Ein Zellatlas der temperaturabhängigen Genexpression in der Blüte

• Antragstellerin: Professorin Dr. Kerstin Kaufmann
• Fachliche Zuordnung: Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 458750707

Pflanzen sind sessile Organismen und damit grosser Variation in lokalen Umweltbedingungen ausgesetzt. Daher haben Pflanzen komplexe Anpassungsmechanismen entwickelt, und verschiedene Organe und Zelltypen unterscheiden sich in ihrer Antwort auf Umweltreize. Ein hervorragendes Beispiel hierfür ist die Umweltrobustheit der Blütenentwicklung, die ein Schlüsselfaktor für die Ausbreitung von Pflanzen innerhalb ihres biogeographischem Standortspektrums ist. Ab dem Zeitpunkt der Blühinduktion muss die Entwicklung der Blütenorgane weitgehend unabhängig von der lokalen Umgebung robust aufrechterhalten werden. Es ist jedoch noch nahezu unbekannt, wie die Zelltyp-Spezifität der Änderungen in der Genexpression durch Umweltfaktoren, wie z.B. die Temperatur, gesteuert wird.Neuartige Einzelzell-Omics-Technologien haben begonnen, die intrinsische zelluläre Heterogenität in der Genregulation in mehrzelligen Organismen zu erforschen. Pflanzenzellen stellen jedoch diese Technologien vor besondere Herausforderungen, da die Isolierung einzelner Zellen durch das Vorhandensein einer Zellwand erschwert wird. Wir haben die Einzelzellkern-RNA-Sequenzierung (snRNA-seq) in Pflanzen etabliert, die es uns ermöglicht, die nativen Transkriptzustände in Zellkernen zu erhalten - und damit die Einschränkung häufig verwendeter Protoplast-basierter Techniken zu überwinden, die zur Aktivierung vieler stressbedingter Gene führen. Diese Methode ermöglicht es uns daher, Umweltreaktionen bei der Transkriptionsaktivität zu untersuchen. Dieses Projekt zielt darauf ab, mit unserer snRNA-seq-Methode einen zellulären Atlas der Transkriptionsänderungen zu erstellen, die mit der Temperaturanpassung in der Blüte verbunden sind. Ziel ist es, temperaturabhängige Zelltyp-"Karten" der Genaktivität in drei Pflanzenarten zu erzeugen: der Modellpflanze Arabidopsis thaliana, ihrer nahen Verwandten Cardamine hirsuta und der Kulturpflanzenart Solanum lycopersicum. Darüber hinaus nutzen wir die detaillierten Ressourcen zur natürlichen Variation innerhalb von Arabidopsis, indem wir verschiedene Ökotypen analysieren, welche Anpassungen an verschiedene lokale Umweltbedingungen innerhalb des großen globalen Habitatspektrums dieser Art widerspiegeln. Indem wir Informationen über zelltypspezifische Unterschiede in den Genaktivitäten mit Informationen über die natürliche genetische Variation kombinieren, können wir Kandidatengene identifizieren, die an der Vermittlung der Temperaturrobustheit der Blütenentwicklung beteiligt sind.Dieses Projekt wird einen innovativen Proof-of-Concept für die Verwendung von Einzelzell-Omics-Technologien liefern, um die Zelltypspezifität von Umweltreaktionen in Pflanzen zu verstehen, sodass diese Methoden in Zukunft auf andere Umweltbedingungen und biologische Fragen angewendet werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen