Toleranz gegenüber Staunässe und Überflutung bei Raps

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David Hofmann
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Überflutung bei Raps Bettina Bammer, Marina Selle, Angelika

1 Projektverbund Strategien zur Anpassung von Kulturpflanzen an den Klimawandel Projektpräsentation Toleranz gegenüber Staunässe und Überflutung bei Raps Bettina Bammer, Marina Selle, Angelika Mustroph Universität Bayreuth Lehrstuhl Pflanzenphysiologie, AG Pflanzengenetik

2 Raps unter Staunässe und Überflutung Problemstellung Ziele Lösungsansatz Ergebnisse Ausblick 2

3 Das Problem Durch den Klimawandel nehmen lokale Wetterextreme zu Dürreperioden und Überflutungen sind die Folge Dies führt zu großen Ernteeinbußen 3

4 Das Problem Starkregen & Tauwetter Überflutung Sauerstoffmangel im Boden Haupt-Stressfaktor: Sauerstoffmangel -> Energiemangel veränderter Stoffwechsel & verringertes Wachstum der Pflanzen Ernteeinbußen 4

5 Das Problem Tolerante Pflanzen (z.b. Rumex crispus, Oryza sativa) können Überflutungsperioden durch verschiedene Vermeidungsreaktionen lange überdauern Foto Ole Pedersen 5

6 Das Problem Wasserkresse (tolerant) Raps (sensitiv) Raps ist zu solchen anatomischen Vermeidungsreaktionen nicht fähig. Ursachen dafür sind unbekannt. 6

7 Das Problem Pflanzen ohne Aerenchyme oder unter kompletter Überflutung leiden an Hypoxie. Darauf reagieren sie mit der Induktion von Gärungsenzymen und weiteren Stoffwechselmodifikationen. Saccharose O 2 Fructose-6-P NADH, ATP ATP CO 2 Pyruvat CO Acetyl-CoA 2 PDC LDH Acetaldehyd NADH ADH Lactat Ethanol At4g33070 PDC1 7

8 Das Problem Normoxie Gruppe-VII-ERF- Transkriptionsfaktoren Hypoxie Diese Stoffwechselmodifikationen Met Cys werden durch bestimmte ERF- Pflanzliche Cystein- Oxidase (PCO1/2) Met-Aminopeptidase (MAP1/2) Cys Met O 2 O 2 O2 Cys Cys Cys Cys O 2 O 2 O2 Transkriptionsfaktoren reguliert. Deren Proteinmenge wird sauerstoffabhängig durch den N- Arginyl-tRNA:Protein- Arginyltransferase (ATE1/2) Cys Arg Cys PROTEOLYSIS6 (PRT6) Ub Ub Ub Cys Gen-Induktion Hypoxie-Gene Physiologische Antwort z.b. Induktion der Gene für Gärungsenzyme End-Rule-Weg des Proteinabbaus kontrolliert. Diese Regulation findet in toleranten Cys Arg und sensitiven Pflanzen statt. Abbau durch das 26S-Proteasom 8

9 Das Problem Raps ist besonders sensitiv gegenüber Überflutungen. Bisher ist nur wenig über die molekulare Antwort von Raps auf Überflutung bekannt. Einige Analysen existieren zu asiatischen Rapssorten, die vermutlich auch tolerantere Sorten beinhalten. 9

10 Ziele 1. Identifizierung von Raps-Sorten mit erhöhter Toleranz gegenüber Überflutung und Staunässe 2. Erforschung der Ursachen für die hohe Sensitivität von Raps gegenüber Staunässe 3. Identifizierung von Marker-Genen und Merkmalen, die für die Züchtung toleranterer Raps-Sorten eingesetzt werden können 10

11 Lösungsansatz 1. Identifizierung von Raps-Sorten mit erhöhter Toleranz gegenüber Überflutung und Staunässe Analyse der Staunässesensitivität von 18 bayerischen Winterraps-Sorten in unterschiedlichen Wachstumsstadien und mit verschiedenen Anzuchtbedingungen 6-Wochen-alte Pflanzen im Gewächshaus (Erde) 2-Wochen-alte Pflanzen in der Klimakammer (Erde) 2-Wochen-alte Pflanzen in Hydrokultur Keimende Samen in der Klimakammer 11

