Getreide im Allgemeinen und Reis im Besonderen sind die Hauptnahrungsquelle einer stetig wachsende Weltbevölkerung. Viele dieser Kulturen werden auf intensiv genutzten Feldern angebaut, denen regelmäßig Bodennährstoffe durch Düngung zugefügt werden müssen. Aufgrund der hohen Kosten und des Energiebedarfs, ist es notwendig zukünftig den Einsatz von Düngemittel zu beschränken und eine nachhaltigere Form der Landwirtschaft zu etablieren. Kulturpflanzen, die Nährstoffe effizienter als die derzeit verfügbaren Linien nutzen, können dazu beitragen, diese Ziele zu erreichen. Kalium (K+) ist der wichtigste kationische Nährstoff und sein Transport wurde intensiv an der Modellpflanze Arabidopsis untersucht. Über die Transportproteine, welche die K+ -Flüsse in Getreide bewirken, ist jedoch wenig bekannt. Unsere vorherige Studie hat wichtige Unterschiede in der Gewebelokalisierung und den Aktivierungsmechanismen von K+ -Effluxkanälen zwischen Reispflanzen und Arabidopsis gezeigt. Im vorgeschlagenen Projekt konzentrieren wir uns auf K+ -Effluxkanäle des Shaker-Typs und der HAK/KUP K+-Transporterfamilie, die den Kaliumtransport in Reispflanzen von der Wurzel zum Spross und innerhalb der Stoma-Komplexe der Blätter ermöglichen. Wir werden die Zelltypen identifizieren, welche die ausgewählten K+-Transportproteine exprimieren und Reispflanzen erzeugen, denen funktionelle Versionen dieser Proteine fehlen. Diese transgenen Linien werden bezüglich des Wachstums, Wasserverbrauchs und der Ertragsausbeute mit Wildtyp-Reispflanzen unter Gewächshaus- und Freilandbedingungen verglichen. Darüber hinaus werden wir die K+ -Effluxkanäle und -Transporter von Reis in Arabidopsis-Schließzellen und Xenopus-Oozyten exprimieren, um ihre biophysikalischen Eigenschaften wie Ionenselektivität und spannungsabhängige Aktivierung zu charakterisieren. Im Zentrum unserer Aufmerksamkeit steht die Rolle der ausgewählten K+-Kanäle und -Transporter im Xylem und bei der Stoma-Bewegung. Wir werden fluoreszenzmarkierte K+-Kanäle und Transporter verwenden, um zu untersuchen, ob die Transportproteine eine polare subzelluläre Lokalisation aufweisen. Zudem wird die Funktion dieser Transporter mit Einzelzellentechniken untersucht, bei denen ionenselektive Elektroden zum Einsatz kommen. Unsere Studie soll Einblicke zur spezifischen Rolle der K+ -Effluxkanälen und -Transportern auf zellulärer Ebene gewinnen und deren Bedeutung für das Wachstums der Reispflanzen unter Freilandbedingungen aufklären. Dieses Wissen wird für die Züchtung von Reissorten, die mit einem geringeren Bedarf an K+ -Dünger, bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung eines guten Nährstoffgehaltes, von großer Bedeutung sein. Nutzpflanzen mit solchen optimierten Eigenschaften werden wichtig sein, um eine nachhaltige Landwirtschaft und unseren zukünftigen Nahrungsmittelbedarf sicherzustellen.
Stickstoff ist der Nährstoff, den Pflanzen in der größten Menge benötigen und oft ein wachstumslimitierender Faktor. Innerhalb der Pflanze liegt Stickstoff hauptsächlich in der Form von Aminosäuren vor. Aminosäuretransporter sind daher für die Stickstoffeffizienz äußerst wichtig und stellen einen wichtigen Ertrag bildenden und Ertragsqualität steuernden Faktor dar. Hier schlagen wir vor, Genverlustmutanten neuartiger Aminosäuretransporter zu nutzen, um über Metabolomanalysen ihre physiologische Rolle in Arabidopsis zu verstehen und diese Analysen auf symbiotische Interaktionen auszuweiten.
