Das sowohl in den Chloroplasten als auch im Zellkern lokalisierte WHIRLY1-Protein der Gerste als übergeordneter Regulator der Kreuztoleranz gegenüber abiotischen und biotischen Stress

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Götz Hensel; Professorin Dr. Karin Krupinska
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenzüchtung, Pflanzenpathologie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 458717903

Für eine hohe Ertragsstabilität müssen Kulturpflanzen schnell auf Veränderungen in der Umwelt reagieren und sich wirksam an unterschiedliche, oft gleichzeitig auf sie einwirkende Stressfaktoren anpassen. Dieses Projekts betrifft das RNA/DNA-Bindeprotein WHIRLY1, das auf Grund seiner dualen Lokalisation in den Plastiden und im Zellkern ein idealer Kandidat für die Übertragung von Stress-Signalen an den Zellkern ist. Durch Untersuchungen an Gerstenlinien mit veränderten Mengen an WHIRLY1 konnte gezeigt werden, dass WHIRLY1 die Reaktionsfähigkeit der Pflanzen gegenüber Änderungen in der abiotischen Umweltsituation sowie die Resistenz gegenüber Mehltau fördert. Genexpressionsanalysen mit hvwhy1 knockout Mutanten der Gerste, die mit der CRISPR RNA/Cas9 Endonuklease-Technologie erzeugt wurden, ergaben, dass WHIRLY1 bekannte Stressgene der Gerste reguliert. Untersuchungen an Mutanten von Mais und Gerste haben gezeigt, dass WHIRLY1 auch für die Entwicklung von Chloroplasten erforderlich ist. Nach der Identifizierung der für die Stressantwort wichtigen Motive des WHIRLY1-Proteins soll versucht werden, die Funktionalität des Proteins für die Chloroplastenentwicklung von der Funktionalität in der Stressanpassung der Pflanzen zu trennen. Im Zellkern ist WHIRLY1 zusammen mit dem NPR1-Protein an der von Salizylsäure abhängigen Aktivierung von PR (pathogen response) -Genen beteiligt. NPR1, der zentrale Regulator SA-abhängiger Genexpression, liegt normalerweise als Oligomer im Cytoplasma vor. Auch WHIRLY1 liegt in den Chloroplasten als Oligomer vor. Bei stressabhängiger Produktion von Salizylsäure in Verbindung mit Redoxänderungen wird NPR1 monomerisiert und wandert dann in den Zellkern. Wenn die Stresswahrnehmung durch WHIRLY1 in den Chloroplasten ähnlich erfolgt wie die durch NPR1 im Cytoplasma, ist anzunehmen, dass eine redoxabhängige Monomerisierung des WHIRLY-Komplexes für den stressabhängigen Transfer aus den Chloroplasten in den Zellkern erforderlich ist. Um zu testen, ob das konservierte Cystein in der WHIRLY-Domäne sowie ein für die Oligomerisierung erforderliches Lysin für die durch WHIRLY1 vermittelte Stressreaktion der Gerste wichtig sind, soll die why1 KO-Mutante mit mutierten HvWHIRLY1-Sequenzen sowie der nicht mutierten Sequenz komplementiert werden. Die transgenen Pflanzen sollen im Hinblick auf ihre Reaktionsfähigkeit gegenüber verschiedenen abiotischen Stressfaktoren sowie Mehltau charakterisiert werden. Aufgrund der Ergebnisse soll Blattmaterial für globale Genexpressionsanalysen mittels RNAseq ausgesucht werden. Ziel dieser Untersuchungen ist die Identifizierung von Zielgenen von WHIRLY1, die in einer Kreuztoleranz-Situation (Mehltauinfektion in Kombination mit abiotischem Stress) entweder aktiviert oder reprimiert werden. Auf der Grundlage der Ergebnisse soll in der Arbeitsgruppe von Prof. Klaus Humbeck an der MLU Halle untersucht werden, ob WHIRLY1 die Transkription ausgewählter Zielgene über epigenetische Mechanismen beeinflusst.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen