Genetische Kontrolle und Nährstoffabhängigkeit der Wurzel-Mikroben-Wechselwirkung bei Mais

• Antragsteller: Professor Dr. Peng Yu
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenbau, Pflanzenernährung, Agrartechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 444755415

Die Rhizosphäre ist der Bereich des Bodens, der direkt durch die Sekretion der Wurzeln und durch die mit dem Boden assoziierten Mikroorganismen, dem sogenannten Mikrobiom, beeinflusst ist. Die Wechselwirkung der Wurzeln mit dem sie umgebenden Mikrobiom ist für die Gesundheit und Fitness der Pflanzen wichtig. Das Verständnis der molekulargenetischen Grundlagen dieser Wechselwirkungen wird es ermöglichen, auf Böden mit geringer Nährstoffverfügbarkeit leistungsfähige Pflanzen zu erzeugen und so den Einsatz von mineralischen Düngern zu reduzieren.Das Projekt wird mit der Analyse der komplexen Wechselwirkung zwischen Wirtswurzeln und Bodenmikroben durch die Integration von Genomdaten des Mikrobioms der Rhizosphäre, während der Wurzelentwicklung und Transkriptomdaten aus Wurzelcortex und Stele von Mais beginnen. Dazu werden eine Kollektion genetisch verschiedener Mais-Inzuchtlinien mit unterschiedlicher Effizienz in der Stickstoffverwertung und Wurzelmutanten mit Seitenwurzel- und Wurzelhaardefekten unter verschiedenen Stickstoffbedingungen untersucht. Gen-Co-Expressions-, mikrobielle "Co-Occurance"- / "Co-Abundance"- und "Trans-Kingdom"-Netzwerke werden die Schlüsselgene identifizieren, die mit den wichtigsten mikrobiellen OTUs (operativen taxonomischen Einheiten) interagieren. Zudem wird die Übertragung der metabolischen Signale von der Endosphäre zur Rhizosphäre durch Analyse des Metaboloms aus Wurzelexsudaten bestimmt. Die Wurzeln werden mittels MRT (Magnetresonanztomographie) nichtinvasiv abgebildet. Die Dynamik der Kohlenstoff- und Stickstoffbildgebung mittels PET (Positronenemissionstomographie) und NanoSIMS (Sekundärionen-Massenspektrometrie im Nanometerbereich) werden dazu beitragen Informationen der Wurzelarchitektur und -funktion und ihrer Exsudate über verschiedene Wurzelzonen und verschiedene Wurzeltypen zu sammeln. Zusätzlich wird das räumliche Muster von Schlüsselgenen und wichtigen Mikroben durch in situ Hybridisierung und CARD-FISH-Experimente (katalysierte Reporterablagerung in Kombination mit Fluoreszenz in situ Hybridisierung) demonstriert.Schließlich werden Schlüsselgene der Biosynthese von Sekundärmetaboliten durch Genom-Editierung mittels CRISPR / Cas9 ausgeschaltet, um neue Mutanten zu generieren. Parallel dazu werden repräsentative Mikroben-OTUs isoliert und kultiviert. Abgeleitete synthetische Gemeinschaften werden eingesetzt, um ihre potenzielle Rolle bei der Genregulation in Mais zu validieren.Zusammenfassend ist das übergeordnete Ziel dieses Projekts ein umfassendes mechanistisches Verständnis der Funktion von Wurzel- und Rhizosphärenmikroben, um dadurch die Toleranz der Pflanzen gegenüber Stickstoffmangel zu verbessern. Dies wird den Grundstein für Anwendungen in der Pflanzenzüchtung und für den Einsatz von synthetischen mikrobiellen Gemeinschaften zur Sicherung der zukünftigen Lebensmittelproduktion und für eine nachhaltige, effiziente Ressourcennutzung in der Landwirtschaft legen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen