Wurzelwachstumskontrolle und Epistasis

Eine der großen Herausforderung der Biologie ist es aufzuklären, wie das Genom Phänotypen hervorbringt. Die derzeitigen, auf einzelnen Genen basierten Modelle können trotz des beindruckenden Fortschritts der letzten Jahre, die Erbgänge von Krankheiten, Verhaltens oderanderenkomplexen Phänotypennicht zufriedenstellend erklären. Ein Grund dafür ist das Phänomen der Epistase. Es beschreibt wie einzelne biologische Eigenschaften von mehreren interagierenden Erbfaktoren bestimmt werden. Obwohl es wiederholt gezeigt wurde, dass Epistase vielen komplexen Erbmerkmalen zugrunde liegt, fehlen effiziente Methoden zur Erkennung von epistatisch interagierenden Genen. Darüberhinaus ist die molekulare Grundlage epistatischer Interaktionen zwar in einzelligen Lebewesen untersucht worden, aber es ist größtenteils unbekannt wie sich dies in komplexen vielzelligen Organismen abspielt. Durch eine Kombination von genomweiter Assoziationskartierung und Gen-Netzwerk Analyse konnten wir kürzlich eine Gruppe von 3 Leuzinreichen-Rezeptorähnlichen Kinasen (LRR-RLKs) und einer Protein Kinase identifizieren, die mit höchster Wahrscheinlichkeit epistatisch interagieren und dadurch die Wurzelwachstumsrate regulieren. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse können wir nun folgende Fragen beantworten: Wie interagieren diese Gene epistatisch miteinander? Wie regulieren diese Interaktionen die Wurzelwachstumsraten? Wie erfolgt diese epistatische Interaktion im Kontext eines komplexen Organs wie der Pflanzenwurzel? In diesem Projekt möchten wir daher die epistatische Interaktion dieser 4 Gene durch die Analyse aller Mutantenkombination dieser Gene testen und verstehen, die RNA- und Protein-Expressionslevel dieser Gene determinieren, sowie die molekulare Basis der epistatischen Regulation im Hinblick auf den zellulären Kontext und verschiedene Signalwege untersuchen. Schlussendlich werden wir mit diesem Projekt neue Horizonte für die Untersuchung komplexer Erbgänge eröffnen und die Rolle von Epistase im Kontext von komplexen Organen und am Beispiel der Kontrolle des Wurzelwachstums durch Rezeptorkinasen aufklären.

Eine der großen Herausforderungen der Biologie ist es aufzuklären, wie Phänotypen im Genom eines Organismus kodiert sind. Die derzeitigen, auf einzelnen Genen basierten Modelle können trotz des beindruckenden Fortschritts der letzten Jahre, die Erbgänge von Krankheiten, Verhaltens oder anderen komplexen Phänotypen nicht zufriedenstellend erklären. Ein Grund dafür ist das Phänomen der Epistase. Es beschreibt wie einzelne biologische Eigenschaften von mehreren interagierenden Erbfaktoren bestimmt werden. Obwohl es wiederholt gezeigt wurde, dass Epistase vielen komplexen Erbmerkmalen zugrunde liegt, fehlen effiziente Methoden zur Erkennung von epistatisch interagierenden Genen. Darüber hinaus ist die molekulare Grundlage epistatischer Interaktionen zwar in einzelligen Lebewesen untersucht worden, aber es ist größtenteils unbekannt wie sich dies in komplexen vielzelligen Organismen abspielt.Durch eine Kombination von genomweiter Assoziationskartierung und Gen-Netzwerk Analyse konnten wir in den Vorarbeiten für das geförderte Projekt eine Gruppe von 3 Leuzinreichen-Rezeptorähnlichen Kinasen (LRR-RLKs) und einer Protein Kinase identifizieren, die mit höchster Wahrscheinlichkeit epistatisch interagierten und dadurch die Wurzelwachstumsrate regulierten. In dem geförderten Projekt stellen wir fest, dass diese Gene und die von ihnen kodierten Proteine tatsächlich interagieren und untersuchten die genetischen und molekularen Grundlagen dieser Interaktion. Im Laufe unserer Untersuchungen entdeckten wir einen überraschenden Zusammenhang zwischen Wachstumsantworten auf niedrigen Eisenverfügbarkeit und Pflanzenimmunantworten. Insgesamt konnten wir daher in diesem Projekt zeigen, dass genomweite Assoziationskartierung kombiniert mit Gennetzwerkanalyse einen neuen Weg darstellt die komplexe genetische und molekulare Grundlage von Erbmerkmalen aufzuklären. Weiterhin haben wir die Rolle von drei LRR-RLKs und einer Proteinkinase aufgeklärt, die zusammen Wurzelwachstumsantworten bestimmen. Wir haben weiterhin einen bisher unbekannten molekularen und funktionalen Zusammenhang zwischen eisenanhängigen und immunabhängigen Wachstumsantworten aufgeklärt und ein hypothetisches Model postuliert dass einen wichtigen Ansatz darstellt, molekulare Signalverarbeitung in Pflanzen zu verstehen und in der Zukunft erhebliche Relevanz zum Verständnis fundamentaler Lebensvorgänge in Pflanzen, sowie praktischer Anwendungen im Bereich der Landwirtschaft haben könnte.