Aktuelle Forschungsprojekte
Unsere aktuellen Forschungsprojekte umfassen die Entwicklung neuartiger Pflanzentypen, mit besonderem Augenmerk auf Heterosis, und die Übertragung von Resistenzen gegen biotische und abiotische Stressfaktoren von wilden Verwandten auf Nutzpflanzen. Die Resistenzzüchtung bietet eine nachhaltige Alternative zu Bewirtschaftungspraktiken wie dem Einsatz von Spritzmitteln (Insektizide, Fungizide) und hohen Düngergaben. Resistenzen gegen Trockenheit, Hitze und andere Umweltbelastungen sind in Hinblick auf den Klimawandel entscheidend für die Erhaltung des Ertrags. Routinemäßig nutzen wir Methoden der Molekulargenetik und Genomik (Bioinformatik), Zytogenetik sowie klassischen Pflanzenzucht.
Allohexaploide Brassica-Arten
Obwohl die Gattung Brassica sowohl diploide (2n = 2x; ein Chromosomensatz/Genom) als auch allotetraploide Arten (2n = 4x; zwei Chromosomensätze/Genome) umfasst, gibt es keine natürlich vorkommende allohexaploide Art (2n = 6x) mit drei unterschiedlichen Subgenomen. Unser Ziel ist es, solche allohexaploide Genotypen zu synthetisieren und ihre Genomstabilität und Fruchtbarkeit zu untersuchen. Eine neuartige allohexaploide Nutzpflanze sollte hoffentlich einen höheren Heterosiseffekt sowie verbesserte Anpassungsfähigkeit aufweisen und die Übernahme nützlicher Eigenschaften aller sechs kultivierten, diploiden und allotetraploiden Brassica-Arten ermöglichen.
Hybrid-Artbildung in Brassica
Das Vorhandensein oder Fehlen zusätzlicher Chromosomen (Aneuploidie) ist ein Phänomen, welches in der Natur immer häufiger vorkommt. Uns interessiert, ob Aneuploidie zur Artbildung oder zumindest zur Entstehung neuer, stabiler Karyotypen in der Gattung Brassica führen kann. Wir verfolgen die Vererbung von Chromosomen und Allelen in verschiedenen Populationen neuartiger interspezifischer Hybride über Generationen hinweg, um festzustellen, welche Rolle die Aneuploidie bei der Artbildung spielt, oder ob sich im Laufe der Zeit neue, stabile Genome etablieren können.
Wiederherstellung genomisch stabiler Rapssorten
Die genetische Diversität von Kulturraps (B. napus) ist durch Inzucht stark limitiert. Um dem entgegenzuwirken, ist es gängige Praxis, die Art durch Hybridisierung der Vorläufer B. rapa und B. oleracea „neu zu erschaffen“. Diese Hybride haben jedoch aufgrund mangelhafter Kontrolle der Meiose instabile Genome. Sie verlieren von Generation zu Generation Chromosomen und damit wesentliche genetische Informationen, die das Pflanzenwachstum und die Fruchtbarkeit beeinflussen. Der Grund für diese Genominstabilität ist unbekannt, zumal „natürlicher“ Raps genomisch stabil ist. Unser Ziel ist es daher, die Genomstabilität einer großen Anzahl synthetischer Raps-Genotypen mittels Hochdurchsatz-Genotypisierung, Phänotypisierung ihrer Fruchtbarkeit und Zytogenetik zu untersuchen. Die Identifizierung des Mechanismus bzw. der Mechanismen, die zur Genomstabilität in B. napus beitragen, wird nicht nur faszinierende Einblicke in die Evolutionsgeschichte dieser Art liefern, sondern auch unmittelbar zum Transfer nützlicher genetischer Diversität in Kulturraps beitragen.
Schritte hin zu autopolyploiden Brassica-Kulturpflanzen
Polyploide Pflanzen haben oft größere Zellen und Organe als diploide. Daher birgt induzierte Polyploidie, die künstliche Verdopplung der Chromosomenzahl innerhalb einer Art, ein immenses Potenzial für die Züchtung, insbesondere von ertragreichen Wurzel- und Gemüsepflanzen. Bei Rübsen (B. rapa) und verwandten diploiden Arten führten gezielte Züchtungsversuche in den 1970er und 80er Jahren zur erfolgreichen Zulassung einer Reihe tetraploider Nutzpflanzen. Diese Bemühungen wurden jedoch durch Probleme wie mangelnde Fruchtbarkeit und Wuchsstärke behindert und letztendlich aufgegeben. Wir schlagen vor, moderne Genotypisierungs-, Sequenzierungs- und Zytogenetik-Techniken einzusetzen, um die Faktoren zu ermitteln, die für den Erfolg und Misserfolg der induzierten Polyploidie in diesen Kulturpflanzen verantwortlich sind.
Introgression einer Resistenz gegen Stängelfäule in Raps
Die Wurzelhals- und Stängelfäule, auch bekannt als Phoma oder "blackleg" im Englischen, zählt zu den gravierendsten Rapskrankheiten und verursacht weltweit massive Ertragsverluste. Ihr Auslöser ist ein Befall mit dem Pilz Leptosphaeria maculans bzw. dessen Nebenfruchtform Phoma lingam. Es ist bekannt, dass Schwarzer Senf (B. nigra), eine weniger bedeutende Kulturpflanze und wilde Verwandte des Raps, mehrere neuartige Resistenzen gegen den Krankheitserreger trägt. Unser Ziel ist es, die verantwortlichen Genloci zu identifizieren und in Raps einzukreuzen (Introgression), um nützliche genetische Ressourcen für weitere Züchtungsvorhaben zu schaffen.
Homöologe Rekombination in Allopolyploiden
Wie bilden sich stabile allopolyploide Arten? Diese Frage ist für viele unserer Projekte von allgemeinem Interesse. Wir möchten genetische Faktoren (Gene, allelische Varianten, Chromosomenumlagerungen etc.) identifizieren, die zu einer erhöhten oder verringerten homöologen Rekombination und Crossover-Häufigkeit in interspezifischen Hybriden und Polyploiden, insbesondere der Gattung Brassica, beitragen.
NeatWheat
Stickstoff ist als essentieller Nährstoff oft ein limitierender Faktor für das Pflanzenwachstum. Allerdings ist übermäßige Düngung schädlich für unsere Umwelt. Daher ist es unerlässlich, Sorten mit höherer Stickstoffnutzungseffizienz (NUE), insbesondere bei Wasserknappheit, zu entwickeln.
In einer von uns durchgeführten genomweiten Assoziationsstudie (GWAS) mit 221 Winterweizensorten wurden wir auf das Gen NPF2.12 aufmerksam, welches für ein Nitrat-Transzeptor-Homolog kodiert, das in Arabisopsis die NUE bei unterschiedlichem Stickstoffangebot reguliert. Wir konnten feststellen, dass allelische Varianten der NPF2.12-Promotorregion sowohl das Wurzelwachstum als auch die Nitrataufnahme und -translokation steuern. Genauer identifizierten wir zwei unterschiedliche Haplotypen, Hap1 und Hap2, von denen letzterer unter N-Mangelbedingungen eine bessere Wurzelentwicklung und höhere N-Anreicherung in den Blättern aufweist (Pressemeldung).
Aktuell arbeiten wir daran, die Wurzel- und Ertragsmerkmale einer Reihe ausgewählter Genotypen mit extremen Phänotypen zu charakterisieren und ihre NUE zu bewerten. Zudem bestimmen wir die Segregation der Haplotypen des Gens NPF2.12, um ihren mutmaßlichen Zusammenhang mit der Wurzelentwicklung und NUE zu überprüfen.
Für ein besseres mechanistisches Verständnis werden wir die gewebespezifische NPF2.12-Expression und Transportaktivität untersuchen. Außerdem beabsichtigen wir mittels Genom-Editing, weitere allelische Varianten zu entwickeln, die es ermöglichen, die Regulationsmechanismen zu analysieren und effizientere Varianten auszuwählen.
Darüber hinaus wollen wir die Abhängigkeit der NPF2.12-abhängigen NUE von der Wasserverfügbarkeit abschätzen. Zu diesem Zweck werden die extremen Genotypen mit verschiedenem Stickstoffangebot angebaut und Trockenstress ausgesetzt.
Das langfristige Ziel besteht darin, auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse, Winterweizensorten mit verbesserter NUE zu entwickeln, insbesondere bei geringer Stickstoff- und Wasserverfügbarkeit.
