Forschung

Die Sojabohne ist dank ihres hohen Proteingehalts ein zentraler Eiweißlieferant für die Tierhaltung. In Österreich und Europa wächst die Anbaufläche, bleibt aber deutlich hinter dem Bedarf zurück. Ein Hindernis für die direkte Nutzung sind Trypsininhibitoren (TI), antinutritive Proteine, die die Verdaulichkeit – besonders bei Schwein und Geflügel – stark beeinträchtigen. Bisher sind energie- und kostenintensive Verfahren wie Toasten oder Extrudieren nötig, die zudem die Proteinqualität mindern. Natürliche Variation für eine züchterische Reduktion der TI-Aktivität (TIA) fehlt weitgehend. Das Ausschalten einzelner Gene führt zu „Proteome Rebalancing“ und zum Verlust schwefelhaltiger Aminosäuren, die für die Futterqualität essenziell sind – klassische Züchtungsstrategien stoßen hier an Grenzen. Das Projekt setzt auf zwei Wege: (1) Präzise Genomeditierung mittels CRISPR/Cas, um Kunitz- und Bowman-Birk-Gene so zu verändern, dass die Proteine ihre inhibitorische Wirkung verlieren, aber schwefelhaltige Aminosäuren erhalten bleiben. (2) Klassische Züchtung, die genetische Vielfalt nutzt, um ergänzend die TIA zu reduzieren. Die entwickelten Linien werden funktionell validiert und mit Kontrollpflanzen in Bezug auf TIA, Proteingehalt und -qualität verglichen. Eine begleitende sozioökonomische Analyse bewertet Potenziale und Herausforderungen biotechnologischer Ansätze in der Pflanzenzucht. Getragen wird das Projekt von einem neuen Konsortium aus BOKU Wien und Saatzucht Gleisdorf. Die enge Verzahnung von universitärer Forschung und angewandter Züchtung stellt sicher, dass die Ergebnisse in die Praxis überführt werden können. Erwartet werden neuartige, TIA-reduzierte Sojabohnenlinien als Ausgangsmaterial für die Sortenzüchtung sowie grundlegende Erkenntnisse zur Regulation von TI-Proteinen. So wird eine direkte, energieeffiziente Nutzung am Hof ermöglicht, neue Wertschöpfungspotenziale für Landwirtschaft und Futtermittelindustrie erschlossen und die regionale Eiweißproduktion nachhaltig gestärkt.

Wie Pflanzen ihre Zelllogistik meistern: Neue Einblicke in Transportwege in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana Jede lebende Zelle ist auf ein präzise koordiniertes Transportsystem angewiesen, um ihre vielfältigen Funktionen aufrechtzuerhalten. Dieses intrazelluläre Transportsystem stellt sicher, dass die richtigen Proteine zur richtigen Zeit am richtigen Ort ankommen und entscheidet darüber, welche Moleküle wohin gelangen und wann beschädigte oder nicht mehr benötigte Komponenten abgebaut werden. In Pflanzenzellen ist dieses Logistiksystem besonders vielseitig. Es beeinflusst nicht nur grundlegende Prozesse wie Zellwachstum und Zellteilung, sondern ermöglicht auch die rasche Anpassung an wechselnde Umweltbedingungen wie Trockenstress, Kälte oder Schädlingsbefall. Trotz ihrer fundamentalen Bedeutung sind viele Details dieser zellulären Transportwege nach wie vor nur unvollständig verstanden. Im Mittelpunkt dieses Forschungsprojekts stehen sogenannte TOL-Proteine (TARGET OF MYB1-LIKE), die in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana wichtige Aufgaben in der Organisation der zellulären Transportwege erfüllen. Bisher wurde angenommen, dass diese Proteine hauptsächlich an der Sortierung von zum Abbau bestimmten Membranproteinen in Richtung Vakuole beteiligt sind. Neuere Erkenntnisse zeigen jedoch, dass bestimmte TOL-Proteine, insbesondere TOL3, TOL6 und TOL9, deutlich vielseitiger sind. Pflanzen, denen diese drei Proteine fehlen, zeigen nicht nur Störungen im Transport zur lytischen Vakuole, sondern auch Defekte in der Weiterleitung zu Speicherorganellen, in der Sekretion und im Abbau beschädigter Zellbestandteile durch Autophagie. Ziel dieses Projekts ist es, die individuellen Funktionen dieser TOL-Proteine im Detail zu untersuchen und zu klären, welche Rolle sie in den verschiedenen Transportwegen spielen. Besonderes Augenmerk gilt dabei TOL3, dessen zelluläre Verteilung, Interaktionspartner und funktionelle Domänen erforscht werden. Zum Einsatz kommen dafür modernste Methoden aus der Genetik, Biochemie und Bildgebung. Mikroskopische Verfahren ermöglichen die genaue Lokalisierung der Proteine sowie die Analyse ihrer Wechselwirkungen mit bekannten Transportkomplexen. Genetische Kreuzungen und pharmakologische Behandlungen helfen dabei, die jeweiligen Beiträge der TOL-Proteine zu spezifischen Transportwegen besser zu verstehen. Dieses Projekt beleuchtet grundlegende Mechanismen der zellulären Logistik in Pflanzen, die bislang kaum erforscht sind. Die Erkenntnisse können langfristig genutzt werden, um das zelluläre Transportnetzwerk gezielt zu beeinflussen, mit möglichen Anwendungen in der Pflanzenzucht, etwa zur Verbesserung von Stresstoleranz und Ertrag.

Stellen Sie sich eine winzige, komplexe Maschine in einer Zelle vor, die wie eine Pumpe wirkt und es essentiellen Partikeln ermöglicht, ein- und auszuströmen, um das perfekte Gleichgewicht für das Überleben der Zelle aufrechtzuerhalten. Diese winzige Pumpe, bekannt als V-ATPase, ist für viele lebenswichtige Prozesse in Zellen unerlässlich, von der Proteinzerlegung bis zur Aufrechterhaltung des richtigen Säuregehalts. Aber das Studium dieser Pumpe in Tieren und Menschen ist äußerst herausfordernd, denn wenn sie nicht funktioniert, stirbt der Organismus. Hier kommt die Einzigartigkeit der Pflanzen ins Spiel! Pflanzen verfügen über eine zusätzliche Familie von Pumpen, die einspringen können, wenn die V-ATPase nicht funktioniert. Dies ermöglicht es uns, mehr über die V-ATPase zu erfahren, ohne den Organismus zu schädigen. Mein Team und ich haben eine innovative Technik entwickelt, die fortschrittliche Mikroskopie verwendet, um die V-ATPase in Pflanzen zu studieren und so neue Möglichkeiten für das Verständnis der Funktionsweise dieser Pumpe zu eröffnen. Diese Forschung hat potenziell weitreichende Auswirkungen, von einem besseren Verständnis, wie Pflanzen sich entwickelt haben, um in verschiedenen Umgebungen zu überleben, bis hin zu neuen Möglichkeiten, unsere Kulturen angesichts des Klimawandels zu schützen. Neben unserer Arbeit an der V-ATPase erforschen wir auch die faszinierende Welt der Autophagie in Pflanzen. Autophagie ist ein Prozess, bei dem eine Zelle ihre eigenen Bestandteile recycelt, um unter Stressbedingungen zu überleben. Es gibt zwei Haupttypen der Autophagie – kanonische und nicht-kanonische. Die kanonische Autophagie beinhaltet die Bildung einer doppelmembranen Vesikel, die als Autophagosom bezeichnet wird, und die zelluläre Bestandteile zur Wiederverwertung aufnimmt. Die nicht-kanonische Autophagie hingegen involviert nicht die Bildung eines Autophagosoms. Stattdessen werden zelluläre Bestandteile direkt zum Vakuol befördert, wo sich die V-ATPase befindet. Unsere Arbeit konzentriert sich auf das Verständnis der Rolle der V-ATPase in der nicht-kanonischen Autophagie. Wir glauben, dass dieser Prozess eine entscheidende Rolle für das Überleben der Pflanzen spielt, insbesondere unter Stressbedingungen. Indem wir die Feinheiten der nicht-kanonischen Autophagie aufklären, hoffen wir, neue Wege zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit und Produktivität von Pflanzen aufzuzeigen. Und unser Wissen über die V-ATPase wird nicht nur für die Pflanzenforschung, sondern auch für die globale wissenschaftliche Gemeinschaft von Nutzen sein. Ich freue mich darauf, mich auf diese Reise zu begeben, um die Geheimnisse dieser winzigen, aber mächtigen zellulären Pumpe zu enthüllen.