Wachstumsregulation und Stressresistenz von Pflanzen
Pflanzen passen sich permanent an Veränderungen in ihrem Lebensraum an, um ihr Wachstum und ihre Entwicklung optimal zu gestalten und ihre Überlebenschancen zu erhöhen. So wird z.B. bei Trockenheit oder im Winter die Keimung von Samen unterbunden; eine Beschattung durch benachbarte Pflanzen führt zu verstärktem Streckungswachstum in Richtung Licht; Blüte und Fruchtentwicklung werden durch Erkennung der Tageslänge gezielt gesteuert.
Hormone spielen bei der Anpassung der pflanzlichen Entwicklung an äußere Gegebenheiten wichtige Rollen und eine Hormonklasse sind die Brassinosteroiden (BR), die in ihrer Struktur menschlichen und tierischen Steroidhormonen ähnlich sind. BRs fördern Zellstreckung und steuern essentielle Entwicklungsprozesse, wie unter anderem die Wurzel- und Sprossentwicklung, den Zuwachs an Biomasse, die Festlegung des Blütezeitpunktes und das Ausmaß von Fruchtbesatz und Ertrag. Sie spielen aber auch in der Möglichkeit von Pflanzen Resistenzen gegen Stress zu entwickeln (Stressadaption) entscheidende Rollen.
Ein zentrales Ziel unserer Forschungsarbeit ist es aufzuklären, wie BRs Wachstum regulieren, im Besonderen auch in Anpassung an Umweltfaktoren. Außerdem versuchen wir zu verstehen wie BRs in Pflanzen agieren, wenn abiotischer Stress, ausgelöst durch extreme Temperaturen wie Hitze und Frost, oder biotischer Stress, ausgelöst durch pilzliche und bakterielle Schaderreger, vorherrscht. Wir klären molekulare und biochemische Mechanismen auf, die es ermöglichen BR Konzentrationen zu regulieren, erforschen Faktoren die BR Wirkungsweise übertragen und untersuchen das Zusammenspiel von BRs mit anderen Hormonen wie den Gibberellinen und Abscisinsäure.
Figure 1: Using molecular genetics and Arabidopsis thaliana as a model system we investigate modes that are utilized to adjust BR homeostasis with a focus on glycosyltranferases and acyltransferases in BR catabolic inactivation. Moreover, we aim to understand signaling events that enable for BR function in growth control and stress responses. In this context, we focus on BR-controlled transcription factors, both atypical and typical bHLH proteins and how they are regulated by and interact with other factors, for an integration of different stimuli into BR-controlled physiological processes. To facilitate BR research and their application in plant production, we develop chemical inhibitors that interfere with BR activity at different steps of the pathway (chemical biology).
In unserer Arbeit nutzen wir Modelle wie die Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana, und testen ob unsere Erkenntnisse auf Kulturpflanzen übertragbar sind, vor allem unter Nutzung der Tomate (Solanum lycopersicum).
Ausgewählte Publikationen zu diesem Thema:
Albertos, P., Duendar, G., Schenk, P., Carrera, A., Cavelius, P., Sieberer, T., & Poppenberger, B. (2022) Transcription factor BES1 interacts with HSFA1 to promote heat stress resistance of plants. EMBO J. 3108664
Ramirez, V. & Poppenberger, B. (2017) MAP Kinase Signaling Turns to ICE. Dev. Cell 43: 545-46
Eremina, M., Unterholzner, S.J., Rozhon, W., Kugler, K.G., Castellanos, M., Ratnajaka, A., Khan, M., May, S., Mayer, K.M. & Poppenberger, B. (2016) Brassinosteroids contribute to the control of basal and acquired freezing tolerance in plants. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 113: E5982-91.
Unterholzner, S.J., Rozhon, W., Papacek, M., Lange, T., Kugler, K.G., Mayer, K.M., Sieberer, T. & Poppenberger, B. (2015) Brassinosteroids Are Master Regulators of Gibberellin Biosynthesis in Arabidopsis. Plant Cell 27: 2261-72
Khan, M., Rozhon, W., Unterholzner, S.J., Chen, T., Eremina, M., Wurzinger, B., Bachmair, A., Teige, M., Sieberer, T., Isono, E. & Poppenberger, B. (2014) Interplay between phosphorylation and SUMOylation events determines CESTA protein fate in brassinosteroid signalling. Nature Communic. 5: 4687
Poppenberger, B., Rozhon, W., Khan, M., Husar, S., Adam, G., Luschnig, C., Fujioka, S. & Sieberer, T. (2011) CESTA a positive regulator of brassinosteroid biosynthesis. EMBO J. 30: 1149-61
Verbesserung wichtiger Züchtungsmerkmale in der Sonnenblume
Die Sonnenblume Helianthus annuus ist in Europe nach Raps die zweitwichtigste Ölpflanze. Das Sonnenblumenöl wird aus den Achänen, Nussfrüchten die im Zentrum der großen Sammelblüte gebildet werden und als Sonnenblumenkerne bekannt sind, durch Kaltpressung gewonnen. Es ist reich an der mehrfach ungesättigten Fettsäure Linolsäure (C18:2) und als Speiseöl sehr beliebt. Darüber hinaus hat es aber auch Potenzial zur Anwendung in der chemisch-technischen Industrie als Ersatz von erdölbasierten Produkten.
