Pflanzen passen sich an räumliche und zeitliche Fluktuationen von Nährstoffen im Boden durch das "Sensing" von Nährstoffen und Veränderungen in der Wurzelarchitektur an. Solche morphologischen Anpassungen ermöglichen es, verfügbare Nährstoffe im Boden effizienter zu erschließen. Wenn Pflanzen unter leichtem bzw. mildem Mangel an Stickstoff (N) wachsen, erhöhen sie die Länge von Primär- und Seitenwurzeln. Diese Reaktion birgt Potential zur Verbesserung der N-Effizienz, weil sich das Bodenvolumen vergrößert, aus dem limitierende Nährstoffe aufgenommen werden. In unseren Vorarbeiten haben wir in natürlichen Akzessionen der Modellpflanze Arabidopsis allelische Variation in Genen der Brassinosteroid- und Auxinbiosynthese bzw.-Signaltransduktion (YUC8, BSK3) gefunden, die die Wurzelverlängerung unter mildem N-Mangel verändern. Das finale Ziel dieses 6-jährigen Projekts ist es, die hormonelle Regulation der Wurzelverlängerung unter N-Mangel aufzuklären und diese Kenntnis zu nutzen, um in Gerstenwurzeln die Wurzelentwicklung unter N-Mangel und damit die N-Aufnahmeeffizienz zu verbessern. Ziele der ersten 3 Jahre sind: i) in Arabidopsis die Rolle der YUC8-abhängigen Auxinbiosynthese und ihre Beziehung zu Brassinosteroiden in der Wurzelverlängerung unter leichtem N-Mangel aufzuklären und ii) in einem translationalen Ansatz in Gerste den Beitrag der allelischen Variation von Genen der Brassinosteroid- bzw. Auxinbiosynthese oder Signaltransduktion zur Wurzelstreckung zu untersuchen und zu modulieren. Zunächst werden in Arabidopsis die molekularen Mechanismen hinter den identifizierten allelischen Variationen im YUC8-Gen sowie seine Rolle in der Regulation der Wurzelverlängerung bestimmt. Dabei wird die Wurzelantwort auf milden N-Mangel in yuc-Mutanten und YUC8-komplementierten Linien charakterisiert. Diese und weitere Mutanten- und Reporterlinien werden auch eingesetzt, um die Beziehung zwischen Brassinosteroiden und Auxin in der transkriptionellen Regulation der Wurzelantwort auf milden N-Mangel aufzuklären. In einem translationalen Ansatz wird in Gerste das "schwache" BSK3-Allel durch das "starke" BSK3-Allel aus Arabidopsis ersetzt, da alle bisher untersuchen Gerstenakzessionen nur ein "schwaches" BSK3-Allel tragen. In einem Schritt wird die Cas Endonuklease-vermittelte Deletion des schwachen BSK3-Endogens mit der Komplementation durch das starke Transgen kombiniert. In einem RNA-Sequenzierungsansatz werden N-Mangel-regulierte Gene in Gerstenwurzeln identifiziert, um Kandidatengene auszuwählen, die zur CRISPR-Cas-vermittelten Gendeletion und zur Überexpression mithilfe eines wurzelspezifischen Promoters eingesetzt werden. Alle transgene Linien werden anschliessend hinsichtlich der Veränderung ihrer Wurzelarchitektur unter N-Mangel phänotypisiert.
