Entdeckung der frühen Dynamik der Nährstofferkennung und -signalisierung in Wurzeln

Wie bei Wasser, ändert sich die Zufuhr von Nährstoffen aus dem Boden und der Bedarf des Sprosses im Laufe der Zeit für die Pflanze und die Wurzeln steuern diese Dynamik. Die frühen Vorgänge in Wurzeln und Sprossen sind nur unzureichend verstanden. In dem „Root Dynamics“ Forschungsbereich werden neueste Technologien der Molekularbiologie und Biochemie mit Phänotypisierungstechnologien kombiniert, um herauszufinden, wie Wurzeln den essentiellen Mikronährstoff Zn und den Makronährstoff N wahrnehmen und darauf reagieren, um phänotypische oder molekulare Merkmale für die künftige Züchtung zu entwickeln.
Zink
Zink (Zn) ist ein essentieller Mikronährstoff für alle Organismen und entscheidend für die menschliche Gesundheit. Wird Zn unterversorgten Pflanzen wieder zugeführt, verteilt es sich in den Wurzeln und im photosynthetischen Gewebe der Triebe anders als andere Mikronährstoffe, was auf einen streng kontrollierten Homöostaseprozess hindeutet. In einer im April 2016 begonnenen Zusammenarbeit mit dem F.N.R.S. (Fonds de la recherché Scientifique, Belgien) werden zeitabhängige Probenahmen verwendet, um die molekularen Ereignisse und die durch die Zn-Verfügbarkeit induzierte Signalkaskade in Arabidopsis thaliana zu klären. Posttranslationale Proteinveränderungen sind eine der schnellsten Reaktionen auf eine sich verändernde Umwelt. Die modernste Proteomik wird eingesetzt, um die frühesten Veränderungen der Proteinhäufigkeit und des Phosphorylierungsstatus zu quantifizieren. In der ersten Phase des Projekts wurde eine Reihe neuer Akteure und Transkriptionsfaktoren entdeckt, die in früheren Studien nicht berücksichtigt wurden (Arsova et al., in Vorbereitung).
Stickstoff
Stickstoff (N) ist der häufigste Nährstoff, den Pflanzen benötigen, aber die Effizienz der N-Nutzung wird weltweit auf nur 50 % der ausgebrachten Düngemittel geschätzt, was zu großen Umwelt- und Klimaproblemen führt. Eine der großen Herausforderungen in der Landwirtschaft besteht darin, die Gründe für die geringe Effizienz zu ermitteln. Die Fähigkeit der Wurzeln, Stickstoff aus der Bodenumgebung rechtzeitig für die Sprossen aufzunehmen, ist entscheidend. Mikrobiologische Populationen (das wurzelassoziierte Mikrobiom) können die N-Aufnahme durch die Wurzeln fördern oder verhindern, aber die frühesten molekularen Ereignisse, die die Interaktionen zwischen Wurzeln und Mikroben im Zusammenhang mit der N-Aufnahme durch die Pflanzen vermitteln, sind nicht bekannt.
Ein Beispiel ist aus einem Projekt zur Steigerung der Effizienz der Zierpflanzenzucht von Petunien. Die Pflanzen wurden mit Magnetresonanztomographie (MRT) untersucht. Um einen höheren Durchsatz zu erreichen, wurde ein Containerstapel konstruiert, der Charakterisierung von 350 Pflanzen pro 24 Stunden ermöglicht (Jansen et al., 2014). Es wurde ein reproduzierbares Protokoll für Trockenstress und Wiederbewässerung entwickelt, sodass die stündliche Dynamik in Pflanzen und Boden quantifiziert werden konnte. Das Ergebnis war, dass die verschiedenen Petunien-Genotypen auf der Grundlage der Bewurzelungseffizienz unterschieden werden konnten und dass die Bewurzelungskinetik und die Erholung nach Trockenheit aus den MRT-Datensätzen extrahiert werden können.