Nukleärer Einfluss auf translationsdefiziente Plastiden

Androgenese, die Herstellung von Pflanzen aus Mikrosporen, welche die Vorstufen der männlichen Geschlechtszellen sind, ist eine Methode von wachsender wirtschaftlicher Bedeutung in der Pflanzenzüchtung. Heute enthält die Liste der Embryos oder Pflanzen, die über diese Methode regeneriert worden sind, eine große Anzahl Pflanzenarten, darunter viele, die in der Landwirtschaft von Bedeutung sind. Dagegen ist die praktische Anwendung der Mikrosporenkultur bei Weizen und anderen Getreiden durch die Entstehung von pigmentdefizienten Pflanzen (Albinopflanzen) unter den Regeneranten limitiert. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Plastiden in solchen Pflanzen Veränderungen zeigen ("Albinoplastiden") verglichen mit den Chloroplasten von grünen Pflanzen. In unseren vorangegangenen Studien haben wir die Plastiden-DNA und -genexpression in Albinopflanzen von Weizen (Triticum aestivum L.) untersucht, die aus Mikrosporenkultur stammten. Wir konnten bestätigen, daß die Mehrheit der Albinopflanzen Deletionen im Plastidengenom aufweisen. Dagegen gab es eine Gruppe von Albinopflanzen, in denen keine Deletionen des Plastidengenoms gefunden werden konnten. Stattdessen zeigten alle Albinopflanzen ein verändertes Muster der Plastiden-RNA und eine Defizienz der Plastidenproteinsynthese, unabhängig vom Vorhandensein von Deletionen. Unsere Ergebnisse geben einen Hinweis darauf, daß die Abwesenheit der Plastidenproteinsynthese einen primären und fundamentalen Defekt in Albinopflanzen aus Mikrosporenkultur darstellt. Wir vermuten, dass die in den Albinopflanzen gefundenen Defekte durch eine fehlerhafte Interaktion zwischen plastiden- und kerncodierten Faktoren verursacht werden. Das vorgeschlagene Projekt beinhaltet Experimente, um (1) die molekularen Ursachen für die Defizienz der Plastidenproteinsynthese, (2) die Rolle der Interaktionen zwischen Kern- und Plastidengenom bei der Albinoentstehung und (3) Verbindungen zu Deletionen der Plastiden- DNA zu finden. Der letzte Teil wird ergänzt durch ein laufendes FWF-Projekt am Vienna Biocenter (P14983), das die Entstehung von Deletionen im Plastidengenom untersucht. Dagegen ist das Hauptaugenmerk des hier vorgeschlagenen Projekts auf Albinopflanzen ohne Deletionen im Plastidengenom gerichtet. Die hier vorgeschlagenen Experimente sollen zum ersten Mal die wichtige Rolle von Plastidentranslationsdefekten und des Kerngenoms bei der Entstehung von aus Mikrosporen regenerierten Albinopflanzen aufklären. Antworten auf diese Fragen werden helfen, regulatorische Rückkopplungsmechanismen der Plastidengenexpression zu verstehen und die Anwendung der Doppelhaploiden-Züchtung bei Weizen und anderen Getreiden zu verbessern.

Im Zuge dieses Projektes haben wir eine detaillierte molekulare Charakterisierung von Albinopflanzen von Weizen durchgeführt, die bei der Mikrosporenkultur entstehen, einer wichtigen Pflanzenzüchtungsmethode. Die Entstehung von Albinopflanzen wird häufig beobachtet, wenn diese Methode bei Getreidepflanzen, wie Gerste, Reis und Weizen, angewendet wird. Wir haben ausgeprägte Veränderungen in der Genexpression sowohl in Plastiden als auch im Kern solcher Pflanzen gefunden. Plastidenkodierte Proteine waren völlig abwesend in Albinopflanzen, während kerncodierte Plastidenproteine vorhanden waren. Als eine Folge der defizienten Plastidenproteinsynthese kann eine RNA-Polymerase, die im Plastidengenom codiert wird, nicht gebildet werden, was zu einem völlig veränderten RNA-Profil in Plastiden von Albinopflanzen verglichen mit grünen Pflanzen führt. Da die meisten Plastidenfunktionen im Kerngenom kodiert werden, haben wir die Expression von ausgewählten Kerngenen untersucht, die Plastidenproteine kodieren. Die meisten der untersuchten Proteine der Plastidenproteinsynthese zeigten jedoch ein ähnliches Expressionsmuster wie Wildtyp-Pflanzen. Um mehr Informationen über die Expression von Kerngenen in Albinopflanzen im Allgemeinen zu bekommen, haben wir "Differential Display"- Experimente durchgeführt. Diese haben gezeigt, dass ein relativ hoher Anteil von ca. 0.4% - 0.8% aller Kerngene unterschiedlich exprimiert wird in grünen und Albinoweizenpflanzen. Das ist ein Hinweis, dass das Kerngenom bei der Albinopflanzenentstehung während der Mikrosporenkultur eine wichtige Rolle spielt. Ungefähr die Hälfte der unterschiedlich exprimierten Gene war reduziert in Albinopflanzen und die andere Hälfte war erhöht. Die Bestimmung möglicher Funktionen solcher unterschiedlich exprimierten Gene hat gezeigt, dass sie in eine Reihe von Pflanzenfunktionen und metabolischen Wegen involviert sind. Wie vom chlorophyll-defizienten Phänotyp zu erwarten war, sind mehrere der isolierten Gene mit reduzierter Expression an der Photosynthese beteiligt. Weiters zeigten Gene des Energiehaushalts eine veränderte Expression, zum Beispiel der Glycolyse und der mitochondrialen Atmung. Eine interessante Beobachtung waren reduzierte Transkriptmengen von mehreren Genen des Aminosäuremetabolismus. Da dieser zu einem großen Teil in den Plastiden stattfindet, weist das auf weitere Defekte in Plastiden von Albinopflanzen hin. Mehrere der identifizierten unterschiedlich exprimierten Gene haben Aufgaben bei der Kerngenexpression auf verschiedenen Ebenen, was auf umfangreiche Veränderungen hinweist. Eine andere interessante Beobachtung war, dass viele der Gene mit erhöhter Expression in Albinopflanzen an Stressreaktionen von Pflanzen beteiligt sind. Unsere Ergebnisse können mithelfen, um die Mikrosporenkultur in Getreidepflanzen zu verbessern, da wir mehrere der Defekte und Interaktionen, die bei der Entstehung von Albinopflanzen während der Mikrosporenkultur eine Rolle spielen, sichtbar machen konnten. Da diese Ergebnisse andeuten, dass Regulationsmechanismen für die Entstehung der Defekte verantwortlich sein könnten, könnte das eine Entwicklung von Strategien ermöglichen, um die Albinoentstehung zu verhindern, zum Beispiel durch eine Reduktion von Stress während der Kultur. Unsere Ergebnisse können außerdem ein Ausgangspunkt sein, um Chlorophylldefizienz, Chloroplastengenexpression, Interaktionen zwischen Plastiden und Kern weiter zu untersuchen und um bisher in Weizen nicht identifizierte Kerngene zu isolieren.