Für Anwendungen im technischen Bereich, aber auch für hochwertige Speiseöle, wird ein hoher Gehalt an der einfach ungesättigten Fettsäure Ölsäure (C18:1) gewünscht, da High Oleic acid (HO) Öle mit Gehalten von >85% eine hohe Oxidations- und Hitzestabilität aufweisen. Sonnenblumenöl hat mit einem Ölsäuregehalt von <50% keine ideale Zusammensetzung und ein Ziel der Sonnenblumenzüchtung ist es daher neue Sorten zu schaffen die ölsäurereich sind.
Wir setzen Methoden der Molekularbiologie und analytischen Chemie dazu ein, um klassische Pflanzenzüchtungsarbeit zu beschleunigen und neue Sorten zu schaffen, die reich an Ölsäure sind. Außerdem suchen wir nach Wegen, die Resistenz von Sonnenblume gegen Pilzkrankheiten zu erhöhen, mit einem Fokus auf den Pathogen Sclerotinia sclerotiorum, der an Sonnenblume und etlichen anderen Kulturpflanzen große Schäden verursacht. Dafür entwickeln wir laborbasierte Screeningverfahren und testen die Relevanz von Halbzwergwuchs, bedingt durch einen Mangel an Aktivität von Brassinosteroiden oder Gibberellinen, für Sclerotiniaresistenz und andere wichtige Kultureigenschaften.
Figure 2: Phenotyping of semi-dwarf sunflower lines in standardized conditions, next to our institute building. Image courtesy: Veronica Ramirez.
Förderung von vernachlässigten Kulturpflanzenarten Afrikas
Auf unserem Planeten gibt es einen reichen Schatz an Pflanzenarten, den wir erschließen können, sei als Nahrungsmittel, als Heil- und Gewürzpflanzen, als Zierpflanzen oder als nachwachsende Rohstoffe. Für die Ernährung der Weltbevölkerung stehen uns ca. 300.000 essbar Arten zur Verfügung, wovon wir aber nur einen Bruchteil konsumieren.
Drei Nutzpflanzen, Reis, Weizen und Mais, ernähren die Hälfte der Weltbevölkerung. Sie liefern hohe Erträge und sind effiziente Kalorienlieferanten. In manchen Ländern sind sie für die Ärmsten aber oft einziges Nahrungsmittel und da manche Getreidearten wie Reis kaum Vitamine und Mineralstoffe enthalten, sind Mangelernährung, und dadurch ausgelöste Krankheiten, die Folgen.
Um einseitiger Ernährung vorzubeugen, die Biodiversität auf den Äckern der Welt zu erhöhen und unsere große Abhängigkeit von der Leistungsfähigkeit der Hauptkulturarten zu verringern, müssen weitere Pflanzenarten erschlossen werden und dabei sind auch Obst und Gemüse entscheidend. Sie haben zwar oft große lokale Bedeutung und sind an regionale Klimabedingung ausgezeichnet angepasst, werden aber in der Forschungs- und Züchtungsarbeit vernachlässigt, da ausreichend große, globale Absatzmärkte fehlen. Um die Arbeit mit vernachlässigten Pflanzen aus Afrika zu fördern, wurde deshalb das ‚African Orphan Crops Consortium‘ gegründet, ein Konsortium aus Universitäten, Industriepartnern und NGOs, welches das Erbgut der 101 wichtigsten Kulturpflanzenarten Afrikas entschlüsselt, um essentielle Ressourcen für Forschung und Züchtung zu schaffen. Einige dieser Arten sind weltweit bekannt, wie z.B. Mango, Papaya und Avocado. Andere sind in Europa noch kaum geläufig, wie Blattgemüse der Gattung Crassocephalum, das in Nigeria Ebolo genannt wird, und mit dieser Art beschäftig wir uns genauer.
Ebolo ist reich an Mineralstoffen, Vitaminen und ätherischen Ölen und wird als Blattgemüse und Heilpflanze in Subsahara Afrika, Teilen Asiens und Australien eingesetzt. Die Art wird noch hauptsächlich gesammelt, soll aber domestiziert werden, wofür Kulturtechnik für den Anbau etabliert und wichtige Eigenschaften züchterisch verbessert werden müssen. Wir untersuchen Merkmale wie Toxinbildung (Phyrrolizidinalkaloide), Samenentwicklung und Keimfähigkeit, sowie abiotische Stressresistenz, mit Fokus auf die Aktivität von Pflanzenhormonen in diesen Prozessen. Dafür etablieren wir Ökotypkollektionen, bauen mutagenisierte Populationen für Mutationszüchtung und Mutantenscreens auf und etablieren weitere Werkzeuge der Molekulargenetik, wie Regenerations- und Transformationsmethoden.
Figure 3: Crassocephalum crepidioides accumulates the pyrrolizidine alkaloid jacobine in response to nitrogen depletion. The hydroponics system developed and used for nitrogen depletion experiments is shown. For details see Schramm et al., 2021, Frontier in Plant Sciences.