12 Sorte 4 Sorte 2 Sorte 8 Sorte 10 Sorte 6 Sorte 1 Sorte 13 Sorte 18 Sorte 16 Sorte 11 Sorte 7 Sorte 14 Sorte 5 Sorte 3 Sorte 9 Sorte 15 Sorte 17 Sorte 12 Überleben in % Ergebnisse 6-Wochen-alte Pflanzen im Gewächshaus (Erde), 2 Wochen Staunässe Starke individuelle Schwankungen Nur leichte Unterschiede in der Toleranz für wenige Sorten 5 unabhängige Experimente mit je 6 Pflanzen 12

13 Sorte 7 Sorte 8 Sorte 4 Sorte 3 Sorte 15 Sorte 13 Sorte 9 Sorte 16 Sorte 6 Sorte 1 Sorte 5 Sorte 12 Sorte 10 Sorte 11 Sorte 14 Sorte 18 Sorte 2 Sorte 17 Frischgewicht Spross [g] Ergebnisse 2-Wochen-alte Pflanzen in der Klimakammer (Erde), 2 Wochen Staunässe Starke individuelle Schwankungen Keine signifikanten Unterschiede zwischen den Sorten 3 unabhängige Experimente mit je 4 Pflanzen 13

14 Ergebnisse Messung der ADH-Aktivität (Gärungsenzym) in Wurzeln von Pflanzen auf Erde Kontrollen mit teilweise sehr hohen Werten Nach Stressbehandlung kaum mehr messbare Enzymaktivitäten durch Absterben der Wurzeln Foto Tom Freudenberg Nutzung eines Hydrokultur-Systems 14

15 Sorte 9 Sorte 8 Sorte 10 Sorte 1 Sorte 13 Sorte 14 Sorte 6 Sorte 17 Sorte 4 Sorte 18 Sorte 2 Sorte 11 Sorte 12 Sorte 5 Sorte 15 Sorte 3 Sorte 16 Sorte 7 ADH-Aktivität [nmol * min-1 * mg Prot-1] Ergebnisse 2-Wochen-alte Pflanzen in der Klimakammer (Hydrokultur), Hypoxie 2500 Belüftung 2000 Hypoxie unabhängige Experimente mit je 4 Pflanzen ADH-Aktivitäten der Kontrollen wie erwartet niedrig Starker Anstieg nach Hypoxie Wenige Unterschiede zwischen den Arten 15

16 Ergebnisse Keimende Samen in der Klimakammer (in Anlehnung an asiatische Screenings) Belüftung Staunässe Sorte A Sorte B 16

17 Sorte 9* Sorte 6* Sorte 1 Sorte 7 Sorte 12 Sorte 10 Sorte 8 Sorte 13 Sorte 14 Sorte 5 Sorte 4 Sorte 17 Sorte 2 Sorte 16 Sorte 11 Sorte 18* Sorte 3* Sorte 15* Wurzellänge [mm] Ergebnisse Keimende Samen in der Klimakammer (in Anlehnung an asiatische Screenings) Bereits 18 h Überflutung führen zum Absterben vieler Keimlinge Signifikante Unterschiede zwischen den Sorten 3 unabhängige Experimente mit je 20 Pflanzen * signifikante Unterschiede bei P<0,05 17

18 Ergebnisse - Zusammenfassung Sorte 9 zeigte sowohl geringe ADH-Aktivitäten in Wurzeln als auch schnelles Absterben von überfluteten Keimlingen Sorte 15 zählte in verschiedenen Experimenten zu den toleranteren Sorten Allgemein sind jedoch keine starken Unterschiede zwischen den 18 getesteten bayerischen Sorten zu finden 18

19 Ausblick 1. Identifizierung von Raps-Sorten mit erhöhter Toleranz gegenüber Überflutung und Staunässe Test einer weiteren Screeningmethode in Hydrokultur mit Keimlingen Einbeziehen von 8 asiatischen Sorten mit hoher bzw. niedriger Staunässetoleranz Auswahl von 2 toleranteren und 2 sensitiveren Sorten für weitere Analysen 19

20 Ausblick 2. Erforschung der Ursachen für die hohe Sensitivität von Raps gegenüber Staunässe 3. Identifizierung von Marker-Genen und Merkmalen, die für die Züchtung toleranterer Raps-Sorten eingesetzt werden können RNA-Sequenzierung von Raps nach Stressbehandlung Vergleich der Expressionsdaten von 2 toleranten und 2 empfindlichen Raps- Sorten nach Stressbehandlung 20

21 Danksagung Universität Bayreuth Bettina Bammer Marina Selle Natalia Hess Jana Müller Universität Utrecht Rashmi Sasidharan Finanzierung StMUV DFG 21

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