Forscher der Universität Hiroshima sind näher dran, die molekularen Prozesse zu identifizieren, die zugrunde liegen, wie Überschwemmungen Pflanzen Sauerstoff entziehen – und wie man widerstandsfähigere Pflanzen entwickeln kann.
Überschwemmungen sind laut Weltbank ein globales Risiko, bei dem Leben und Eigentum von Milliarden Menschen bedroht sind. Noch mehr Menschen sind als Folge von Überschwemmungen vom Hungertod bedroht: Das Wasser kann Ernten ertränken. Jetzt nähern sich die Forscher der Identifizierung der molekularen Prozesse, die zugrunde liegen, wie Überschwemmungen Pflanzen den Sauerstoff entziehen – und wie man widerstandsfähigere Pflanzen entwickelt.
Durch eine Metaanalyse, bei der Daten aus anderen Studien massenhaft erneut analysiert werden, hat das Team der Graduate School of Integrated Sciences for Life der Universität Hiroshima mehrere gemeinsame Gene und ihre zugehörigen Mechanismen in Reis (Oryza sativa) und Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) aufgedeckt ).
Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse am 19. Juli in Leben.
„Hypoxie ist ein abiotischer Stress für Pflanzen, der häufig durch Überschwemmungen verursacht wird“, sagte Erstautor Keita Tamura und verwies auf den durch Übersättigung verursachten Sauerstoffmangel. „Obwohl bereits viele Studien durchgeführt wurden, dachten wir, dass verborgene biologische Mechanismen gefunden werden könnten, indem mehrere Studien durch eine Metaanalyse öffentlich zugänglicher Daten analysiert werden.“
Das Team konzentrierte sich auf Reis und Ackerschmalwand, da die Genetik beider ausgiebig untersucht wurde und umfangreiche Datenmengen lieferte. Reis gilt auch als eine der wichtigsten Nutzpflanzen der Welt und dient laut der Consultative Group for International Agricultural Research als Grundnahrungsmittel für mehr als vier Milliarden Menschen. Daher ist es entscheidend zu verstehen, wie eine Hypoxie-Reaktion in der Pflanze verhindert werden kann, sagte Tamura .
Die Forscher identifizierten aus den verfügbaren Datensätzen 29 Paare von RNA-Sequenzierungsdaten für Ackerschmalwand und 26 Paare für Reis für die Pflanzen sowohl im normalen als auch im sauerstoffarmen Zustand. Bei der RNA-Sequenzierung werden die genetischen Baupläne des Subjekts zu einem bestimmten Zeitpunkt transkribiert, sodass anhand der Daten untersucht werden kann, welche Gene welche Veränderungen ausgelöst haben, so der korrespondierende Autor Professor Hidemasa Bono.
„Durch die Analyse von RNA-Sequenzierungsdaten von Hypoxie-Behandlungen in Ackerschmalwand und Reis identifizierten wir 40 und 19 häufig hoch- und herunterregulierte Gene in beiden Arten“, sagte Bono. „Unter ihnen wurden einige WRKY-Transkriptionsfaktoren und Cinnamat-4-Hydroxylase, deren Rolle bei der Hypoxie-Reaktion unbekannt bleibt, sowohl in der Ackerschmalwand als auch in Reis häufig hochreguliert.“
Laut Bono bedeutet diese gemeinsame Hochregulierung, dass diese molekularen Maschinen unter Sauerstoffmangel aktiver wurden, was darauf hindeutet, dass sie spezifische mechanistische Verantwortlichkeiten dafür haben, wie die Pflanzen reagieren.
Bono und Tamura verglichen ihre Ergebnisse mit einer ähnlichen Metaanalyse von Hypoxie in menschlichen Zellen und Gewebeproben. Sie fanden heraus, dass zwei der häufig hochregulierten Gene in Reis und Ackerschmalwand in ihren menschlichen Gegenstücken herunterreguliert waren.
„Unsere Meta-Analyse deutet auf unterschiedliche molekulare Mechanismen unter Hypoxie bei Pflanzen und Tieren hin“, sagte Bono. „Die in dieser Studie identifizierten Kandidatengene sollen neue molekulare Mechanismen von Hypoxie-Reaktionen in Pflanzen aufklären. Letztendlich planen wir, eines der Kandidatengene durch Genom-Editing-Technologie zu manipulieren, um überschwemmungstolerante Pflanzen zu schaffen.“
Keita Tamura et al, Metaanalyse von RNA-Sequenzierungsdaten von Arabidopsis und Reis unter Hypoxie, Leben (2022). DOI: 10.3390/life12071079