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Experimentelle Anwendung und Erweiterung von Werkzeugen zur prädiktiven Züchtung in Kartoffel, Teilvorhaben 3: Materialentwicklung, Feldversuchsdurchführung und Implementierung sensorgestützter Phänotypisierungsmethoden (NORIKA)

Kartoffelstärke kann sehr vielseitig eingesetzt werden und ist ein wichtiger Baustein der Nationalen Bioökonomie-Strategie Deutschlands. Im Vergleich zu überwiegend monogen vererbten Merkmalen wie manchen Krankheitsresistenzen sind quantitative Merkmale wie der Knollen- oder Stärkeertrag züchterisch schwieriger zu bearbeiten. Autotetraploidie, geringer Vermehrungskoeffizient und eine Vielzahl relevanter Selektionsmerkmale mindern den Zuchtfortschritt in quantitativen Merkmalen bei Kartoffeln zusätzlich. Verfahren der prädiktiven Züchtung wie genomische Selektion versprechen daher einen großen Nutzen in der Kartoffelzüchtung. In der vorausgegangenen Projektphase (PotatoTools) wurden genomische und statistische Werkzeuge zur prädiktiven Stärkekartoffelzüchtung aber auch erste Vorhersagemodelle entwickelt. Das Hauptziel des vorliegenden Vorhabens ist es nun, unter Nutzung der bereits entwickelten genomischen Ressourcen wesentliche Fragen zum Einsatz prädiktiver Verfahren in der Kartoffelzüchtung zu beantworten. Im Detail planen wir die (i) Erhöhung der Repräsentativität des Sets an strukturellen Genomvarianten durch Erweiterung des Resequenzierungspanels, (ii) Abschätzung der Genauigkeit der Leistungsvorhersage über Materialgruppen unterschiedlichen Verwandtschaftsgrads hinweg sowie der Genauigkeit der Vorhersage von Populationsmittel und Spaltungsvarianz, (iii) Evaluation der Vorhersagegenauigkeit von spektroskopisch erfassten Prädiktoren vgl. zu molekulargenetischen Prädiktoren und (iv) Optimierung von Kartoffelzüchtungsprogrammen hinsichtlich des genutzten Züchtungsschemas und der idealen Balance zwischen kurz- und langfristigem Selektionsgewinn. Mit dem in diesem Projekt gewonnen Wissen wird die prädiktive Züchtung für quantitativ vererbte Merkmale der Kartoffel weiter verbessert sowie für den routinemäßigen Einsatz vorbereitet werden.

Die Rolle von NO in der Signaltransduktion bei pflanzlichen Abwehrreaktionen

Pflanzen verfügen über vielfältige Mechanismen zum Schutz vor Pathogenbefall oder Umweltstress. Dabei weisen pflanzliche Abwehrsysteme Ähnlichkeiten zum angeborenen Immunsytem von Säugern auf, bei dem Stickoxid (NO) eine Schlüsselrolle spielt. Auch in Pflanzen finden sich wichtige Komponenten der durch NO induzierten Signalübertragung. NO aktiviert Abwehrgene und ist beteiligt an programmiertem Zelltod und an der Abwehr von Pathogenen. Das vorgeschlagene Projekt hat zum Ziel, die Signalübertragung durch NO in Tabak und Arabidopsis zu erforschen und die Rolle von NO bei der Abwehr von Pathogenen zu klären. (1) Ein Schwerpunkt soll in der Aufklärung der Signalübertragung durch NO und der Aktivierung von Abwehrgenen liegen. Es soll geklärt werden, ob NO als mobiles Signal dient, und ob andere Signalmoleküle (z.B. Salicylsäure) in die NO-Signalübertragung integriert sind. (2) Um die Bedeutung von NO für die Regulation von Abwehrmechanismen zu klären, sollen Expressionsprofil und Expressionsdynamik von NO-induzierten Genen durch DNA-ChipTechnologie analysiert werden. Diese neuartige Technik wird auch Aufschluss über eine etwaige Vernetzung der NO-Signalübertragung mit pflanzlichen Hormonsystemen liefern. Die Erforschung der Signalübertragung durch NO in Pflanzen kann unser Verständnis von Resistenzmechanismen vertiefen und zur Entwicklung pathogen-resistenter Pflanzen beitragen.

Experimentelle Anwendung und Erweiterung von Werkzeugen zur prädiktiven Züchtung in Kartoffel

Kartoffelstärke kann sehr vielseitig eingesetzt werden und ist ein wichtiger Baustein der Nationalen Bioökonomie-Strategie Deutschlands. Im Vergleich zu überwiegend monogen vererbten Merkmalen wie manchen Krankheitsresistenzen sind quantitative Merkmale wie der Knollen- oder Stärkeertrag züchterisch schwieriger zu bearbeiten. Autotetraploidie, geringer Vermehrungskoeffizient und eine Vielzahl relevanter Selektionsmerkmale mindern den Zuchtfortschritt in quantitativen Merkmalen bei Kartoffeln zusätzlich. Verfahren der prädiktiven Züchtung wie genomische Selektion versprechen daher einen großen Nutzen in der Kartoffelzüchtung. In der vorausgegangenen Projektphase (PotatoTools) wurden genomische und statistische Werkzeuge zur prädiktiven Stärkekartoffelzüchtung aber auch erste Vorhersagemodelle entwickelt. Das Hauptziel des vorliegenden Vorhabens ist es nun, unter Nutzung der bereits entwickelten genomischen Ressourcen wesentliche Fragen zum Einsatz prädiktiver Verfahren in der Kartoffelzüchtung zu beantworten. Im Detail planen wir die (i) Erhöhung der Repräsentativität des Sets an strukturellen Genomvarianten durch Erweiterung des Resequenzierungspanels, (ii) Abschätzung der Genauigkeit der Leistungsvorhersage über Materialgruppen unterschiedlichen Verwandtschaftsgrads hinweg sowie der Genauigkeit der Vorhersage von Populationsmittel und Spaltungsvarianz, (iii) Evaluation der Vorhersagegenauigkeit von spektroskopisch erfassten Prädiktoren vgl. zu molekulargenetischen Prädiktoren und (iv) Optimierung von Kartoffelzüchtungsprogrammen hinsichtlich des genutzten Züchtungsschemas und der idealen Balance zwischen kurz- und langfristigem Selektionsgewinn. Mit dem in diesem Projekt gewonnen Wissen wird die prädiktive Züchtung für quantitativ vererbte Merkmale der Kartoffel weiter verbessert sowie für den routinemäßigen Einsatz vorbereitet werden.

Experimentelle Anwendung und Erweiterung von Werkzeugen zur prädiktiven Züchtung in Kartoffel, Teilvorhaben 1: Genomische Diversität und Zuchtmethodik

Kartoffelstärke kann sehr vielseitig eingesetzt werden und ist ein wichtiger Baustein der Nationalen Bioökonomie-Strategie Deutschlands. Im Vergleich zu überwiegend monogen vererbten Merkmalen wie manchen Krankheitsresistenzen sind quantitative Merkmale wie der Knollen- oder Stärkeertrag züchterisch schwieriger zu bearbeiten. Autotetraploidie, geringer Vermehrungskoeffizient und eine Vielzahl relevanter Selektionsmerkmale mindern den Zuchtfortschritt in quantitativen Merkmalen bei Kartoffeln zusätzlich. Verfahren der prädiktiven Züchtung wie genomische Selektion versprechen daher einen großen Nutzen in der Kartoffelzüchtung. In der vorausgegangenen Projektphase (PotatoTools) wurden genomische und statistische Werkzeuge zur prädiktiven Stärkekartoffelzüchtung aber auch erste Vorhersagemodelle entwickelt. Das Hauptziel des vorliegenden Vorhabens ist es nun, unter Nutzung der bereits entwickelten genomischen Ressourcen wesentliche Fragen zum Einsatz prädiktiver Verfahren in der Kartoffelzüchtung zu beantworten. Im Detail planen wir die (i) Erhöhung der Repräsentativität des Sets an strukturellen Genomvarianten durch Erweiterung des Resequenzierungspanels, (ii) Abschätzung der Genauigkeit der Leistungsvorhersage über Materialgruppen unterschiedlichen Verwandtschaftsgrads hinweg sowie der Genauigkeit der Vorhersage von Populationsmittel und Spaltungsvarianz, (iii) Evaluation der Vorhersagegenauigkeit von spektroskopisch erfassten Prädiktoren vgl. zu molekulargenetischen Prädiktoren und (iv) Optimierung von Kartoffelzüchtungsprogrammen hinsichtlich des genutzten Züchtungsschemas und der idealen Balance zwischen kurz- und langfristigem Selektionsgewinn. Mit dem in diesem Projekt gewonnen Wissen wird die prädiktive Züchtung für quantitativ vererbte Merkmale der Kartoffel weiter verbessert sowie für den routinemäßigen Einsatz vorbereitet werden.