A4.1 Ökosystemreaktionen und Rückkopplungen im Ökosystem-Atmosphäre-Austausch von CO2, H2O und VOCs in einem heterogenen Waldökosystem Um die Lücke zwischen der relativ kleinen Skala eines einzelnen Baumes und einem Waldbestand zu schließen, analysiert A4.1 den Austausch zwischen Ökosystem und Atmosphäre durch Eddy-Kovarianz Messungen von H2O, CO2 und dessen Isoflux (13CO2). Somit lassen sich die Flüsse auf einer integrierten Skala in ihre Komponenten (Ökosystematmung und Bruttoprimärproduktion) auftrennen. Darüber hinaus messen wir die Aufnahme und Freisetzung von VOC durch unsere Wälder und bringen sie mit wichtigen Ökosystemfunktionen in Verbindung, die stark auf Umweltveränderungen reagieren. A4.2 Entwicklung eines auf einem Interbandkaskadenlaser basierenden Messsystems zur Untersuchung des Austauschs zwischen Ökosystem und Atmosphäre von VOCs. Hier entwickeln wir erstmals eine optische spektroskopische Sensortechnologie, um VOCs mit Hilfe der durchstimmbaren Laserabsorptionsspektroskopie (TLAS) zu messen. Dies soll entlang der Konzentrationsgradienten am Messturm und in Verbindung mit Einzelblattküvetten (A3.2) erfolgen.
Die Quantifizierung von Auswirkungen steigender Temperaturen auf die Ernteerträge wird im Kontext des globalen Klimawandels und der Ernährungssicherheit immer wichtiger. Gegenwärtig wird das Verständnis der Wachstumsreaktion von Nutzpflanzen auf erhöhte Temperaturen auf der Basis von Experimenten in Kammern und unter kontrollierten Umgebungen abgeleitet, in denen sich Luft- und Blatttemperatur meist wenig unterscheiden. Unter natürlichen Produktionsbedingungen können Luft- und Blatttemperatur in Abhängigkeit vom Wasserstatus der Pflanzen und den atmosphärischen Bedingungen jedoch leicht um mehr als +/- 5°C voneinander abweichen. Es gibt daher nur wenige Hinweise darauf, welche Temperaturen kritische Wachstums- und Entwicklungsprozesse antreiben, was zu großen Unsicherheiten in der zu erwartenden Reaktion der Pflanzen auf zukünftige Klimabedingungen führt. Die vorgeschlagene Studie setzt eine Kombination aus Feldversuchen, Modellverbesserungen und modellgestützten Hypothesentests ein, um besser zu verstehen, welche Temperatur (Kultur, Luft, Boden) die Entwicklungsraten der Kulturpflanzen und deren Ertragsbildung beeinflussen.
Vor dem Hintergrund des globalen Wandels stehen die Ökosysteme weltweit vor großen Herausforderungen. In Europa haben die jüngsten Dürren zu einem verheerenden Waldsterben geführt, das auf direkte und indirekte Auswirkungen der Trockenheit zurückzuführen ist. Hydraulische Umverteilung (HR) - der passive Transport von Wasser zwischen verschiedenen Bodentiefen über das Wurzelsystem der Pflanzen - ist ein Prozess, der potentiell Auswirkungen auf die Fähigkeit der Ökosysteme, Dürren abzuschwächen, haben kann. „Hydraulic Lift“ (HL) ist die häufigste Form von HR, bei der sich das Wasser aufgrund des Wasserpotenzialgefälles zwischen dem feuchteren Boden in der Tiefe und dem trockenen Boden an der Oberfläche während der Nacht passiv in die trockene Bodenregion bewegt und so möglicherweise eine wichtige Wasserquelle für die Pflanzen darstellt. Mehr als zwei Jahrzehnte Forschung über HR haben gezeigt, dass es sich dabei um einen Prozess mit globaler Bedeutung für Ökosysteme handelt. Trotz dieser Bedeutung sind konsistente Datensätze zu HR auf räumlichen Skalen größer als der Baumskala, und evidenzbasierte Modellierungsansätze äußerst selten. Infolgedessen sind wir derzeit nicht in der Lage, genau vorherzusagen, ob und unter welchen Bedingungen HR eine wichtige Komponente für die Resilienz von Wäldern und anderen