Molekulare Mechanismen der Anpassung des Wurzelsystems von Arabidopsis an Sauerstoffmangel

• Antragstellerin: Professorin Dr. Jennifer Selinski, seit 7/2023
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 415031136

Pflanzen sind aerobe Organismen. Sie benötigen molekularen Sauerstoff, um in den Mitochondrien über Zellatmung ATP zu generieren. Überflutung oder Staunässe führen zu Sauerstoffmangel in Wurzeln und schränken damit die ATP Gewinnung ein. In der Modellpflanze Arabidopsis thaliana stellen Wurzeln bei Sauerstoffmangel aber nicht einfach ihr Wachstum ein, sondern sie verändern die Wurzelarchitektur in kontrollierter Weise. Die Primärwurzel ändert ihre Wachstumsrichtung und wächst zur Seite, wahrscheinlich ein Ausweichmechanismus um besser belüftete Bodenareale zu erreichen. An der Wurzelspitze wird der Auxintransporter PIN2 verringert und die Auxinkonzentration steigt an. Verantwortlich dafür ist der Transkriptionsfaktor RAP2.12, der zu der Gruppe VII der Ethylen Response Faktoren (ERFVII) gehört, die als Sauerstoffsensoren beschrieben wurden. Auxin ist ein Schlüsselhormon, das die Richtung des Wurzelwachstums steuern kann. Bei Seitenwurzeln führt Sauerstoffmangel zu einem transienten Wachstumsarrest, nachdem die Seitenwurzel aus der Hauptwurzel ausgewachsen ist. Dauert die Hypoxie länger als zwei Tage an, setzen die Seitenwurzeln ihr Wachstum fort. Die Wiederaufnahme des Wachstums hängt von ERFVII ab, die wahrscheinlich die Menge an Abscisinsäure regulieren, einem Hormon das Wachstum von Seitenwurzeln hemmt. ERFVII induzieren Abscisinsäure-8’-Hydroxylasegene, deren Enzymprodukte Abscisinsäure abbauen. Sowohl die Wachtumsrichtung der Primärwurzel als auch das Wachstumverhalten der Seitenwurzeln tragen zu einer veränderten Struktur des gesamten Wurzelsystems bei. Damit ist gezeigt, dass Wurzelwachstum- und entwicklung unter Sauerstoffmangel aktiv kontrollierte Prozesse sind, und dass ERFVII eine Schlüsselrolle bei der Regulation dieser Prozesse einnehmen, Wir wissen, dass ERFVII über die Hormone Auxin und Abscisinsäure wirken, aber viele Fragen in Bezg auf die molekularen Mechanismen der hypoxischen Stressantwort sind offen. Wir wissen nicht, wie die Proteinmenge von PIN2 durch RAP2.12 reguliert wird und wie die Änderung der Wachstumsrichtung ausgelöst wird. Welche Gene werden durch ERFVII in Wurzeln reguliert, die zu den beschriebenen Veränderungen der Wurzelentwicklung führen? Welche Vorteile bringt ein verändertes Wurzelsystem bei Langzeitsauerstoffmangel? Dieses Projekt soll zur Beantwortung dieser Fragen beitragen, und helfen, die physiologische Relevanz und die molelekularen Mechanismen der Wurzelentwicklung unter hypoxischen Bedingungen zu verstehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemalige Antragstellerin: Professorin Dr. Margret Sauter, bis 7/2023 (†)