Leguminosen: Multilevelanalyse hin zur Trockenstresstoleranz

Eine der wichtigsten Funktionen der Pflanzenzellen ist die Fähigkeit auf Änderungen ihrer Umwelt zu reagieren. Das Verständnis von Zusammenhängen zwischen Initialantworten und den nachfolgenden Reaktionen, die eine erfolgreiche Anpassung an Umweltschwankungen erzeugen, ist eine der Herausforderungen der Pflanzenphysiologieforschung. Die häufigsten Untersuchen wurden bislang auf Transkriptionsebene durchgeführt. Neben Transkriptomanalysen ermöglichen neuere Technologien wie die der Massenspektrometrie, umfangreiche metabolom und proteome Studien. Bisherige Untersuchungen konzentrierten sich auf unterschiedliche Arten des abiotischen Stresses wie Temperatur, Trockenheit oder Salz mittels verschiedenster Pflanzen und Technologien. Alle diese Daten haben das Verständnis zur Komplexizität der pflanzlichen Antwort, abhängig von Intensität und Dauer der Störung des physiologischen Gleichgewichts, verbessert. Trotzdem sind ein Vergleich und eine Verbindung wegen der Diversität der Daten sowie der experimentellen Bedingungen schwierig oder sogar unmöglich. Daher werden in Zukunft die Kombination verschiedener Technologien und die Vereinheitlichung von Anzuchtsbedingungen nötig sein, um ein besseres Verständnis der komplexen Reaktionen des pflanzlichen Systems zu erhalten. Leguminosen liefern die Hauptquelle pflanzlichen Proteins und sind wegen ihrer Fähigkeit zur Stickstofffixierung über die Symbiose mit Erdrhizobien wichtig für nachhaltige Landwirtschaft. Diese Bakterien kolonisieren die Wurzeln der Leguminosen über die Bildung spezialisierte Organe, den Knöllchen. Der wechselseitige regulatorische Mechanismus zwischen Pflanze und Bakteroid zur erhöhten Stresstoleranz ist bis heute unklar. Stress verursachte, unvorhersehbare Schwankungen von Ertrag und Gewinn sind die Haupthemmnisse für eine nachhaltige Leguminosen-produktion in Europa. Im beantragten Projekt sollen vergleichende Systembiologische technologien eingesetzt werden um zu einem verbesserten Verständnis der Reaktionen von Leguminosen auf Hauptstressfaktoren als Grundvoraussetzung zur wissensbasierten Züchtung für nachhaltige und erhöhte Profitabilität zu gelangen. Dabei sollen neue metabolomische und proteomische Schlüsselmechanismen über bioinformatorische Auswertungsverfahren als regulatorische Marker für eine verbesserte Stresstoleranz identifiziert werden

Mittels mehrstufiger Analyseverfahren und technologischer Weiterentwicklungen innerhalb dieses Projektes ist es der Forschungsgruppe um Stefanie Wienkoop gelungen einen bisher weitestgehend unbekannten molekularen Mechanismus zu beschreiben. Dieser spielt bei Leguminosen, wie z.B. Erbse und Bohne, im Zusammenhang mit verbesserter Trockenstresstoleranz eine wesentliche Rolle. Leguminosen können eine für sie vorteilhafte Interaktion (Symbiose) mit Bodenbakterien (Rhizobien) eingehen. Die Forscher konnten nachweisen, dass diese Pflanzen-Rhizobien- Interaktion hier eine Schlüsselrolle spielt. Ein Alterungsprozess der Blätter, der durch Wassermangel in Pflanzen normalerweise induziert wird, kann durch Interaktion mit Rhizobien, verlangsamt werden. Dieser verlangsamte Alterungsprozess wird auch als stay-green (grün-bleib) Effekt bezeichnet und ist in der Agrarwissenschaft schon länger bekannt, jedoch bisher nicht physiologisch verstanden. Trockenstress ist eine der Hauptursachen für Ernteverluste und spielt im Zuge von Klimaänderungen eine immer bedeutendere Rolle. Leguminosen sind die Hauptnahrungsquelle für die Proteinzufuhr bei Mensch und Tier. Die gezielte Anwendung von spezifischen Bodenbakterien an Stelle von stickstoffhaltiger Fertilisation kann, neben der erhöhten Trockenstresstoleranz, auch Kosten senken ohne Wachstum und Ertrag der Pflanzen zu verringern. Neben einer durch die symbiotische Interaktion beeinflussten, molekularen Grundeinstellung der Pflanzen (ähnlich einer Impfung), fand das Forscherteam potentielle Schlüsselmoleküle, die auch bei biotechnologische Verfahren zur verbesserten Trockenstresstoleranz ihre Anwendung finden könnten. Diese sind möglicherweise auch auf andere Pflanzenfamilien übertragbar. Eines der Schlüsselmoleküle konnte bereits innerhalb des Projektes genauer untersucht werden.