Ökosystemen unter den prognostizierten klimatischen Veränderungen sein wird. In diesem Projekt werden wir zum ersten Mal einen räumlich und zeitlich hochaufgelösten Datensatz über HR sammeln. Mit diesem Datensatz wollen wir die Relevanz von HR auf der Feldskala untersuchen, die Heterogenität von HR bewerten und ermitteln, welche Pflanzengruppen von HR profitieren. Wir etablieren hierfür ein Monitoringsystem, das speziell für die Identifikation, Monitoring und Quantifizierung von HR entwickelt wurde. Dieses System kombiniert Methoden basierend auf der in situ-Messung stabiler Wasserisotope, ökohydrologischen Ansätzen und isotopischen Markierexperimenten in einem Laubmischwald in Niedersachsen. Der Datensatz wird anschließend zur Parametrisierung und Kalibrierung des isotopengestützten Boden-Vegetations-Atmosphären-Transfermodells (SVAT) MuSICA verwendet. Das kalibrierte Modell wird anschließend genutzt, um die Bedeutung von HR für die Resilienz des untersuchten Laubmischwald-Ökosystems unter verschiedenen Szenarien vorherzusagen. Die Ergebnisse dieses Projekts werden dazu beitragen, die Rolle von HR für Waldökosysteme jetzt und unter den prognostizierten zukünftigen Klimabedingungen zu verstehen. Es wird dazu beitragen, die potenzielle Pufferwirkung von HR bei Dürren und extremen Bedingungen zu bewerten, was für die Waldbewirtschaftung im Hinblick auf die Entwicklung widerstandsfähiger Waldökosysteme der Zukunft essentiell sein kann. Darüber hinaus könnte der vorgeschlagene methodische Rahmen möglicherweise zu einem Standardverfahren für die Bewertung von HR auf größeren räumlichen Skalen werden.
Um mit fluktuierenden Verfügbarkeiten unterschiedlicher Stickstoff (N)-Verfügbarkeiten im Boden zurecht zu kommen, haben Pflanzen unterschiedliche Transportsysteme für die Aufnahme von Nitrat und Ammonium entwickelt. Um einer Belastung des Metabolismus bei ungleicher Aufnahme dieser beiden entgegen gesetzt geladenen N-Formen zu entgegnen, müssen die Kapazitäten von Ammonium- und Nitrattransportsystemen eng koordiniert werden. Bei geringen Aussenkonzentrationen wird die Wurzelaufnahme von Ammonium über hochaffine AMT1-artige und von Nitrat über hochaffine NRT2-artige und niederaffine NRT1-artige Membrantransporter vermittelt. Dabei vermittelt der Transceptor NRT1.1 nicht nur den Transport sondern auch das ‚Sensing‘ von Nitrat, indem er das Expressionsniveau von NRT2- und AMT1-Transportergenen reguliert. Unsere bisherigen Experimente in Arabidopsis zeigen, dass eine amt-Vierfachmutante mit defekter Ammoniumaufnahme auf Nitrat oder Ammoniumnitrat besser wächst als der Wildtyp, während Influx- und Genexpressionsstudien auf regulatorische Komponenten deuten, die nicht durch die Sensingfunktion von NRT1.1 allein erklärt werden können. Daher ist das übergreifende Ziel dieses Antrags die regulatorischen Mechanismen zu untersuchen, die das Ammonium-zu-Nitrat Verhältnis bei der N-Aufnahme über die Wurzel steuern. Dazu wird i) die spezifische Rolle des Ammoniumtransporters AMT1.5 in der hochaffinen Ammoniumaufnahme in Anwesenheit von Nitrat aufgeklärt; ii) die regulatorische Funktion von N-Form-abhängigen pH-Wert-Veränderungen in der NRT1.1-abhängigen und -unabhängigen Regulation von NRT2- und AMT1-Genen ergründet; und iii) transkriptionale Regulatoren von NRTs und AMTs identifiziert und charakterisiert, die das Aufnahmeverhältnis von Ammonium zu Nitrat modulieren. Die erwarteten Ergebnisse sollen erklären, wie Pflanzen ein unausgewogenes Aufnahmeverhältnis der beiden N-Formen erkennen und Erkenntnisse liefern, wie die pflanzliche N-Ernährung verbessert werden kann.
