title: Molekulare und physiologische Charakterisierung der Überlebensstrategien von Wildpflanzen der Brassicaceae bei Überflutung
Creators: name: Müller, Jana Theresa
Publisher: name: University of Bayreuth
Year: 2020
Subjects: subject: Überflutung
subject: Hypoxie
subject: Brassicaceae
subject: Arabidopsis thaliana
subject: Ethylen
subject: Abscisinsäure
subject: Gibberellinsäure
subject: Escape-Strategie
subject: Quiescence-Strategie
subject: RNA-Sequenzierung
subject: 500
subject: 570
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description: Die Zunahme von extremen Wetterereignissen wie Dürre und Überflutung aufgrund des globalen Klimawandels stellt eine Bedrohung für viele Kulturpflanzen dar. Überflutung beeinträchtigt die aerobe Atmung und die Photosynthese, was eine Energiekrise zur Folge hat. Pflanzen aus überflutungsgefährdeten Gebieten haben spezifische metabolische und morphologische Anpassungen entwickelt, um die größten Herausforderungen in einer Umgebung mit überschüssigem Wasser zu bewältigen. Überflutungstolerante Arten überleben entweder durch Wachstumsförderung (Escape-Strategie) oder durch Wachstumsunterdrückung (Quiescence-Strategie). Beide Strategien wurden bereits ausführlich in der monokotylen Modellpflanze Reis (Oryza sativa) untersucht. Das molekulare Verständnis der Überlebensstrategien von dikotylen Pflanzen ist noch nicht ausreichend verstanden, da bisher keine überflutungstolerante Modellpflanze existiert, die genetisch zugänglich ist. Die Etablierung eines Modellorganismus und die Aufklärung von Überflutungstoleranzmechanismen können erheblich zur Entwicklung stressresistenter Nutzpflanzen beitragen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Verhalten von ausgewählten Wildpflanzen der Brassicaceae-Familie auf molekularer und physiologischer Ebene charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass alle Rosettenpflanzen eine Quiescence-Strategie annahmen, aber das Überleben nach Überflutung stark variierte. Die Pflanzen wurden anhand ihrer Überflutungstoleranz wie folgt eingeordnet: Arabidopsis thaliana &lt; Cardamine hirsuta &lt; Cardamine pratensis &lt; Rorippa palustris und Rorippa sylvestris. Die einzige nicht rosettenartig wachsende Art (Nasturtium officinale) zeigte bei Überflutung gegensätzliche, gewebespezifische Wachstumsreaktionen: Wachstumsförderung in den Stängeln und Wachstumsunterdrückung in den Petiolen. Die vorliegende Arbeit behandelt die Fragen, wie die gegensätzlichen Wachstumsreaktionen reguliert werden und welche Prozesse die Unterschiede in der Überflutungstoleranz beeinflussen. Die bereits bekannten molekularen Mechanismen, die die Unterwasser-Elongation steuern, basieren weitgehend auf Studien zur Elongation der Internodien in Reis und zur Elongation der Petiolen in Rumex-Rosettenpflanzen. In dieser Arbeit wurde N. officinale als dikotyle Modellpflanze zur Analyse kontrastierender Wachstumsstrategien innerhalb einer einzelnen Pflanzenart vorgestellt. Eine genomweite Transkriptomanalyse ergab, dass Überflutung eine wesentliche Veränderung des Petiolen- und des Stängeltranskriptoms verursachte, während nur geringe qualitative Unterschiede zwischen beiden Geweben beobachtet wurden. Zu den Kernreaktionen bei Überflutung gehörten Hormon-regulierte Prozesse und die Anpassung des Stoffwechsels zur Energieeinsparung, während gewebespezifische Reaktionen mit der Abwehr, der Photosynthese und den Zellwandpolysacchariden in Verbindung gebracht wurden. Die molekulare und physiologische Charakterisierung deutet darauf hin, dass die Prozesse, die das Unterwasserwachstum in N. officinale regulieren, vom etablierten Wachstumsmodul, das die Regulatoren Ethylen, Abscisinsäure (ABA) und Gibberellinsäure (GA) beinhaltet, abweichen. Das Unterwasserwachstum des Stängels wurde durch eine frühe Abnahme des ABA-Spiegels verur-sacht und nicht primär durch Ethylen, GA oder Brassinosteroide (BRs) vermittelt. Es bleibt allerdings unklar, welches Signal die anfängliche Abnahme des ABA-Gehalts einleitet, die für die Elongation des Stängels erforderlich ist. Ebenfalls konnte der Einfluss von Auxin auf die Unterwasserelongation des Stängels nicht vollständig geklärt werden. Eine in der Nacht beobachtete verstärkte Stängelelongation war nicht mit Sauerstoffmangel (Hypoxie) verbunden und deutet auf eine Regulation durch circadiane Rhythmik hin. Die Unterdrückung des Wachstums in der Petiole wird wahrscheinlich eher einem Stillstand des Zellzyklus als einer hormonellen Regulation zugeschrieben. Um herauszufinden, worauf die Unterschiede in der Überflutungstoleranz beruhen, wurden die Rosettenpflanzen einem Multispezies-Vergleich mittels genomweiter Transkriptomanalyse unterzogen. In allen Arten wurden Kohlenhydrat-assoziierte Prozesse, Reaktionen auf Pathogene und Hormon-regulierte Signalwege induziert, während Biosynthese-Prozesse reprimiert wurden. Die physiologischen Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass Überflutung in allen Arten einen Kohlenhydratmangel auslöst. Die Überflutungstoleranz der toleranten Arten C. pratensis, R. palustris und R. sylvestris könnte dabei aber auf einen weniger stark ausgeprägten Kohlenhydratmangel zurückzuführen sein. Diese Annahme beruht auf der geringeren Induktion von Genen, die mit Kohlenhydratmangel assoziiert sind, einer höheren relativen Zuckerverfügbarkeit sowie der Induktion von Gärungsprozessen im Vergleich zu den sensitiven Arten A. thaliana und C. hirsuta. Die molekulare Analyse der Überflutungsreaktionen identifizierte BETA CARBONIC ANHYDRASE 3 (BCA3), das in A. thaliana für eine cytosolische Carboanhydrase codiert, als ein potenzielles Kandidatengen für Überflutungstoleranz. Dieses Gen wurde bei Überflutung ausschließlich in den toleranten Arten stark induziert (insbesondere in R. sylvestris). Allerdings führte weder die Überexpression von AtBCA3 noch von RsBCA3 in der sensitiven Art A. thaliana zu einer erhöhten Überflutungstoleranz im Vergleich zum Wildtyp. Obwohl die Kallus- und Sprossinduktion erfolgreich verlief, konnte im Rahmen dieser Arbeit kein Transformationsprotokoll für R. sylvestris etabliert werden. Folglich konnte die Inaktivierung von BCA3 mittels RNA-Interferenz (RNAi) nicht getestet werden. Der positive Einfluss von BCA3 auf die Überflutungstoleranz konnte somit weder bestätigt noch ausgeschlossen werden. Diese Arbeit hebt die Vielfalt der Mechanismen in scheinbar ähnlichen Verhaltensweisen hervor, was die Bedeutung der Untersuchung von Überflutungsanpassungsmerkmalen bei einer Vielzahl von Arten bekräftigt. Es wurden neuartige dikotyle Pflanzensysteme vorgestellt, die als Grundlage für zukünftige Studien dienen können, um noch weitere unbekannte überflutungstolerante Gene und Prozesse identifizieren zu können.