Während der Interaktion von pathogenen oder symbiotischen Mikroorganismen und Pflanzen werden Moleküle ausgetauscht, die zur Bekämpfung oder auch zur Koexistenz der beiden Spezies beitragen. Eine wichtige Molekülklasse sind kleine RNAs und dieser Prozess ist auch als cross-kingdom RNAi bekannt. Solche kleinen RNAs brauchen allerdings die jeweilige zelluläre Maschinerie um Funktionen ausüben zu können. Die Bindung an ein Mitglied der Argonaute-Proteinfamilie ist hierzu entscheidend. Dieser komplexe Prozess wird als Argonaute loading bezeichnet und ist gerade im Bereich der Anwendung von kleinen RNAs in Pflanzen oder in cross-kingdom RNAi völlig unverstanden. Es ist daher das Ziel unseres Antrages die Beladung und die daraus resultierenden Interaktionen der jeweiligen Argonaute-Proteine genau zu verstehen. Hierzu planen wir Werkzeuge zur Isolation und spezifischen Inhibition von Argonaute-Proteinen zu entwickeln und diese in den verschiedenen biologischen Systemen der FOR zur Anwendung bringen. Wir planen die RNA- und Protein-Interaktionslandschaft der Argonaute-Proteine während des Kontaktes zwischen Pflanzen und Mikroorganismen genau zu untersuchen und zu charakterisieren. Darüber hinaus wollen wir post-translationale Modifikationen identifizieren und diese durch Mutationsanalysen in den jeweiligen Projekten mit der Effizienz von cross-kingdom RNAi in Verbindung bringen. Schließlich planen wir ein biochemisches in vitro System zu etablieren, was erlaubt den genauen Mechanismus des Transfers kleiner RNAs zwischen zwei phylogenetisch weit entfernten Spezies zu studieren. Die Expertise und die biologischen Systeme der FOR erlauben es unsere biochemische Expertise in diesen Systemen anzuwenden.
Wir haben eine tripartite Interaktion zwischen dem Bakterium Streptomyces iranensis, dem Pilz Aspergillus nidulans und der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii entdeckt, die durch das bakterielle Azalomycin F bestimmt wird. Azalomycin F induziert die Aktivierung des pilzlichen Orsellinsäure-Genclusters, andererseits schützt der Pilz die Grünalge vor dem Abtöten durch Azalomycin F. Im Projekt B02 sollen (i) die gerichtete Freisetzung von Azalomycin F in Richtung A. nidulans und C. reinhardtii, (ii) der Mechanismus der Aktivierung der pilzlichen ors Gene durch Azalomycin F, (iii) sowie die chemischen Mediatoren für die Freisetzung von Azalomycin F und die Anziehung der Grünalge durch den Pilz aufgeklärt werden.
Obwohl Mikroalgen wesentlich zur globalen CO2-Fixierung beitragen, sind ihre Interaktionen mit anderen Mikroben kaum bekannt. Wir haben entdeckt, dass das Bakterium Pseudomonas protegens das Wachstum der Bodenalge Chlamydomonas reinhardtii hemmt, sie entgeißelt und ihre Morphologie verändert. Daran ist eine Vielzahl bakterieller Waffen beteiligt, wie ein cyclisches Lipopeptid und ein Polyin. Die Interaktion wird von abiotischen und biotischen Faktoren beeinflusst. Wir werden nun die beteiligten Regulationsmechanismen im Detail untersuchen und sie mit einem marinen Chlamydomonas-basierten Modellsystem vergleichen, um zum Verständnis der Primärproduktion und zur Kontrolle von Algenblüten beizutragen.
