Forschung

Um Umweltbelastungen zu bewältigen, aktivieren Pflanzen verschiedene Anpassungsmechanismen, darunter Stressantworten, die zur Aufrechterhaltung der zellulären Homöostase beitragen. Diese Anpassungen gehen mit einer umfassenden Umgestaltung des Proteoms einher, wobei proteolytische Prozesse eine zentrale Rolle beim Abbau überflüssiger oder geschädigter Proteine spielen. Salzstress zählt zu den schwerwiegendsten Umweltbelastungen für Pflanzen. Ein erhöhter Salzgehalt im Boden beeinträchtigt das Pflanzenwachstum erheblich, da er ein ionisches Ungleichgewicht sowie osmotischen und oxidativen Stress verursacht und zugleich die Nährstoffaufnahme einschränkt. Die proteostatischen Mechanismen, mit denen Pflanzen die Auswirkungen von Salzstress abmildern, sind jedoch bislang nur unzureichend verstanden. Dieses Projekt untersucht die Rolle der selektiven Autophagie bei der pflanzlichen Reaktion auf Salzstress und wird zu einem vertieften Verständnis pflanzlicher Stressantworten beitragen - ein wichtiger Schritt angesichts der zunehmenden Herausforderungen für die Landwirtschaft.

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.