MZF: 'BarleyCOPA: Computergestützte Ableitung von GxGxE-Wechselwirkungen zur Identifizierung klimaresistenter Pathogenresistenzen bei Gerste (Co-Pan-Genom), Teilvorhaben E

Evolution der quantitativen Krankheitsresistenz von Eudicots gegen nekrotrophe pilzliche Krankheitserreger

ResiDevo zielt darauf ab, die Mechanismen zu verstehen, die der Diversität und Evolution der Krankheitsresistenz gegen nekrotrophe pilzliche Krankheitserreger in Pflanzen zugrunde liegen. Unsere Schlüsselhypothese, abgeleitet aus unseren vorläufigen Daten und evolutionären Theorien ist, dass viele QDR-Gene früh in der Evolution der Angiospermen entstanden sind und unterschiedliche Regulationsmechanismen erworben haben, die zu unterschiedlichen QDR-Reaktionen in modernen Pflanzenpopulationen führen. Das Ziel dieses Vorhabens ist es, globale Reaktionen auf nekrotrophe Pilze in Pflanzen aus zwei botanischen Familien zu vergleichen, um daraus allgemeine Regeln abzuleiten, die der Diversifizierung dieser Reaktionen auf verschiedenen evolutionären Skalen (intra- und interspezifisch) zugrunde liegen. Wir verfolgen vier Hauptziele, indem wir vergleichende Analysen an Pflanzenarten aus den Familien Brassicales (Arabidopsis thaliana und andere) und Solanales (Solanum chilense u.a.) und zwei Ascomyceten-Pathogenen mit ähnlicher Lebensweise (nekrotroph, foliar, asexuell) und kontrastierendem Wirtsspektrum (Generalist und Spezialist) als Organismen für diesen Ansatz.Wir werden: 1) Die intra- und interspezifische Variation in den QDR-Phänotypen der Pflanzen charakterisieren und die wichtigsten quantitativen Trait-Loci (QTLs) der Resistenz identifizieren. 2) Die Vielfalt der transkriptionellen Reprogrammierung während der QDR auf verschiedenen Ebenen dokumentieren: Spezies, Familie, Ordnung. 3) die Evolution von Sequenz und Expression von Genen, die auf Pilzpathogene reagieren, auf Populations-, Gattungs- und Familienebene untersuchen und 4) Schlüsselkomponenten der QDR validieren und die genomweiten Auswirkungen der Rekrutierung von Transkriptionsfaktoren in die QDR untersuchen.Diese interdisziplinäre Arbeit wird noch einzigartige Datensätze für evolutionäre Studien von Pflanzen-Mikroben-Interaktionen erzeugen, einschließlich: 1) Phänotypische Diversität auf einer vergleichbaren Skala für verschiedene Pflanzen, die mit Pilzen aus zwei verschiedenen Klassen der Ascomyceten inokuliert wurden. 2) Ein bisher einzigartiger Transkriptomik-Datensatz, der es erlaubt, eine Reihe wichtiger theoretischer Vorhersagen zu testen und nach Genen zu suchen, die zum QDR-Phänotyp in verschiedenen Spezies beitragen. 3) Vollständige evolutionäre Analysen von pathogen-responsiven Genen in verschiedenen Pflanzenlinien und 4) Eingehende funktionelle Charakterisierung der Rolle einiger Transkriptionsfaktoren in QDR und der genomweiten Konsequenzen ihrer natürlichen Sequenz-/Regulationsdiversifizierung.ResiDEvo wird zu konzeptionellen Fortschritten bei der Evolution des pflanzlichen Immunsystems führen. Es wird die Rolle neuartiger Resistenzmechanismen, die über zwei botanische Familien hinweg konserviert sind, identifizieren und validieren und dank der Daten, die an einbezogenen kultivierten Arten generiert wurden, vielversprechende Anwendungsperspektiven bieten.