Holzzersetzende Basidiomyceten wie der Hausschwamm Serpula lacrymans oder der Spaltblättling Schizophyllum commune interagieren miteinander sowie mit Bakterien wie Bacillus subtilis in ihrem Lebensraum. Die ausgetauschten Signalmoleküle beeinflussen Abbauraten, aber auch die mikrobielle Gemeinschaft. Mit dieser tripartiten Interaktion wollen wir untersuchen, wie Bakterien das Pilzwachstum beeinflussen (organismische Kommunikation) und wie Signale aufgenommen und intrazellulär verarbeitet werden (intrazelluläre Signaltransduktion). Dieses Verständnis kann im Holzschutz helfen, die Mikrobengemeinschaft gezielt zu beeinflussen.
Die durch den Pilzerreger Verticillium longisporum bei Brassicaceen hervorgerufene vaskuläre Welke ist eine Krankheit, die in Nordeuropa zunehmend an Bedeutung gewinnt. Die Pathogenese und die Abwehrmechanismen dieser Krankheit sind nicht gut verstanden, vor allem weil der Pilz über die Wurzeln eindringt und versteckt im Xylem lebt. Ziel dieses Projekts ist es, die Rolle und den Transportmechanismus extrazellulärer RNAs (exRNAs) bei der Interaktion zwischen dem Ascomyceten Verticillium longisporum (Vl) und der Kulturpflanze Brassica napus zu untersuchen. Dieses Pathosystem ermöglicht es uns, den Apoplasten und das Gefäßsystem der Pflanze als Schauplatz der Auseinandersetzungen zwischen Wirt und Pilz zu untersuchen. Das Projekt befasst sich mit drei Hauptfragen: (a) wie trägt der exRNA-Austausch zwischen dem pathogenen Pilz und dem Pflanzenwirt zum Infektionsprozess bei, (b) wie können exRNAs und Komplexe aus RNAs und RNA-bindenden Proteinen (RBPs) gezielt zwischen Wirt und Pathogen ausgetauscht werden, und (c) welche Funktionen haben exRNAs in Wirtszellen? In der ersten Förderperiode haben wir erfolgreich extrazelluläre Vesikel (EV)-assoziierte Proteine und RNAs aus Pilzflüssigkulturen charakterisiert. Außerdem konnten wir die phytotoxische Wirkung der EV-Fraktion aus V. longisporum in B. napus nachweisen. In der zweiten Förderperiode zielt unser Projekt darauf ab, den Mechanismus des exRNA-Transports vom Pilz zur Pflanze näher zu charakterisieren, den RNA-Transfer zu bestätigen und die Auswirkungen auf die Wirtszellen zu untersuchen. Während der ersten Förderperiode stellte sich heraus, dass sauberere EVs für die Bestandsanalysen von Vorteil wären. Daher werden wir in der zweiten Förderperiode unsere biochemische Expertise nutzen, um EVs aus Kultur zu subfraktionieren, Vl-EV-Marker zu etablieren, die EV-assoziierte Fraktion von Vl-infizierten Pflanzen zu charakterisieren, den RNA-Transfer auf Pflanzenzellen zu bestätigen und die Funktionen von Kandidaten-RNAs und RNA-bindenden Proteinen (RBPs) zu entschlüsseln. Durch die Kombination der Erkenntnisse aus den anderen Projekten des RU5116-Konsortiums können die in diesem Projekt gewonnenen Erkenntnisse in Zukunft in innovative RNA-basierte Pflanzenschutzstrategien umgesetzt werden.
Pflanzenpathogene verursachen Krankheiten, die 20-30 % der weltweiten Ernteproduktivität zerstören können. Pilzpathogene verursachen einige der zerstörerischsten Pflanzenkrankheiten. Das Verständnis ihrer Infektionsmechanismen bietet vielversprechende Möglichkeiten, neuartige Methoden zu entwickeln um ihre Ausbreitung zu verhindern, den Einsatz giftiger Chemikalien zu reduzieren und dadurch die Ernteproduktivität zu steigern. Wir benötigen jedoch neuartige und innovative Ansätze, um die mechanistischen Details der Virulenz der Pathogene zu entschlüsseln. In diesem Antrag werden wir untersuchen, wie der Brandpilz Grundnahrungsmittel wie Reis, Gerste und Weizen infiziert und dabei eine verheerende Pandemie verursacht, die die globale Ernährungssicherheit bedroht. Zu diesem Zweck werden wir modernste Technologien in der Röntgenkristallographie und der kryogenen Elektronenmikroskopie einsetzen, um mit dem höchsten jemals aufgezeichneten Detailgrad zu verstehen, wie der Pilz in die Pflanzen eindringt. Indem wir verstehen, wie dieser Pilz Pflanzen infiziert, tragen wir zur Entwicklung neuartiger Strategien zur Krankheitsbekämpfung bei, bewältigen eine kritische wirtschaftliche Herausforderung in der globalen Landwirtschaft und gewährleisten die Ernährungssicherheit für künftige Generationen.
