Regulation des DNA-Reparatursystems unter abiotischem Stress
Lucas Gabriel Machain
Kooperationspartner: Alle Mitglieder des EU-HeatDDR Konsortiums
Hintergrund: Die Gewährleistung einer nachhaltigen Nahrungsmittelproduktion zur Versorgung einer wachsenden Weltbevölkerung ist eine globale Herausforderung für die landwirtschaftliche Nutzpflanzenproduktion. Landwirte sind durch den Klimawandel zusätzlich mit dynamischen Umweltbedingungen konfrontiert, die das Pflanzenwachstum beeinträchtigen und den Ertrag negativ beeinflussen. Prinzipiell verfügen Pflanzen jedoch über adaptive Resilienzstrategien, um Umweltveränderungen zu bewältigen und diese Herausforderungen zu überstehen. Insbesondere Hitze und Trockenheit sind zwei abiotische Belastungen, die den Ertrag verringern, wobei Hitze aufgrund der globalen Erwärmung und zunehmender extremer Temperaturereignisse zunehmend an Bedeutung gewinnt. Die biologischen Mechanismen, die Pflanzen zur Adaption an Hitzestress nutzen, sind nicht vollständig verstanden. Die Aufklärung dieser adaptiven Prozesse sind ein Schlüssel, Pflanzen mit überlegener Entwicklung und Ertragsleistung unter zunehmend härteren Bedingungen zu entwickeln.
Projekt: Hitzestress löst DNA-Strangbrüche in Pflanzengenomen aus, die potenziell fatalen Folgen für die Zellvitalität und insbesondere für die Zellteilung in meristematischen Geweben. In diesem Projekt führen wir Einzelzell-RNA-Sequenzierungen durch, um Konvergenzpunkte zwischen DNA-Schäden und Hitzestressreaktionen in den zugrunde liegenden Genregulationsnetzwerken zu identifizieren. Diese Analysen werden auf etablierten Gennetzwerk-Analyseplattformen basieren, um regulatorische Knotenpunkte unter dem Gesichtspunkt des Zellalters und des Zelltyps zu identifizieren. Zusätzlich ermöglichen die Untersuchungen die Erstellung eines hochauflösenden Gennetzwerkatlas zur adaptiven Regulation von DNA-Schäden unter Hitzestress.
Laborverfahren / Techniken: Zelltypspezifische und Einzelzell-RNA-Seq und Transkriptomik, Gennetzwerkanalysen, bioinformatische Promotorvorhersage, Zellzyklus- und Wachstumstests, CLSM, Kometen-Assay
Einschlägige Veröffentlichungen:
Rich-Griffin, C., Eichmann, R., Reitz, M. U., Hermann, S., Woolley-Allen, K., Brown, P. E., Wiwatdirekkul, K., Esteban, E., Pasha, A., Kogel, K. H., Provart, N. J., Ott, S., & Schäfer, P. (2020) Regulation of Cell Type-Specific Immunity Networks in Arabidopsis Roots. Plant Cell 32: 2742–2762.
Rich-Griffin, C., Stechemesser, A.H., Finch, J., Lucas, E.S., Ott, S., Schäfer, P. (2020) Single-cell transcriptomics - a high-resolution avenue for plant functional genomics. Trends in Plant Science 25:186-197.
Huang, Y., An, J., Sircar, S. et al. HSFA1a modulates plant heat stress responses and alters the 3D chromatin organization of enhancer-promoter interactions. Nat Commun14, 469 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-36227-3
Kaduchová K, Šály P, Kashkan I and Pecinka A (2025) Heat stress suppresses DNA replication and mitosis in barley root apical meristems. Front. Plant Sci. 16:1679234. doi: 10.3389/fpls.2025.1679234