenommen werden. In unseren Vorarbeiten haben wir in natürlichen Akzessionen der Modellpflanze Arabidopsis allelische Variation in Genen der Brassinosteroid- und Auxinbiosynthese bzw.-Signaltransduktion (YUC8, BSK3) gefunden, die die Wurzelverlängerung unter mildem N-Mangel verändern. Das finale Ziel dieses 6-jährigen Projekts ist es, die hormonelle Regulation der Wurzelverlängerung unter N-Mangel aufzuklären und diese Kenntnis zu nutzen, um in Gerstenwurzeln die Wurzelentwicklung unter N-Mangel und damit die N-Aufnahmeeffizienz zu verbessern. Ziele der ersten 3 Jahre sind: i) in Arabidopsis die Rolle der YUC8-abhängigen Auxinbiosynthese und ihre Beziehung zu Brassinosteroiden in der Wurzelverlängerung unter leichtem N-Mangel aufzuklären und ii) in einem translationalen Ansatz in Gerste den Beitrag der allelischen Variation von Genen der Brassinosteroid- bzw. Auxinbiosynthese oder Signaltransduktion zur Wurzelstreckung zu untersuchen und zu modulieren. Zunächst werden in Arabidopsis die molekularen Mechanismen hinter den identifizierten allelischen Variationen im YUC8-Gen sowie seine Rolle in der Regulation der Wurzelverlängerung bestimmt. Dabei wird die Wurzelantwort auf milden N-Mangel in yuc-Mutanten und YUC8-komplementierten Linien charakterisiert. Diese und weitere Mutanten- und Reporterlinien werden auch eingesetzt, um die Beziehung zwischen Brassinosteroiden und Auxin in der transkriptionellen Regulation der Wurzelantwort auf milden N-Mangel aufzuklären. In einem translationalen Ansatz wird in Gerste das "schwache" BSK3-Allel durch das "starke" BSK3-Allel aus Arabidopsis ersetzt, da alle bisher untersuchen Gerstenakzessionen nur ein "schwaches" BSK3-Allel tragen. In einem Schritt wird die Cas Endonuklease-vermittelte Deletion des schwachen BSK3-Endogens mit der Komplementation durch das starke Transgen kombiniert. In einem RNA-Sequenzierungsansatz werden N-Mangel-regulierte Gene in Gerstenwurzeln identifiziert, um Kandidatengene auszuwählen, die zur CRISPR-Cas-vermittelten Gendeletion und zur Überexpression mithilfe eines wurzelspezifischen Promoters eingesetzt werden. Alle transgene Linien werden anschliessend hinsichtlich der Veränderung ihrer Wurzelarchitektur unter N-Mangel phänotypisiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen