2018_01: Proteom der Dürre
Worum geht es?
Trockenheit ist eine der größten Herausforderungen für die Landwirtschaft, gerade auch bei Getreiden wie Reis und Weizen, die für viele Menschen als Grundnahrungsmittel dienen. Genetische Faktoren, die zur Züchtung verbesserter Trockentoleranz eingesetzt werden können sind auch wichtig, um so Wasser als zentrale landwirtschaftliche Ressource einsparen zu können. Wir konnten zeigen, dass Jasmonsäure, das “Adrenalin der Pflanzen”, für die Aktivierung der Trockentoleranz eine wichtige Rolle spielt. Von uns entdeckte Reis Mutanten in der Synthese von Jasmonsäure stellten sich in der Vergangenheit als salztolerant heraus. Weil Salz- und Trockenstress in vielen Aspekten überlappen, bestand so die Hoffnung, dass wir mithilfe dieser Mutanten an molekulare Faktoren der Trockentoleranz herankommen könnten.
Was kam heraus?
In der Tat konnte sowohl in Laborversuchen am KIT als auch in Feldversuchen am International Rice Research Institute (IRRI) auf den Philippinen gezeigt werden, dass die Mutanten besser mit Trockenstress zurechtkamen, was vor allem auf eine verbesserte Entwicklung des Wurzelsystems zurückzuführen war. Auf dieser Grundlage wurde dann in mild oder stark gestresste Pflanzen nach Unterschieden in den Pegeln der gebildeten Proteine gesucht. Mit einer massenspektroskopischen Markierungstechnik gelang es, die Pegel von Hunderten von Proteinen zu vergleichen und die beobachteten Muster bioinformatisch zu filtern. Die Veränderungen konnten dann bestimmten Vorgängen in der Zelle zugeordnet werden. Beispielsweise zeigte sich, dass die Mutante effizienter gegen oxidative Sauerstoffspezies vorgehen kann (eine Folgeerscheinung von Trockenstress) oder ihre Energiereserven wirksamer zu mobilisieren vermag. Es gab aber auch Überraschungen: so zeigte sich, dass die Mutanten mehr Vorstufen des Holzstoffs Lignin bilden und ihre Zellwände in besonderer Weise chemisch verändern. Weiterhin konnte ein Enzym des Jasmonatsynthese-Wegs, die OPDA-Reductase 7, als wichtiger Schalter identifiziert werden, der unter Stress entscheidet, ob sich die Vorstufe OPDA anhäuft oder nicht. Diese Vorstufe wurde inzwischen als eigenes Signal erkannt, das programmierten Zelltod aktivieren kann (das Absterben der Blätter, um so das empfindliche Bildegewebe vor Wasserverlust zu schützen, kann für die Pflanze als Ganzes eine Überlebensstrategie sein).
Was kann man mit diesem Wissen anfangen?
Man könnte nun versuchen, über gentechnische Eingriffe die "hardware" der Pflanze zu verändern und einige der hier gefundenen Faktoren zu stärken oder zu schwächen. Unsere Idee geht jedoch in eine andere Richtung: wir wollen lieber an der "software" ansetzen, also die Steuerung der Trockentoleranz zu verbessern. Da es hier nicht darum geht, neue Gene einzubringen, die es in der Pflanze vorher nicht gab, sondern zeitliche Abläufe zu verschieben, kann man hier auf die in der Art schon vorhandene genetische Diversität zurückgreifen und "natürliche" Kreuzung durch molekulare Analyse unterstützen und beschleunigen (marker-assisted oder auch smart breeding). Vor allem das Enzym OPDA-Reductase bietet sich hier als Hebel an.
Veröffentlichung
Dhakarey R, Raorane ML, Treumann A, Peethambaran PK, Schendel RR, Sahi VP, Hause B, Bunzel M, Henry A, Kohli A, Riemann M (2017) Physiological and Proteomic Analysis of the Rice Mutant cpm2 Suggests a Negative Regulatory Role of Jasmonic Acid in Drought Tolerance. Front Plant Sci 8, 1903 - pdf