Ernährungssicherheit und gesunde Ernährung für 11 Milliarden Menschen im Jahr 2100 ist eine der größten Herausforderungen dieses Jahrhunderts. Laut der wissenschaftlichen Literatur gibt es keine andere Möglichkeit als die globale Ertragseffizienz zu erhöhen und die Ertragslücke zu verringern, um die globale Ernährungssicherheit zu gewährleisten - da eine weitere Flächenvergrößerung für die Landwirtschaft keine akzeptable Alternative darstellt. Um diese landwirtschaftlichen Ziele zu verwirklichen, sind neue Erkenntnisse über die Mechanismen von Pflanzenkrankheiten/Immunität und neue technologische Entdeckungen im Pflanzenschutz erforderlich. Daher ist es das Hauptziel dieser Initiative, ein dynamisches und international führendes Konsortium zu schaffen, mit dem gemeinsamen Ziel, ein mechanistisches Verständnis der kulturübergreifenden RNA-basierten Kommunikation zwischen Pflanzenwirten und ihren interagierenden Mikroben zu entwickeln. Unsere zentrale Hypothese ist, dass sRNAs (RNA-Effektoren) eine evolutionär konservierte Schlüsselrolle bei der Etablierung und Entwicklung pathogener und mutualistischer Pflanzen-Mikroben-Interaktionen haben und daher ein hohes Potenzial für die Verbesserung von Kulturpflanzen und eine nachhaltigere Produktion besitzen. Die allgemeinen strategischen Ziele unserer Initiative sind: i. die Aufklärung der Prinzipien und Komponenten der ckRNAi in Wirt-Mikroben-Interaktionen; ii. die Entwicklung neuer Strategien zur Verbesserung von Pflanzenschutz und Ertrag; und iii. der Aufbau von Forschungskapazitäten in der RNA-Biologie zusammen mit der Ausbildung der nächsten Generation von Studenten in diesem wichtigen Forschungsbereich. Unsere spezifischen wissenschaftlichen Ziele sind: i. die vergleichende Aufdeckung der mechanistischen Rolle der sRNAs in ckRNAi und ihrer Übertragungswege bei einer Vielzahl von agronomisch relevanten Pflanzen-Mikroben-Interaktionen; ii. die vergleichende Bewertung der molekularen Faktoren, die für den kulturübergreifenden Transfer von RNAs auf den Wegen zwischen Pflanze und Mikrobe bei diesen Interaktionen erforderlich sind; und iii. die Entwicklung von Strategien zur Verbesserung der Verwendung von sRNA und dsRNA bei der Kontrolle von Pflanzenkrankheiten.
Pflanzen integrieren Prozesse in zwei getrennten Sphären (Luft und Boden) mit unterschiedlichen wirtspflanzenabhängigen Organismen. Bisher sind kaum Mediatorsubstanzen der Inter-aktionen zwischen Blattfraßfeinden und wurzelbesiedelnden Organismen bekannt. Mittels Metabolomics und Transcriptomics werden Veränderungen in Wurzeln fraßgeschädigter Pflanzen charakterisiert und zugrundeliegende Signalwege identifiziert. In Feldversuchen werden, durch genetische Manipulation dieser Merkmale, deren ökologische Funktion in Interaktionen mit Bodenbakterien und -pilzen und Auswirkungen auf Pflanzenabwehr und -fitness untersucht.
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