Die Rolle von PLD1 im Eisen-abhängigem Wurzelwachstum

Iron (Fe) is an essential element for all organisms. Almost all Fe that is available to animals, including humans, is ultimately derived from plants. Consequently, the ability of plants to acquire Fe, especially under Fe-limited conditions is of high practical relevance. While several important regulatory components for Fe homeostasis and Fe deficiency response have been identified, little is known about the underlying genetic mechanisms that coordinate plant growth with Fe availability. Using a genomic wide association (GWA) mapping approach, the host laboratory has identified phospholipase D zeta1 (PLD1) to be a primary candidate gene for underlying natural variation of root growth during Fe deficiency in the model plant Arabidopsis thaliana. Interestingly, PLD1 is known to be involved in root growth responses upon phosphate deficiency (-P), suggesting that biologically relevant crosstalk between -P and Fe might be integrated at the level of PLD1 function. In this project, we will characterize the regulation of PLD1 in root growth during Fe deficiency. The proposed research includes the confirmation of the role PLD1 in Fe deficiency responsive root growth, the analysis of the underlying molecular and biochemical regulation processes, as well as the identification and characterization of the causal PLD1 alleles in this context. Furthermore, the potential integration of -Fe and - P response pathways through PLD1 will be investigated. Overall, this study is expected to identify both, qualitative and quantitative genetic mechanisms of how plants adjust and adapt to nutritional deficiency stress, and will provide excellent starting points for developing crop species with improved tolerance to nutritional deficiencies, enhanced yields and mineral nutrition under limited growth conditions.

Die natürliche Vielfalt biologischer Eigenschaften innerhalb einer Art ist ein weit verbreitetes Phänomen. So variieren wichtige, genetisch determinierte Eigenschaften innerhalb von Arten: man denke nur an die menschliche Körpergröße oder die Krankheitsanfälligkeit von Nutzpflanzen. Diese Vielfalt innerhalb und zwischen Populationen ist oft äußerst bedeutsam für den Erfolg und das Überleben einer Art. Bei Nutzpflanzen ist diese Vielfalt der Schüssel dafür, neue Varietäten zu züchten um den Ertrag zu verbessern oder Nutzpflanzen an neue Regionen anzupassen. Die beobachtbare phänotypische Vielfalt ist sehr häufig eine Interaktion von Genvarianten (Genotyp) und Umweltfaktoren. Ein bedeutender Umweltfaktor für das Wachstum von Pflanzen ist die Verfügbarkeit von Nähstoffen im Boden. Einer der bedeutendsten Nähstoffe ist Eisen: Es ist ein Schlüsselfaktor für viele wichtige Prozesse und insbesondere von essentieller Bedeutung in der Redox-Regulierung, oxidativem Stress und Zelltod. Eisenmangel tritt häufig in gut durchlüfteten basischen Böden auf und führt zu vermindertem Pflanzenwachstum und zu einem verringerten Nährwert der Ernte. Zu viel Eisen ist allerdings auch schädlich, da es zu Eisenvergiftung führen kann. Eisenvergiftung trifft vor allem Pflanzen auf gefluteten Ackern und führt insbesondere in afrikanischen Nassreisböden zu Ernteverlusten. Die Eisentoleranz von Pflanzen variiert innerhalb und zwischen verschiedenen Pflanzenarten. Es ist allerdings bisher nicht geklärt worden, welche genetischen und molekularen Faktoren zu erhöhter Eisentoleranz führen. In diesem Projekt haben wir mithilfe von genomweiter Assoziationskartierung (GWA) in natürlichen Populationen der Modelpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) einen Hauptfaktor für Eisentoleranz identifiziert. Dieses Gen, die Nitrosoglutathion-Reduktase (GSNOR), kodiert für einen Schlüsselbestandteil des Stickoxid(NO)-Signalwegs. Verschiedene Allele dieses Gens determinieren die Eisenempfindlichkeit/Eisentoleranz des Wurzelwachstums. Analysen der GSNOR Genfunktion in der Leguminose Lotus japonicus zeigten, dass die Funktion von GSNOR für Eisentoleranz in verschiedenen Pflanzenarten konserviert ist. Die molekulare Grundlage der Eisentoleranz ist in der Funktion von GSNOR im Stickoxid-Signalweg gegeben. Weiterhin endeckten wir, dass Eisenakkumulation essentiell für das Einleiten von Zelltod in den Wurzelspitzen durch sowohl nitrosativen als auch oxidativen Stress ist. Insgesamt haben wir daher das bisher erste Gen identifiziert das der Eisentoleranz des Wurzelwachstums zugrunde liegt, und die zugrundeliegenden Mechanismen aufgeklärt. Diese Ergebnisse könnten zu bedeutenden Anwendungen im Bereich der Landwirtschaft, insbesondere für die Produktivität auf Nassböden führen.