Symbiont-vermittelte Trockenstresstoleranz bei Fababohne
Devika Talwar
Kooperationspartner: Jakob Santner, Linbo Wu (beide Justus-Liebig-Universität Giessen), Susanne Baldermann (Universität Bayreuth), Hanna Tietgen (Norddeutsche Pflanzenzucht Innovation GmbH)
Hintergrund: Fababohne (Vicia faba) ist eine proteinreiche Hülsenfrucht, die weltweit als Nahrungs- und Futtermittel angebaut wird. Neben ihrem hohen Nährwert kann sie zu einer nachhaltigen Fruchtfolge entscheidend beitragen, da aufgrund ihrer Wurzelsymbiose mit N2-fixierenden, nodulierenden Bakterien atmosphärischer Stickstoff gebunden werden. Die geringe biotische und abiotische Stressresilienz aktueller Faba-Bohnensorten beeinflusst jedoch die Stabilität und Qualität von Erträgen. Aus diesen Gründen wird Fababohne nur auf 0,7% der Ackerfläche in Deutschland angebaut (FAOSTAT). Die Entwicklung widerstandsfähigerer Fababohnensorten ist daher ein primäres Zuchtziel. Trockenstress beeinträchtigt die Blütenentwicklung und Reproduktion und ist ein wesentliches Hindernis für die Ertragsstabilität. Zudem kann Trockenstress die Aktivität N2-fixierenden Rhizobien in Wurzeln der Fababohne weiter verringern. Neben der Verbesserung der Nährstoffversorgung können nützliche Mikroben Pflanzen vor Stress schützen. Dieses Phänomen ähnelt der systemischen Immunität in Pflanzen als Reaktion auf einen vorherigen Stress und wird als Priming definiert. Priming stellt ein genetisch bestimmtes Pflanzenmerkmal dar und induziert eine höhere Toleranz gegenüber Stressen. Um dieses noch ungenutzte Potenzial der Mikroben zu erschließen, ist die Analyse der Wechselwirkungen von Pflanzenwurzeln mit Mikroben unter Stress erforderlich. Priming kann durch den endophytischen Pilz Serendipita indica in Pflanzen aktiviert werden. Nach der Wurzelbesiedlung bietet S. indica systemischen (Blatt-) und lokalen (Wurzel) Schutz gegen Krankheiten sowie gegenüber abiotischen Stressen (inkl. einer Vielzahl von Hülsenfrüchten). Als klar definiertes genetisches Merkmal ist das Projektziel, Genkandidaten zu identifizieren, die Priming-induzierte Trockenstresstoleranz in Fababohnen vermitteln.
Projekt: Die Phänotypisierung von S. indica-induziertem Priming wird unter KOntrollbedingungen und Trockenstress in einem Panel extremer Fababohnengenotypen durchgeführt. Phänotypische Untersuchungen umfassen verschiedene vegetative und reproduktive Merkmale, physiologische Parameter und den Hormonstoffwechsel. Transkriptom- und Mikrobiomanalysen ergänzen die Phänotypisierung, um transkriptionelle und Mikrobiom-basierte Signaturen zu untersuchen, die mit S. indica-vermittelter Trockenstresstoleranz assoziiert sind. Die Ergebnisse haben das Ziel, Symbiose-basierte Ansätze für eine nachhaltige Fababohnenproduktion zu etablieren und die Entwicklung von Markern sowie die Züchtung trockentoleranter Fababohnen-Genotypen zu unterstützen.
Laborverfahren / Techniken: Serendipita indica Kultivierung und Inokulation, Gewächshaus-basierte Trockenstress-Exaktversuche, Pflanzenphänotypisierung, physiologische Messungen (photosynthetische Effizienz, Stomataleitfähigkeit), qRT-PCR, RNA-Sequenzierung (RNA-seq), 16S rRNA-Amplicon-Sequenzierung, Mikrobiomanalyse, Gennetzwerk-Analysen
Einschlägige Veröffentlichungen:
Bond, D. A., Jellis, G. J., Rowland, G. G., Le Guen, J., Robertson, L. D., Khalil, S. A., & Li-Juan, L. (1993). Present status and future strategy in breeding faba beans (Vicia faba L.) for resistance to biotic and abiotic stresses. Euphytica, 73(1), 151-166.
Jensen, E. S., Peoples, M. B., & Hauggaard-Nielsen, H. (2010). Faba bean in cropping systems. Field crops research, 115(3), 203-216.
Khan, H. R., Paull, J. G., Siddique, K. H. M., & Stoddard, F. L. (2010). Faba bean breeding for drought-affected environments: A physiological and agronomic perspective. Field Crops Research, 115(3), 279-286.
Lagunas, B., Richards, L., Sergaki, C., Burgess, J., Pardal, A. J., Hussain, R. M. F., Richmond, B. L., Baxter, L., Roy, P., Pakidi, A., Stovold, G., Vázquez, S., Ott, S., Schäfer, P., & Gifford, M. L. (2023). Rhizobial nitrogen fixation efficiency shapes endosphere bacterial communities and Medicago truncatula host growth. Microbiome 11, 146.
Liu, B., Jing, D., Liu, F., Ma, H., Liu, X., & Peng, L. (2021). Serendipita indica alleviates drought stress responses in walnut (Juglans regia L.) seedlings by stimulating osmotic adjustment and antioxidant defense system. Applied Microbiology and Biotechnology, 105(23), 8951-8968.
Qiang, X., Weiss, M., Kogel, K.-H. & Schäfer, P. (2012). Piriformospora indica—a mutualistic basidiomycete with an exceptionally large plant host range. Molecular Plant Pathology, 13, 508-518.