Heterotrophe Ernährungsstrategien der parasitären Pflanze Cuscuta

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Markus Albert; Privatdozentin Dr. Ruth Stadler
• Fachliche Zuordnung: Organismische Interaktionen, chemische Ökologie und Mikrobiome pflanzlicher Systeme ; Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 523910401

Cuscuta spp. sind holoparasitäre Pflanzen ohne Wurzeln und Blätter, die fast alle zweikeimblättrigen Pflanzen infizieren. Windenartig wachsen Cuscuta spp. um die Sprosse ihrer Wirtspflanzen und entwickeln spezialisierte Penetrationsorgane, die Haustorien, um Zugang zu Wasser, Nährstoffen und Assimilaten zu erhalten. Diese Organe dringen in das Gewebe des Wirts ein und verbinden sich binnen 7 bis 9 Tagen mit dem Gefäßsystem des Wirts. Wenn die Verbindung abgeschlossen ist, sind Cuscuta-Zellen direkt mit den Tracheen des Xylems sowie mit den Phloemzellen der Wirte verbunden. Insbesondere die Phloem-Phloem-Verbindung zwischen Wirts- und Parasitenzellen wird durch interspezifische Plasmodesmen (PDs) aufgebaut. Da dieser Prozess inklusive PD-Bildung und Phloemverbindung mindestens sieben Tage dauert, ist unklar, ob vor der symplastischen Ernährung über PDs andere z. B. apoplastische Ernährungsstrategien erforderlich sind. Weiterhin ist unklar, ob generell eine apoplastische Ernährung zusätzlich stattfindet, um eine Nährstoffaufnahme möglichst effizient zu er möglichen. In eigenen Vorarbeiten haben wir Arabidopsis thaliana mit Cuscuta reflexa infiziert und beobachtet, dass das Transkript des bidirektionalen Saccharose-Transporters AtSWEET10 (SUCROSE WILL EVENTUALLY BE EXPORTED TRANSPORTER 10) in A. thaliana in frühen Infektionsstadien erhöht ist. Darüber hinaus zeigten Reportergen-Assays in transgenen A. thaliana Pflanzen, dass der AtSWEET10-Promotor durch die Penetration des C. reflexa haustoriums induziert wird und auch die Genexpression für einen weiteren Sucrose Transporter, AtSUC2, hochreguliert wird. In C. reflexa konnten wir CrSUT1 (SUCROSE TRANSPORTER 1) als den ersten Saccharosetransporter identifizieren und durch in situ Hybridisierung die Genexpression in prähaustorialen Zellen demonstrieren. CrSUT1 scheint für die Aufnahme von apoplastischer Saccharose in das Prähaustorium während der frühen Stadien der Infektion verantwortlich zu sein. Diese vorläufigen Daten weisen darauf hin, dass Cuscuta spp. Strategien nutzen, um sich zu Beginn der Infektion von apoplastischen Zuckern zu ernähren, solange die symplastischen Verbindungen über PDs noch nicht etabliert sind. Der später erfolgende Verbindungsprozess einschließlich der interspezifischen PD-Bildung zwischen Phloemzellen ist ebenfalls nicht verstanden, und wir streben daher an, das Modell Cuscuta-Wirtspflanze zu verwenden, um die molekularen Mechanismen der interspezifischen PD-Bildung sowie die heterotrophen Ernährungsstrategien von Cuscuta zu untersuchen. In dem vorgeschlagenen Projekt verfolgen wir daher zwei Hauptziele: A) die Entschlüsselung der frühen Ernährungsstrategien von Cuscuta spp., welche unabhängig von einem PD-vermittelten Zell-Zell-Kontakt auftreten und v.a. während der ersten Tage der Wirtspenetration wichtig sind; und B) funktionelle Untersuchungen zum Nährstofffluss über PDs und zu den relevanten Entwicklungsschritten der PD-Bildung zwischen Wirts- und Parasitzellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen