Forschung

Pflanzen sind ständig wechselnden Umweltbedingungen ausgesetzt. Da sie ihren Standort nicht verlassen können, müssen sie ihr Wachstum und ihre Entwicklung laufend anpassen, um verfügbare Ressourcen möglichst effizient zu nutzen. Besonders wichtig sind dabei die Wurzeln, die Wasser und Nährstoffe erschließen und die Pflanze im Boden verankern. Gesteuert werden viele dieser Anpassungsprozesse durch das Pflanzenhormon Auxin, das als zentraler Regulator des Wachstums wirkt. Damit Auxin seine Wirkung entfalten kann, muss es gezielt innerhalb der Pflanze transportiert werden. Diese Aufgabe übernehmen sogenannte PIN-Proteine. Sie bestimmen, an welchen Stellen sich Auxin anreichert und beeinflussen dadurch, wie Wurzeln wachsen und auf Umweltreize wie Schwerkraft, Licht, Bodenbeschaffenheit oder Nährstoffverfügbarkeit reagieren. Die genaue Verteilung der PIN-Proteine innerhalb der Zellen ist daher entscheidend für die Entwicklung und Anpassungsfähigkeit von Pflanzen. Unterschiedlichste Mechanismen, die die Funktion dieser Transportproteine steuern, sind bereits bekannt. Neue Forschungsergebnisse deuten mittlerweile darauf hin, dass eine weitere, bislang kaum erforschte Regulationsebene existiert. Bestimmte Aminosäure-Bausteine der PIN-Proteine, die sogenannten Cysteine, können reversible chemische Veränderungen durchlaufen. Diese könnten beeinflussen, wie PIN-Proteine innerhalb der Zelle verteilt werden, wie lange sie an der Zelloberfläche verbleiben und wie effizient sie den Auxintransport steuern. Erste Hinweise zeigen, dass solche Prozesse für die Anpassung des Wurzelwachstums wichtig sein könnten, ihre genaue Bedeutung ist jedoch noch weitgehend ungeklärt. Das Projekt untersucht diese neuartigen Regulationsmechanismen an zwei zentralen PIN-Proteinen in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Mithilfe genetischer, biochemischer und moderner mikroskopischer Methoden werden die chemischen Veränderungen identifiziert, ihre Dynamik analysiert und ihre Auswirkungen auf die Verteilung und Funktion der PIN-Proteine untersucht. Darüber hinaus wird die Rolle des Proteins WAVY GROWTH 2 erforscht, das möglicherweise an der Entfernung bestimmter Veränderungen beteiligt ist und damit die Aktivität der PIN-Proteine reguliert. Die Ergebnisse werden grundlegende neue Einblicke in die molekularen Mechanismen der Pflanzenentwicklung und Umweltanpassung liefern. Das Projekt erschließt damit einen bislang unbekannten Regulationsweg des Auxintransports und trägt zu einem besseren Verständnis bei, wie Pflanzen ihr Wachstum flexibel an wechselnde Bedingungen anpassen. Langfristig wird dieses Wissen dazu beitragen, Strategien für die Entwicklung widerstandsfähigerer Kulturpflanzen für zukünftige Herausforderungen zu entwickeln.

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.