A03 wird hochfrequente und zerstörungsfreie Messungen der stabilen Isotopenzusammensetzung von Boden- und Pflanzenwasser sowie der Luftfeuchte der Umgebung an ausgewählten Versuchsstandorten durchführen, die die wichtigsten in CLM5.0 repräsentierten Pflanzenfunktionstypen (PFT) abdecken. Die Isotopendaten werden zur Parametrisierung des isotopenfähigen SVAT-Modells SiSPAT-Isotope für Simulationen des Transpirations-Evapotranspirations-Verhältnisses T/ET für verschiedene PFT und Klimabedingungen auf der Feldskala verwendet. Dadurch wird das Projekt wesentliche Informationen zur Verbesserung der PFT-spezifischen Parametrisierung von T/ET-Verhältnissen in CLM5.0 liefern.
Die Erkennung pathogener Effektorproteine durch intrazelluläre Immunrezeptoren der Nukleotid-bindenden Leucin-reichen Repeat-Rezeptor (NLR)-Familie löst eine Effektor-getriggerte Immunität (ETI) aus. Gegenwärtig wird angenommen, dass bei pflanzlichen NLR Proteinen, insbesondere CNLs (Coiled-Coil (CC)-Domänen enthaltenden NLRs) und Helfer-NLRs, die Aktivierung zur Bildung eines oligomeren Komplexes an der Plasmamembran führt, wobei die N-terminale alpha-Helix der CC-Domänen eine membrandurchdringende Pore bilden könnte, welche für die Initiierung des Zelltodes in der ETI erforderlich ist. Wir haben zu einer wichtigen Studie beigetragen, die das Modell der Porenbildung und der Lokalisation an Membranen unterstützt. Eine Membranlokalisierung ist für die Funktion vieler CNLs wichtig und wird oft durch die CC-Domäne vermittelt. Wir fangen gerade erst an die genauen Mechanismen der CNL-vermittelten Zelltod-Antwort während der ETI oder Autoimmunität zu verstehen. Wir haben phylogenetisch verwandte CNLs identifiziert, welche eine potentielle N-terminale Myristoylierungs- und Palmitoylierungsstelle (PM) aufweisen. In Arabidopsis umfasst diese PM-CNL Familie gut charakterisierte CNLs wie RPS5, SUMM2, SUT1 oder UNI. Ein PM CNL, das At1g61300/PM5, hat eine Variante der CC-Domäne, welche eine 115 Aminosäuren Deletion aufweist. Genauere Charakterisierungen dieses 'verkürzten' PM-NLRs konnten zeigen, dass PM5 trotz der Deletion eine kanonische Zelltodaktivität besitzt. Desweiteren ist die Expression der ersten 60 Aminosäuren ausreichend um Zelltod einzuleiten. PM5 ist am Golgi und dem Tonoplasten lokalisiert und seine Expression induziert eine Vesikulation der Vakuole, sowie eine Expansion des Zellkerns. Interessanterweise sind pm5-Mutanten, wie auch Mutanten anderer Mitglieder dieser PM-CNL-Klasse, anfälliger für Infektionen mit dem virulenten Bakterium Pseudomonas syringae, was auf eine wichtige Funktion für die Pflanzenimmunität hinweist. Wir haben einen einzigartigen experimentellen Rahmen für die Analyse des CNL-vermittelten Zelltods geschaffen, indem wir verschiedene Ansätze nutzen, um Mechanismen der Regulation und Aktivität dieses verkürzten CNLs PM5 aufzudecken - ein einzigartiges CNL, das möglicherweise durch die Evolution auf die minimal erforderlichen Merkmale für die CNL-Funktion reduziert wurde. PM5 ist ein außergewöhnliches Beispiel, um neue und wichtige Einblicke in die minimalen Anforderungen für CNL-Zelltodaktivität, Immunfunktionen und Regulation zu erhalten. Wir werden untersuchen, wie pm5-Mutanten die pflanzliche Immunität beeinflussen und welche Immunsektoren/Regulatoren für PM5-induzierte Phänotypen erforderlich sind. Darüber hinaus wollen wir Komponenten identifizieren, welche die PM5-Funktion regulieren und für nachgeschaltete Reaktionen erforderlich sind, die durch PM5-(Auto-)Immunität ausgelöst werden. Weiter wollen wir die molekularen Mechanismen des PM5-vermittelten Zelltods und der PM5-ausgelösten vakuolären Vesikulation aufklären.
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.
Das SPP DECRyPT trägt dazu bei, die Rolle des pflanzlichen Immunsystems bei der Regulierung von Mikrobiomen und deren Leistungen für Pflanzen aufzuklären. Dieses DECRyPT-Projekt untersucht die wechselseitigen Interaktionen zwischen der systemischen Immunität von Pflanzen und dem Mikrobiom der Phyllosphäre. Wir fanden heraus, dass induzierte systemische Resistenz (ISR), ausgelöst durch Interaktionen der Wurzeln von Arabidopsis thaliana mit nützlichen Mikroben, die Zusammensetzung der Blattmikrobiota durch Pflanzen-Mikroben-Mikroben-Interaktionen verändert. Diese Interaktionen führten zur Rekrutierung neuer Mikrobiota mit pflanzenwachstumsfördernden Eigenschaften auf dem Blatt. In den für DECRyPT Phase-II vorgeschlagenen Arbeiten wollen wir die molekularen Mechanismen charakterisieren, die den von uns beobachteten Mikroben-Mikroben-Interaktionen zwischen Pseudomonas simiae und At-L-Sphere Flavobakterium Leaf82 zugrunde liegen und zur Rekrutierung von Leaf82 auf A. thaliana Blättern und zur Wachstumsförderung der Pflanzen führten. Zusätzlich wollen wir die Auswirkungen der gleichen Bakterien und zusätzlicher Pflanzen-Mikroben-Interaktionen auf das Phyllosphären-Mikrobiom von Hordeum vulgare (Gerste) untersuchen. In Gerste werden wir ISR mit synthetischen Gemeinschaften (SynComs) auslösen und die modulierenden Effekte des Pathogens Bipolaris sorokiniana untersuchen. Wir werden auch abiotischen Stress anwenden, mit dem übergeordneten Ziel, Veränderungen im Mikrobiom der Phyllosphäre als Reaktion auf mehrere Stressfaktoren zu identifizieren. Dabei folgen wir der Arbeitshypothese, dass robuste Mikrobiom-Veränderungen, die mit abiotischen und nützlichen und/oder pathogenen biotischen Stimuli assoziiert sind, wahrscheinlich einen breiten Spektrum an Stresstoleranzen in Pflanzen stärken. Darüber hinaus werden wir durch die Untersuchung der Blattmikrobiom-Dynamik als Reaktion auf Pflanze-Pflanze-Interaktionen untersuchen, ob Interaktionen zwischen Pflanzen das Mikrobiom der Phyllosphäre stabilisieren und Pflanzen und Pflanzengemeinschaften in die Lage versetzen, dem Pathogendruck besser zu widerstehen. Die damit verbundenen Funktionen des Mikrobioms werden in SynCom-Experimenten getestet. Parallele Analysen von Pflanzenwachstumsparametern und von Genexpressionsprofilen von sowohl Pflanzen als auch Mikrobiota werden Einblicke in die Auswirkungen der Mikrobiomdynamik auf die Pflanzenfitness und -gesundheit liefern. Zusammengenommen werden die Ergebnisse dieser Experimente Einblicke in Mikroben-Mikroben-, Mikroben-Pflanzen- und Pflanzen-Pflanzen-Interaktionen liefern und deren Rolle bei der Rekrutierung und Verbreitung von (der Pflanzenfitness fördernden) Mikrobiota-Funktionen in der Phyllosphäre charakterisieren.
Eisen (Fe), Zink (Zn) und Selen (Se) sind wichtige Mineralstoffe für den Menschen. Weltweit leiden über 1,2 Milliarden Menschen an Fe, Zn und/oder Se Unterversorgung. Mais (Zea mays L.) ist global betrachtet die meistproduzierte Getreideart. Menschen, deren Hauptnahrungsquelle Mais darstellt, gehören zu denjenigen, die am stärksten von einem dieser Mineralstoffmängel bedroht sind. Zugleich wird prognostiziert, dass die durch den Klimawandel verursachte Zunahme an Trockenheitsperioden zu einem Rückgang der Erträge sowie der Mikronährstoffgehalte in Maispflanzen führen wird. Die Züchtung von Maissorten mit einer stabileren Aufnahme von Fe, Zn und Se aus dem Boden und einer effizienten Translokation dieser Nährstoffe in essbares Gewebe bei Wasserknappheit stellt eine vielversprechende Strategie dar, die humane Mais-basierte Mikronährstoffversorgung zu sichern oder sogar zu steigern. Entsprechend ist das Hauptziel dieses Projektes physiologische, molekulare und genetische Faktoren zu identifizieren und zu verstehen, die die Fe-, Zn- und Se-Akkumulation unter Wassermangel steuern und folglich zur Züchtung von Mais mit höherem Mikronährstoffgehalten beitragen. Die synergistischen Arbeitspakete kombinieren modernste Multi-Omics-Techniken aus den Bereichen Ionomik, Genomik und Transkriptomik mit high-end Röntgen-gestützter räumlicher Elementverteilungskartierung, um die räumlich-zeitliche Dynamik der Nährstoffaufnahme und -translokation in ausgewählten, agronomisch relevanten, natürlichen Maislinien sowie in Maislinien, welche in Merkmalen, die die Nährstofflogistik potentiell beeinflussen, mutiert sind, zu verstehen. Ein Fokus liegt insbesondere auf der Rolle der exo- und endodermalen Barrieren, deren Bedeutung für die Mikronährstoffaufnahme in Mais noch nicht erforscht ist. Ein weiteres Ziel ist die Charakterisierung der raumzeitlichen Expression von Transportproteinen kodierender Gene in Wurzeln, Blättern und Blütenständen in Abhängigkeit der Fe-, Zn-, Se- und Wasserversorgung in verschiedenen Maisgenotypen und deren quantitativer Beitrag zum Zellimport und -export, dem Radialtransport und der Xylem- und Phloembeladung von Fe-, Zn- und Se. Zudem wird ein Forward-Ionomik Screening einer Mais-MAGIC-Population, die unterschiedliche Wassermangel-Toleranzen aufweist, durchgeführt. Dies wird mit einer Assoziationskartierung kombiniert, um genetische Loci und zugrundeliegende Gene zu identifizieren, die die Unterschiede in der Fe-, Zn- und Se-Akkumulation in Spross und Korn unter Gewächshaus- und Freilandbedingungen steuern. Die erzielten Ergebnisse des Projektes werden zu einem besseren Verständnis der gekoppelten und individuellen Aufnahme- und Akkumulationsprozesse von Fe, Zn und Se in Mais beitragen, und damit zur Züchtung von Maislinien, die im Kontext eines sich wandelnden Klimas dennoch hohe Gehalte an, für Mensch und Tier, essentiellen Mikronährstoffen aufweisen.
| Origin | Count |
|---|---|
| Bund | 27 |
| Wissenschaft | 1 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 27 |
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| License | Count |
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| Language | Count |
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| Resource type | Count |
|---|---|
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| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 18 |
| Lebewesen und Lebensräume | 25 |
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