Trilateral FPP 2023 - Homöolog-bewusste Gen Netzwerke in Einzelzellauflösung für die Verbesserung der Kältetoleranz in Weizen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Andrea Bräutigam
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenzüchtung, Pflanzenpathologie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 553112911

Veränderliche und unvorhersehbare Wettermuster verstärkt durch den Klimawandel haben starke Effekte auf den Ertrag von Kulturpflanzen. Viele Kulturpflanzen sind polypoloid, beispielsweise Weizen, Hafer, Bananen und Kartoffeln; ihre DNA ist also dupliziert und sie haben mehr als eine Genkopie pro Zelle. Dadurch haben sie mehr Potential für Adaption der Genexpression, was ihre Fähigkeit zu phänotypischer Adaption und Resilienz verbessern kann. Mehrere Genkopien sind allerdings auch redundant, was den Züchtungsprozess verlangsamt. In diesem Projekt konzentrieren wir uns auf Kältetoleranz in Weizen, eine Züchtungsherausforderung. Unser Projekt dient auch als Beispiel für Methodenentwicklung, die auf andere polyploide Kulturpflanzen in Stresssituationen übertragen werden kann. Der Klimawandel ändert die Kaltwettermuster und verstärkt die Winterkälte in Weizenanbauregionen in Europa, Nordamerika und China. Unvorhersehbare Kälteereignisse können bis zu 50% Ertragsausfall bedeuten. Die Züchtung für Kälte-tolerante Sorten ist eine Herausforderung. Phänotypisches Screening wird unmöglich gemacht, weil der Klimawandel vorhersehbare Kälteereignisse auf Testfeldern zu häufig verhindert. Es gibt also eine Dringlichkeit, neue Wege zur Verbesserung der Kältetoleranz in Weizen zu bestimmen, um sichere Erträge zu gewährleisten. Hier benutzen wir einen neuen Ansatz, um das Potential von Weizen zur Adaption aufzuschließen. Die Ziele dieses Projektes sind (i) neue genetische Loci für Kältetoleranz zu definieren und (ii) ein Rahmenwerk zu bauen, mit dem Stressantworten in Weizen so studiert werden, dass bisher versteckte genetische Variation nutzbar wird. Um diese Ziele zu erreichen, produzieren wir Einzelldatensätze in hoher Auflösung auf Zell- und Homöologebene. Mit diesen Daten konstruieren wir neuronale Netzwerke zur Vorhersage von kälteinduzierter Genexpression durch Vorhersage der Stärke cis regulatorischer Elemente. In Kollaboration mit RAGT Seeds, einer führenden europäischen Saatgutfirma, komplementieren wir die hoch aufgelösten postgenomischen Analysen mit genetischen Studien von hochdiversen Weizenlinien, um genomische Regionen zu finden, die mit hoher Wahrscheinlichkeit im Feld Ergebnisse zeigen. Wir werden neue Gen- und Chromatinregionen durch moderne Züchtungsmethoden und biparentale Mappingpopulationen testen. Dieses Projekt wird neue genetische Varianten identifizieren, welche Kältetoleranz in Weizen regulieren und welche schnell in Züchtungsprogramme übernommen werden können. Unser Ansatz wird breit übertragbar sein auf polyploide Kulturpflanzen und wird zu Klimawandel-resistenten Kulturpflanzen beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien, USA
• Partnerorganisation: Biotechnology und Biological Sciences Research Council (BBSRC); United States Department of Agriculture (USDA); National Institute of Food and Agriculture (NIFA)
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Philippa Borill, Ph.D.; Professor Robert J. Schmitz, Ph.D.