Untersuchung Biomasse-bestimmender Prozesse in Pflanzen
Zajic, Doreen - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (2011)
In der vorliegenden Arbeit wurde unter Anwendung verschiedener unabhängiger Strategien versucht, Hinweise auf Gene und Stoffwechselwege zu finden, die das Potential aufweisen, das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzenorganen zu regulieren.
Der erste Ansatz bestand aus dem Studium der Interaktion von Gerstenpflanzen mit dem mutualistischen Wurzelendophyten Piriformospora indica und dem biotrophen Blattpathogen Blumeria graminis f.sp. hordei (Bgh). Die Wurzelbesiedelung mit P. indica führt zu einem gesteigerten Wachstum und fördert die Resistenz der Pflanzen abiotischem und biotischem Stress gegenüber, z.B. wird die Resistenz gegen Bgh im Blatt durch die Besiedelung der Wurzeln mit P. indica erhöht.
Die Analyse des Metaboloms P. indica besiedelter Gerstenwurzeln offenbarte eine reduzierte Verfügbarkeit von freien Zuckern und Aminosäuren in der Wurzelspitze, was darauf hindeutet, dass durch P. indica die Verteilung von Kohlenstoff- und Stickstoffassimilaten beeinflusst war. Dies ist darauf zurückzuführen, dass entweder P. indica mit der Wurzelspitze um die Assimilate konkurrierte oder aufgrund der gesteigerten Seitenwurzelentwicklung weniger Assimilate in die Wurzelspitze transportiert wurden.
Die Blätter P. indica-besiedelter Gerstenpflanzen hatten höhere Glutamin- und Aspartatgehalte, während der Gehalt des Stärkebiosyntheseintermediates ADP-Glukose reduziert war. Nach Bgh-Infektion der P. indica-besiedelten Gerstenpflanzen wurden diese Effekte noch verstärkt. Darüber hinaus offenbarte die Analyse der Photosyntheseleistung eine P. indica-vermittelte Verlangsamung der Lichtadaption Bgh-infizierter Blätter. Die Stoffwechseldaten und die Photosyntheseuntersuchung lassen zusammengenommen einen Priming-Effekt durch P. indica auf Stoffwechselebene erkennen. Da nur wenige Stoffwechsel- und Transkriptänderungen durch P. indica gefunden wurden, erlaubte es die Untersuchung dieses Systems jedoch nicht, molekulare Mechanismen der Wachstumsregulation zu verstehen. Dementgegen wurden in Bgh-infiziertem Blattgewebe umfangreiche Änderungen im Primär-Stoffwechsel festgestellt, die insgesamt darauf hindeuten, dass der Kohlenhydrat-Stoffwechsel zu Gunsten der Saccharosebiosynthese und zu Lasten der Stärkesynthese beeinflusst war. Außerdem führte die Infektion zu einer Reduktion der Photosyntheseleistung und auch die Expression von Photosynthesegenen war reprimiert.
Um Hinweise auf Regulatoren des Blattwachstums bzw. der Blattbiomasse zu erhalten, wurden eine vergleichende Transkriptomanalyse mit verschiedenen Arabidopsis Genotypen mit unterschiedlichen Wachstumsmerkmalen durchgeführt. Anhand dieser Analyse konnten zwei Gene identifiziert werden, deren Transkriptmengen in allen durchgeführten Vergleichen mit Blattwachstumsparametern korrelierten. Während die Transkriptmenge der vakuolären Invertase BCG10 mit steigendem Blattwachstum sank, stieg die Transkriptmenge des Gens BCG6 mit steigender Blattgröße an. BCG6 hat keinerlei Homologie zu bislang beschriebenen Proteinen, weist aber Homologe in anderen (Kultur)Pflanzen auf. In funktionellen Studien kann nun überprüft werden, ob BCG6 bei der Züchtung von ertragsstärkeren Kulturpflanzen eingesetzt werden kann.
In einem dritten Ansatz wurden transgene Kartoffelpflanzen (Solanum tuberosum cv. Solara) mit einer knollenspezifischen Überexpression bereits identifizierter positiver Wachstumsregulatoren aus Arabidopsis erzeugt um deren Einfluss auf den Knollen-Ertrag zu untersuchen. Zum einen wurden die Transkriptionsfaktoren ANT und ARGOS gewählt, um die Proliferationsdauer meristematischer Zellen in den Knollen zu verlängern. Außerdem wurden die positiven Endoreduplikationsregulatoren FZR1 (CCS52A2), FZR2 (CCS52A1) und die WEE1-Kinase zur Überexpression ausgewählt, um die Größe der Zellen in der Knolle zu beeinflussen. Die Charakterisierung von B33:AtANT-myc-, B33:AtFZR2-myc-und B33:AtWEE1-myc-Pflanzen deutete jedoch auf keinen Zusammenhang zwischen den Protein- bzw. Transkriptmengen der Transgene und dem Ertrag der Pflanzen hin.