Erhöhung des Resistenzpotentials der Gerste - Ein interdisziplinärer Ansatz unter besonderer Berücksichtigung der Resistenzaktivierung, Die Primärreaktion im Blattapoplasten von Hordeum vulgare nach Pilzinfektion und deren IR-bedingte Veränderung

An Blättern von Hordeum vulgare ist geplant, mittels Mikrosonden (ionenselektive Elektroden, Platinelektroden, klassische Elektrophysiologie) die unmittelbaren und mittelbaren Auswirkungen einer Pilz-Inokulaton (biotroph: Blumeria graminis; nekrotroph: Cochliobolus stivus) unmittelbar vor Ort und weitgehend nichtinvasiv zu untersuchen. Messort soll vorwiegend der extrazelluläre Raum (Apoplast) in unmittelbarer Umgebung der Infektionsstelle sein, aber auch die infizierte bzw. attackierte Zelle (Epidermis) selbst. Im Apoplasten werden einerseits ionenselektive Mikroelektroden zur Messung von pH, Ca2+, Cl- und K+ eingesetzt, sowie Metallelektroden zur Messung von Reaktiven Sauerstoffintermediaten (ROI) und anderer relevanter Redosprozesse. Die infizierte bzw. attackierte Zelle selbst und Nachbarzellen werden bezüglich Änderungen in cytosolischen pH und Membranpotential untersucht. Nach Konditionierung der Pflanzen mit chemischen Induktoren (DCINA, BTH) soll die Auswirkung einer Infektion vergleichend und in Realzeit untersucht werden. Der Einsatz resistenter transgener Gerste (wie z.B. Hv-BCI.4), die das chemisch induzierbare Bci-4 Gen konstitutiv exprimiert, soll vergleichend in die Untersuchungen mit einbezogen werden, um Induktor-unabhängig IR-Reaktionen zu erfassen. In enger Assoziation zu den Projekten, der geplanten Nachwuchsgruppe (entsprechende Untersuchungen an Nicht-Wirt-Resistenzen und quantitativer Resistenz) sowie mittelfristig zum Projekt Franken/Baltruschat (Neuantrag, wurzelinitiierte Systeme), wird dieses Projekt grundlegend neue Erkenntnisse über apoplastische und zelluläre Mechanismen induzierter Abwehrreaktionen erarbeiten können.

Transkriptionelle und metabolische Muster der Gerste für basale Krankheitsresistenz und -anfälligkeit gegenüber Mehltau (B08)

Wir möchten grundlegende Mechanismen der quantitativen Resistenz und Anfälligkeit gegen den Echten Gerstenmehltau aufklären. Wir werden die Daten aus unseren vorläufigen und geplanten Transkriptomanalysen nutzen, um die Funktion von Genen zu analysieren, die in Elternpflanzen und RACB-transgenen Pflanzen mit entweder erhöhter oder erniedrigter Anfälligkeit differenziell experimiert sind. Die Modifikation der Zellwand und der Zellzyklus stehen dabei bereits jetzt im Fokus unseres Interesses. Um ein tiefgehendes Verständnis der Transkriptionsmuster zu erlangen, nutzen wir Ansätze der reversen Genetik, Metabolismusstudien und Zellbiologie in unterschiedlichen Gerstengenotypen.

Sonderforschungsbereich (SFB) 924: Molekulare Mechanismen der Ertragsbildung und Ertragssicherung bei Pflanzen; Molecular Mechanisms Regulating Yield and Yield Stability in Plants, Schwerpunktprogramm SFB 924: Molekulare Mechanismen der Ertragsbildung und Ertragssicherung bei Pflanzen - Teilprojekt B06: Systemische Immunität in Arabidopsis und Gerste - Aufgliederung von Unterschieden und Ähnlichkeiten

Ziel dieses Projekts ist es, Signalkomponenten der systemisch erworbenen Resistenz (SAR) in Arabidopsis thaliana und einer Mutante, eds1, welche nicht mehr in der Lage ist, SAR Signale zu produzieren oder zu transportieren, zu identifizieren. EDS1 abhängige Peptide, Lipide und polare niedermolekulare Stoffe werden mit massenspektrometrischen Methoden identifiziert. Danach wird in verschiedenen (Nutz)Pflanzen untersucht, ob die so identifizierten möglichen SAR Komponenten Resistenz gegen Krankheitserreger auslösen. Des Weiteren wird der Einfluss von SAR Signalen auf Prozesse wie z.B. Trockenresistenz untersucht.

Systemisch-Aktivierte-Resistenz bei Getreiden

Aufklaerung und zukuenftige Nutzung von Resistenzmechanismen des Getreides gegenueber phytopathogenen Erregern. Isolierung und Charakterisierung neuer Gene der Gerste mit Hilfe von molekularbiologischen und cytologischen Methoden (siehe http://www.uni-giessen.de/ipaz).

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