SeedAdapt - Dimorphe Früchte, Samen und Keimlinge als Anpassungsmechanismen an Stress

Früchte und Samen, im folgenden als Diasporen zusammengefasst, ermöglichen höheren Pflanzen die Ausbreitung und Etablierung der Nachkommen. Ziel von "SeedAdapt" ist es, die Molekularbiologie von Frucht-, Samen- und Keimlingseigenschaften einjähriger Pflanzen in Anpassung an unvorhersehbare Umweltbedingungen zu erforschen. Obwohl diese Eigenschaften für Nahrungsqualität und -sicherheit äußerst wichtig sind und ganze Ökosysteme beeinflussen können, ist die molekulare Vielfalt der Anpassungsmechanismen bei abiotischer Stresseinwirkung nahezu unbekannt. Um diese Lücke zu schliessen, soll unser integratives Projekt das "dimorphe Diasporensyndrom" einjähriger Pflanzen der Gattung Aethionema (Brassicaceae) erforschen. Einige Arten davon bilden zwei grundsätzlich verschiedene Typen von Diasporen auf ein und demselben Fruchtstand aus, offenbar als Strategie zur Risikostreuung. Das "Samen-Diasporen Syndrom (SDS)" stellt den durch Arabidopsis vertretenen "Normalfall" dar: Öffnungsfrüchte, die Samen mit geringer Dormanz verbreiten, welche bei Quellung verschleimen und mit der Wurzel voran auskeimen. Demgegenüber ist das "Frucht-Diasporen Syndrom (FDS)" gekennzeichnet durch Schließfrüchte, die nicht-verschleimende Samen mit tiefer Dormanz umschliessen und bei denen die Keimblätter zuerst sichtbar werden. Wir werden zwei aufgrund ihrer Herkunft an unterschiedliche Klimata angepasste Aethionema arabicum Linien und ihre Reaktion auf abiotische Stressfaktoren während dreier empfindlicher Entwicklungsstadien vergleichen: (1) Samenund Fruchtbildung, (2) Keimung, (3) Keimlingswachstum. Wir werden das Verhältnis von SDS zu FDS an den Fruchtständen der Elternpflanze, die Expression der für Fruchtöffnung zuständigen Gene und die Glukosinolatzusammensetzung in Abhängigkeit definierter Stressfaktoren in beiden Diasporentypen untersuchen. Weiterhin wollen wir "Hormonom", "Epigenom" und "Transkriptom" erfassen, die der Dimorphie zugrunde liegen und ein "Syndrom-Stress-Gedächtnis" bilden, das wir durch Stressphysiologie- Modellierung, Biomechanik und Wachstumsparameter der Keimlinge quantifizieren werden. Die Genomsequenz und eine RNA-Seq Bioinformatik-Pipeline für Ae. arabicum stehen zur Verfügung. Wir erwarten Informationen über differentiell exprimierte Gene und korrelierte epigenetische Marker. Damit können Analysen auch auf andere Aethionema Arten ausgeweitet und mittels Sequenzvergleich und reverser Genetik auf weitere Kultur- und Modellpflanzen angewandt werden. Ergänzend planen wir ein Mutanten-Screening und eine QTLAnalyse, um die Kopplung individueller SDS/FDS Merkmale zu untersuchen, sowie die Etablierung eines genetischen Transformationssystems für Aethionema. Diese umfassende Analyse der Regulation von Frucht-, Samen- und Keimlingsmerkmalen integriert innovative Technologien und komplementäre Expertise und bietet Gelegenheit, ein Wissenschaftsgebiet von größter Bedeutung für Ökologie, Evolution, Samenindustrie und Züchtungsforschung optimal zu bearbeiten.

Die Bildung von Früchten bei höheren Pflanzen unterstützt die Verbreitung der Samen, und Samen verschaffen den pflanzlichen Embryonen Schutz und Ernährung in der der frühen Lebensphase. Während die meisten Pflanzen einheitliche Nachkommen produzieren, die an die jeweiligen Lebensbedingungen angepasst sind, haben einige Pflanzenarten eine andere Strategie entwickelt: sie bilden an derselben Pflanze strukturell und funktionell verschiedene Samen und/oder Früchte aus. Das wird als Risikomanagement in Regionen mit unberechenbaren Umweltbedingungen interpretiert, mit dem wenigstens ein Teil der Nachkommen eine Überlebenschance hat. Beide Samentypen wachsen zu ununterscheidbaren Pflanzen aus, die wiederum beide Frucht- oder Samenformen bilden. In dem SeedAdapt Netzwerk, einer Zusammenarbeit zwischen sieben europäischen Forschungsgruppen, haben wir dieses interessante Phänomen anhand von Aethionema arabicum studiert, einer kleinen Pflanze, die aus der Mittelmeerregion und dem Mittleren Osten stammt. Die Art gehört zu der Familie der Kreuzblütler (Kohlpflanzen) und ist damit auch mit der Ackerschmalwand verwandt, berühmt als Modellorganismus in der genetischen und molekularen Pflanzenforschung. Das Netzwerk hat dokumentiert, dass das Vorkommen zweier verschiedener Verbreitungseinheiten im Laufe der Evolution bei nahe verwandten Arten zweimal unabhängig voneinander aufgetaucht ist. Samen und Früchte unterscheiden sich in anatomischen, biomechanischen und physiologischen Eigenschaften. Die Gesamtzahl der Früchte und das Verhältnis zwischen den beiden Typen hängen vom Entwicklungsschema der Blütenzweige ab, kann sich aber durch Reaktion auf verschiedene Umweltbedingungen ändern. In einem groß angelegten Experiment, in dem diese Bedingungen auf die Konsequenzen für die Fruchtbildung systematisch getestet wurden, haben wir Daten über die an der Regulation beteiligten Hormone sowie über die Aktivität spezifischer Gene erhalten. Zusätzlich haben wir entdeckt, dass die Samen einiger Unterarten nicht keimen, solange sie dem Licht ausgesetzt sind. Das war überraschend, da die Samen der meisten bisher untersuchten Pflanzen sogar auf Licht bei der Keimung angewiesen sind, oder zumindest im Licht oder Dunkelheit gleich gut keimen. Wir vermuten, dass die Keimungsunterdrückung durch Licht eine weitere Anpassung darstellt, eine, mit der ausreichend tiefe Verankerung des jungen Keimlings im Boden sichergestellt wird. Die weitere Analyse dieser Lichtregulation von Genaktivität und Hormonkonzentration sollte Einblick in die zugrundeliegenden regulatorischen Mechanismen geben.