Pflanzen-Biochemie und -Biotechnologie – AG Uwe Sonnewald

Die AG beschäftigt sich mit anwendungsorientierter Grundlagenforschung in den Bereichen Pflanzenwachstum und -entwicklung sowie mit Aspekten der Synthetischen Biologie. Pflanzenwachstum wird durch interne und externe Faktoren reguliert, wobei prognostizierte Klimaveränderungen eine große Herausforderung für die Landwirtschaft darstellen. In diesem Zusammenhang untersuchen wir molekulare Hintergründe der Anpassung von Pflanzen an Hitze- und Dürreperioden, um sie fit für den Klimawandel zu machen. Um die Produktivität von Nutzpflanzen wie Kartoffel oder Maniok zu erhöhen verfolgen wir einen biotechnologischen Ansatz zur Verbesserung der Assimilatproduktion, -verteilung und -nutzung. Im Bereich der Synthetischen Biologie versuchen wir durch gezielte Protein-Protein Wechselwirkungen den pflanzlichen Stoffwechsel so umzuprogrammieren, dass er besser an zukünftige Klimabedingungen angepasst ist. Ein Kernstück dieser Arbeiten stellen intermolekulare, bruchfeste und spezifische Proteinverknüpfungen dar ( doi: 10.1186/s13007-020-00663-9 ; doi: 10.1371/journal.pone.0179740 ).

Anpassung an den Klimawandel:

Gemäß unabhängiger Klimamodelle ist innerhalb der nächsten Dekaden mit einer Umverteilung der jährlichen Niederschläge und einem Anstieg der Durchschnittstemperaturen in Deutschland zu rechnen. Es ist jedoch kaum erforscht, welche Anpassungsmechanismen Nutzpflanzen besonders effektiv gegen kombinierten Hitze- und Trockenstress schützen können. Bereits eine moderate Erhöhung der atmosphärischen Temperatur kann drastische Effekte auf die Ertragsbildung der Kartoffelpflanzen haben.

Um die molekularen Hintergründe der durch Trockenheit und Hitze induzierten Ertragseinbußen besser zu verstehen, werden in internationalen und nationalen Forschungsprojekten unterschiedliche Kartoffelgenotypen unter kontrollierten Gewächshaus- und Feldbedingungen angebaut und ihre Ertragsbildung unter Stress vergleichend analysiert. Durch die Kombination aus Genotypisierung mittels Sequenzierung, molekularer, biochemischer, physiologischer und agronomischer Phänotypisierung werden ertragsrelevante Genombereiche vorhergesagt und validiert. Hierdurch werden relevante Prozesse, Gene bzw. Allele identifiziert, die sowohl züchterisch als auch biotechnologisch genutzt werden können. Darüber hinaus werden gezielt Untersuchungen zu bekannten Prozessen durchgeführt. Derzeitige Ergebnisse deuten darauf hin, dass erhöhte Temperaturen u.a. die Expression eines knollen-induzierenden FT-Signals unterdrückt, wodurch die Knollenbildung stark vermindert wird ( doi: 10.1111/pce.13366 ). Das als SP6A (Self-Pruning 6A) bezeichnete FT-Protein gehört zu den Phosphatidylethanolamine-Binding Proteins (PEBP) welche u.a. durch die Inhibierung der Aktivität der SWEET Proteine die Assimilatversorgung der Knollen unterstützen ( doi: 10.1016/j.cub.2019.02.018 ). Die molekulare Wirkung von SP6A ist derzeit Inhalt intensiver Forschungsarbeiten. Hierbei haben erste Untersuchungen gezeigt, dass SP6A u.a. durch eine kleine RNA (SES) reguliert wird. Die Expression der regulatorischen RNA wird durch erhöhte Temperaturen induziert, wodurch die Akkumulation der SP6A mRNA posttranskriptionell vermindert wird ( doi: 10.1016/j.cub.2019.04.027 ). Durch gezielte Beeinflussung der Expression von SP6A bzw. SES wird nach Wegen gesucht Kartoffelgenotypen zu erzeugen, die dem erwarteten Klimawandel trotzen können. Um dieses Ziel zu erreichen werden sowohl klassisch züchterische, als auch biotechnologische (Genomeditierung, transgene Pflanzen) Verfahren eingesetzt. Ähnlich der Analysen zur Hitzetoleranz versuchen wir die Anpassung der Kartoffel an Trockenstress zu verbessern. Hierzu verfolgen wir Ansätze zur Optimierung des Wasserverlustes durch Transpiration oder der Wasseraufnahme durch Verbesserung des Wurzelwachstums. Durch die kombinierte Expression einer schließzellspezifischen Hexokinase und SP6A konnten in diesem Zusammenhang erste Kartoffelpflanzen erzeugt werden, die kombinierter Trockenheit und Hitze im Gewächshaus widerstehen können. Diese vielversprechenden Ergebnisse liefern die Grundlage für weitere Forschungsarbeiten die hoffentlich zu klimaangepassten Kartoffelsorten führen.

Verbesserung der Source-Sink Verhältnisse in Nutzpflanzen:

Der Ertrag von Nutzpflanzen wird maßgeblich durch das Wechselspiel zwischen Blättern und Speicherorganen bestimmt. Hierbei überführen die Blätter atmosphärisches Kohlendioxid in organische Kohlenstoffverbindungen (ein Prozess der Photosynthese genannt wird), wobei als „Abfallprodukt“ Sauerstoff entsteht. Da ausgewachsene Blätter tagsüber mehr Kohlenhydrate produzieren, als sie nachts verbrauchen, können sie den Überschuss anderen Organen zur Verfügung stellen. Man bezeichnet die Blätter als Source (Quellen) Organe. Die überschüssigen organischen Verbindungen werden von den Blättern über das Leitbahnsystem der Pflanze in verbrauchende oder speichernde Gewebe (Sink Organe) transportiert. Angekommen in heterotrophen Geweben, werden die Verbindungen entweder für das Wachstum (z.B. Wurzeln) oder die Speicherung (in Samen, Knollen, etc.) eingesetzt. Je mehr Assimilate zum Aufbau von Speichersubstanzen verwendet werden, desto größer ist der Ertrag. Daher richten sich die Interessen der Pflanzenzüchtung darauf, soviel Assimilate wie möglich in Speicherorgane einzulagern. Das Verhältnis zwischen Gesamtbiomasse und erntebarer Biomasse bezeichnet man hierbei als Ernteindex. Im Rahmen zweier internationaler Forschungsprojekte ( www.photoboost.org ; cass-research.org ) versuchen wir gezielt das Wechselspiel zwischen Blatt und Speicherwurzel der Maniokpflanzen bzw. zwischen Blatt und Speicherknolle der Kartoffelpflanzen zu verändern, so dass höhere Erträge realisiert werden können. Hierbei liegt das Augenmerk auf der simultanen Verbesserung sowohl des Blattstoffwechsels (Source), des Transports (Phloem) als auch des Stoffwechsels der Speicherwurzeln/ -knollen (Sink). Die Ansätze des Maniokprojektes sind in der Veröffentlichung von Sonnewald et al., 2020 ( doi: 10.1111/tpj.14865 ) zusammengefasst. Übergeordnete Ansätze werden in Fernie et al., 2020 ( doi: 10.1038/s41477-020-0590-x ) beschrieben.