Salzstresstoleranz und oxidative Signaltransduktion

Kontamination von Böden mit Salz ist ein bedeutender Umweltstress, der in vielen Regionen der WeltdasWachstum und die Entwicklung vonPflanzen unddamitden landwirtschaftlichen Ertrag beeinträchtig. Pflanzen haben diverse Mechanismen entwickelt, um auf Salzstress zu reagieren. Zu diesen Mechanismen gehört die von Protein- Phosphorylierung- und reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) - vermittelte Signaltransduktion. ROS werden in gestressten Pflanzen vermehrt produziert. ROS sind einerseits für die Signaltransduktion (zelluläre Informationstransfer) wichtig, andererseits können sie, wenn sie sich in großen Mengen anhäufen, zu oxidative Stress führen und Zellen schädigen. Stress- induzierteProteinphosphorylierung kanndie Funktionvon Proteinen, die in die Signaltransduktion und in physiologische Reaktionen involviert sind, rasch und reversibel ändern. Neuere Studien haben unser Wissen über die, durch Salzstress induzierte Signaltransduktion deutlich erweitert. Dennoch ist unser Verständnis der molekularen Mechanismen dieses Prozesses limitiert. Die Arabidopsis Proteinkinase ASKa ist ein wichtiger Regulator der Salzstress-Toleranz. ASKa ist daran beteiligt das zelluläre Redox-Gleichgewicht unter Salzstress-Bedingungen zu erhalten und überschüssige ROS zu entgiften. Basierend auf neuen Daten, die zeigen, dass ROS die Aktivität von ASKa induzieren, soll in diesem Projekt die Interaktion zwischen der ROS-Signaltransduktion und ASKa untersucht werden. Es werden die Mechanismen, die zur Aktivierung von ASKa durch ROS führen und die Rolle von ASKa im oxidativen Stress analysiert werden. Darüber hinaus wird in diesem Projekt untersucht, ob ASKa auch Toleranz zu anderen Arten von abiotischem Stress, wie z.B. Trockenheit, Hitze oder Kälte, vermittelt. Um dies zu erreichen, werden genetische, biochemische und molekulare Methoden mit physiologischen Studien in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana kombiniert. Diese umfassende Studie über die Wechselwirkung zwischen ROS-Signaltransduktion, ASKaundder zellulären Redox-Homöostase wirddazu beitragen grundlegende Mechanismen der Stresstoleranz besser zu verstehen.

Widrige Umweltbedingungen stellen eine zunehmende Herausforderung für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen dar. Die Projektergebnisse zeigen, dass die metabolische Plastizität die Anpassungsfähigkeit von Pflanzen an verschiedene Umweltbedingungen fördert und zu Stresstoleranz und Ertragsstabilität unter schwierigen Bedingungen beiträgt. Ausgehend von Studien über Stressreaktionswege der Modellpflanze Arabidopsis thaliana wurde die alte europäische Ölsaat Camelina sativa (Leindotter), die nahe mit Arabidopsis verwandt ist, untersucht. Leindotter ist eine vielseitige Nutzpflanze für hochwertiges Speiseöl, Futtermittel und industrielle Anwendungen, die sich an ein breites Spektrum klimatischer Bedingungen anpassen kann und als besonders widerstandsfähig gilt. Acht unterschiedliche Leindotterlinien, darunter Cultivare und Landsorten aus verschiedenen geografischen Regionen, wurden hinsichtlich wichtiger Wachstumsparameter und landwirtschaftlicher Merkmale charakterisiert. Der zentrale Kohlenhydratstoffwechsel ist eng mit dem Wachstum und der Entwicklung von Pflanzen verbunden. Seine Adaptation ist für die Anpassung und Aufrechterhaltung des Wachstums unter Stressbedingungen wichtig. Die Analyse von 20 Schlüsselenzymen des zentralen Kohlenhydratstoffwechsels zeigte spezifische Aktivitätssignaturen in Blättern und reproduktiven Organen während der Samenentwicklung. Verschiedene Linien wiesen unterschiedliche Enzymaktivitätsmuster auf, die mit agronomischen Parametern/Ertragsmerkmalen assoziiert waren. Interessanterweise konnten Effekte der Selektion auf der Ebene der Enzymsignaturen und in Übereinstimmung mit der Selektionsgeschichte festgestellt werden. Die Analyse der Leindotter-Linien im Hinblick auf ihre Toleranz gegenüber Salzstress, ihre antioxidative Kapazität und die Reaktion des zentralen Kohlenhydratstoffwechsels auf Salzstress zeigte eine höhere Ertragsstabilität der natürlich angepassten Landrassen im Vergleich zu modernen kommerziellen Cultivaren. Milder Salzstress führte zu Aktivitätsänderungen einiger wichtiger Enzyme des Kohlenhydratstoffwechsels, wobei ertragsstabile Linien andere Regulierungsmuster aufwiesen als Linien, die stärker von Salzstress betroffen waren. Dies weist darauf hin, dass enzymatische Plastizität zur Anpassungsfähigkeit von Pflanzen an unterschiedliche Umweltbedingungen beiträgt und die Stresstoleranz erhöht. Plastizität des zentralen Kohlenhydratstoffwechsels, der Energie für eine erfolgreiche Stressanpassung liefert, stellt daher eine interessante Möglichkeit dar, den Ertrag von Kulturpflanzen unter Stressbedingungen zu stabilisieren. Enzymaktivitätssignaturen können dazu genutzt werden, die metabolische Plastizität von unterschiedlichen Pflanzenlinien (Genotypen) besser zu verstehen und geeignete Kandidaten für Pflanzenzüchtung zu identifizieren, um die landwirtschaftliche Produktion unter sich ändernden klimatischen Bedingungen zu sichern.