FloResEng - Engineering endogener Sauerstoffsensoren zur Verbesserung der Überflutungsresistenz von Getreide

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Jozefus Hendrikus Maria Schippers; Professorin Dr. Romy Schmidt-Schippers
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 552975616

Überflutungen sind eine Hauptursache weltweiter Ernteverluste als Folge des Klimawandels. Zur Sicherung der Nahrungsmittelversorgung muss die pflanzliche Resilienz, besonders von Getreide, für Überflutung verbessert werden. Dies wird durch eine optimierte pflanzliche Stress-Reaktion erreicht. Es ist bekannt, wie Pflanzen auf molekularer Ebene auf Hypoxie (wenig verfügbarer Sauerstoff (O2)) bei Überflutung reagieren. Für die Stressakklimatisierung wichtige Gene werden durch Gruppe VII-ERF-Faktoren (ERFVIIs) gesteuert, die unter Hypoxie stabilisiert werden. Pflanzliche Cysteinoxidasen (PCOs) sind konservierte Enzyme, die endogene O2-Gehalte erkennen und den ERFVII-Abbau vor und nach der Überflutung anstoßen. Mit hochauflösenden Strukturanalysen der PCOs haben wir einen Tunnel identifiziert, der die Geschwindigkeit kontrolliert, mit der O2 zum aktiven Zentrum gelangt. Änderungen des Tunnels in Arabidopsis-PCOs verändern deren O2-Empfindlichkeit und sind ein Weg, die ERFVII-Stabilisierung zu modulieren und die Resilienz für Überflutung zu verbessern. PCO-Strukturen sind in (Nutz-)Pflanzen sehr konserviert; das Enzym-Engineering kann bei PCOs in Nutzpflanzen angewendet werden, unser Fokus liegt hier auf den wichtigen Getreiden Gerste und Reis. Gerste verträgt Überflutung nur schlecht, Reis gilt als Paradebeispiel für Resilienz. Kombinierte Untersuchungen beider Getreide sind sehr vorteilhaft. Unser Projekt nutzt kombiniertes Fachwissen in Hypoxie-Signalübertragung und -Reaktion, pflanzliche Gen-Editierung und Weiterentwicklung resistenter Nutzpflanzen für die Praxis. Wir werden PCOs entwickeln, um die ERFVII-Stabilisierung zu modulieren und so die Resilienz zu steigern. Hierzu wird unsere Engineering-Strategie bei endogenen PCOs beider Getreide angewendet. Variation der PCO-Gene in Reis- und Gerste-Varietäten wird mit unserem Wissen über Enzym-Struktur und -Funktion kombiniert, um "natürliche" PCO-Formen mit veränderter O2-Kinetik zu identifizieren. Wir setzen biochemische In-vitro-Methoden ein, um veränderte O2-Empfindlichkeiten ausgewählter Getreide-PCOs zu bestätigen. Erfolgreiche Enzym-Varianten werden in vivo komplementär getestet, inklusive Protoplastentransformation und Gen-Editierung. Positive Effekte von PCO-Tunnelvarianten werden in Gewächshaus- und Feldstudien mit Gerste/Reis durch molekulare und physiologische Analysen der Stressresilienz als auch durch Analyse der Kornproduktivität bestimmt. FloResGen optimiert die PCO-Aktivität so, dass die Getreide-Resilienz bei kurzzeitigem Stress verbessert wird. Die Kombination von Biochemie, Molekulargenetik, Pflanzenphysiologie und gezieltem Protein-Engineering trägt dazu bei, pflanzliche molekulare Eigenschaften zu verbessern, die für die Anpassung an Überflutung essentiell sind. Wir werden (i) stressresistente, für große Feldversuche geeignete Gerste- und Reispflanzen generieren und (ii) einen Mechanismus entwickeln, der potentiell die Klimaresistenz weiterer Nutzpflanzen verbessert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien, USA
• Partnerorganisation: Biotechnology und Biological Sciences Research Council (BBSRC); National Science Foundation (NSF)
• Kooperationspartnerinnen: Professorin Julia Bailey-Serres, Ph.D.; Professorin Dr. Emily Flashman