Beschreibung

• Früchte und Samen, im folgenden als Diasporen zusammengefasst, ermöglichen höheren Pflanzen die Ausbreitung und Etablierung der Nachkommen. Ziel von SeedAdapt ist es, die Molekularbiologie von Frucht-, Samen- und Keimlingseigenschaften einjähriger Pflanzen in Anpassung an unvorhersehbare Umweltbedingungen zu erforschen. Obwohl diese Eigenschaften für Nahrungsqualität und -sicherheit äußerst wichtig sind und ganze Ökosysteme beeinflussen können, ist die molekulare Vielfalt der Anpassungsmechanismen bei abiotischer Stresseinwirkung nahezu unbekannt. Um diese Lücke zu schliessen, soll unser integratives Projekt das 'dimorphe Diasporensyndrom' einjähriger Pflanzen der Gattung Aethionema (Brassicaceae) erforschen. Einige Arten davon bilden zwei grundsätzlich verschiedene Typen von Diasporen auf ein und demselben Fruchtstand aus, offenbar als Strategie zur Risikostreuung. Das 'Samen-Diasporen Syndrom (SDS)' stellt den durch Arabidopsis vertretenen 'Normalfall' dar: Öffnungsfrüchte, die Samen mit geringer Dormanz verbreiten, welche bei Quellung verschleimen und mit der Wurzel voran auskeimen. Demgegenüber ist das 'Frucht-Diasporen Syndrom (FDS)' gekennzeichnet durch Schließfrüchte, die nicht-verschleimende Samen mit tiefer Dormanz umschliessen und bei denen die Keimblätter zuerst sichtbar werden. Wir werden zwei aufgrund ihrer Herkunft an unterschiedliche Klimata angepasste Aethionema arabicum Linien und ihre Reaktion auf abiotische Stressfaktoren während dreier empfindlicher Entwicklungsstadien vergleichen: (1) Samen- und Fruchtbildung, (2) Keimung, (3) Keimlingswachstum. Wir werden das Verhältnis von SDS zu FDS an den Fruchtständen der Elternpflanze, die Expression der für Fruchtöffnung zuständigen Gene und die Glukosinolatzusammensetzung in Abhängigkeit definierter Stressfaktoren in beiden Diasporentypen untersuchen. Weiterhin wollen wir Hormonom, Epigenom und Transkriptom erfassen, die der Dimorphie zugrunde liegen und ein 'Syndrom-Stress-Gedächtnis' bilden, das wir durch Stressphysiologie-Modellierung, Biomechanik und Wachstumsparameter der Keimlinge quantifizieren werden. Die Genomsequenz und eine RNA-Seq Bioinformatik-Pipeline für Ae. arabicum stehen zur Verfügung. Wir erwarten Informationen über differentiell exprimierte Gene und korrelierte epigenetische Marker. Damit können Analysen auch auf andere Aethionema Arten ausgeweitet und mittels Sequenzvergleich und reverser Genetik auf weitere Kultur- und Modellpflanzen angewandt werden. Ergänzend planen wir ein Mutanten-Screening und eine QTL-Analyse, um die Kopplung individueller SDS/FDS Merkmale zu untersuchen, sowie die Etablierung eines genetischen Transformationssystems für Aethionema. Diese umfassende Analyse der Regulation von Frucht-, Samen- und Keimlingsmerkmalen integriert innovative Technologien und komplementäre Expertise und bietet Gelegenheit, ein Wissenschaftsgebiet von größter Bedeutung für Ökologie, Evolution, Samenindustrie und Züchtungsforschung optimal zu bearbeiten.

Projektlaufzeit

• 01.01.2014 - 28.02.2018

Verbund/Partnerorganisation

• Royal Holloway, University of London ; Gregor-Mendel-Institut für Molekulare Pflanzenbiologie (GMI) ; Philipps-Universität Marburg ; Wageningen University ; Friedrich-Schiller-Universität Jena

Ergebniszusammenfassung

• The aim of the SeedAdapt consortium project was to elucidate the molecular mechanisms of fruit/seed-related traits that evolved in annual plant species as adaptations to cope with abiotic stresses in harsh environments and upon climate change. The network SeedAdapt, a collaboration between six European partners with diverse and complementary expertise, investigated this interesting phenomenon by studying Aethionema arabicum, a small plant originating from the Mediterranean region and the Middle East. The species belongs to the family of crucifers (Brassicaceae or cabbage family) and is therefore also related to Arabidopsis, the famous model plant for genetic and molecular research. The network revealed that, in contrast to Arabidopsis which is a model for monomorphic plants, the SeedAdapt species Ae. arabicum is a dimorphic plant. It forms two morphologically distinct types of fruits and seeds on the same plant. It is proposed that this is a "don't put all eggs in one basket" risk management strategy to survive unpredictable environmental conditions and variable weather. The seed and fruit types differ with respect to several anatomical, biomechanical, physiological, and molecular features. The total number of fruits and the ratio between the two types depend on the developmental scheme of the flower branches, and change in response to different environmental conditions experienced during flowering. In a large experiment, we mimicked different environmental stress conditions by applying different temperatures during flowering. This resulted in altered fruit and seed numbers and different ratios between the two types. Interestingly, not only the numbers and ratios were altered, but also the intrinsic properties of the produced fruits and seeds. We further found for one of the dimorphic seed types that the fruit coats encasing the seeds confer dormancy and block the germination. Our work into the underpinning molecular mechanisms demonstrated that the interaction between environment and fruit/seed type affected the hormone contents, epigenetic regulation and gene expression patterns (transcriptomes). The availability of the Ae. arabicum genome facilitated our comparative investigation of abiotic stressrelated epigenomes, hormonomes, and transcriptomes, thereby making it an exciting time to study the remarkable plant diversity by moving beyond Arabidopsis and all other monomorphic plants. The large molecular datasets generated and all findings from this research are being published OpenAccess to make them widely available. The SeedAdapt consortium work has advanced our knowledge about plant-climate interactions and demonstrated that Ae. arabicum provides an excellent model system for studying the role of seed/fruit bet-hedging to survive unpredictable environments.