Wissenschaftler entdecken, wie ein niedriger Phosphorgehalt die Reisarchitektur und die Nährstoffaufnahme reguliert

Forscher unter der Leitung von Dr. Wang Bing und Li Jiayang vom Institut für Genetik und Entwicklungsbiologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben gezeigt, dass ein niedriger Phosphorgehalt die Biosynthese und Signalübertragung von Strigoalactonen aktiviert, um die Pflanzenarchitektur sowie die Stickstoff- und Phosphataufnahme in Reis zu regulieren.

Die Forscher entwickelten außerdem transgene Pflanzen mit höherer Nährstoffnutzungseffizienz, verbesserter Spross- und Wurzelarchitektur sowie erhöhter Biomasse und Kornertrag unter Bedingungen mit niedrigem und mittlerem Phosphorgehalt. Die Studie wurde veröffentlicht in Molekulare Pflanze am 4. Oktober.

Phosphor ist eines der Makroelemente, die für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen erforderlich sind. Hohe Ernteerträge hängen vom starken Einsatz chemischer Düngemittel wie Phosphordünger ab, die den Ernteertrag steigern, aber die Effizienz der Phosphornutzung verringern. Phosphorgestein ist eine nicht erneuerbare Ressource, und die übermäßige Produktion und Anwendung von Phosphordünger hat zur Verschwendung landwirtschaftlicher Ressourcen und Umweltverschmutzung geführt, was für die nachhaltige Entwicklung der Landwirtschaft ungünstig ist.

Daher ist es wichtig, die Mechanismen der Reaktionen von Pflanzen mit niedrigem Phosphorgehalt zu erforschen, um die Effizienz der Phosphornutzung zu verbessern, den Einsatz von Phosphordünger zu reduzieren und eine nachhaltige Entwicklung der Landwirtschaft zu erreichen.

Strigolactone sind eine Klasse von Pflanzenhormonen, die verschiedene biologische Prozesse regulieren und eine wichtige Rolle bei der Reaktion auf Phosphormangel spielen. Stress mit niedrigem Phosphorgehalt induziert die Strigolacton-Biosynthese in Reis erheblich, die Transkriptionsfaktoren, die diesen Prozess regulieren, wurden jedoch nicht identifiziert. Die Mechanismen, durch die Strigolacton die wichtige Pflanzenarchitektur und das Gleichgewicht von Stickstoff und Phosphor in Reis unter Bedingungen mit niedrigem Phosphorgehalt reguliert, bleiben unklar.

Diese Studie ergab, dass in der Umgebung mit niedrigem Phosphorgehalt der Reis-Phosphor-Signalkernregulator OsPHR2 direkt die Expression der NSP1-, NSP2- und Strigolacton-Synthesegene aktiviert; NSP1 und NSP2 bilden außerdem ein Heterodimer, das direkt an die Strigolactonsynthese bindet und deren Transkription aktiviert.

Strigolacton aktiviert seinen Signalweg weiter, um die Verlängerung der Bestockungsknospen zu hemmen und die seitliche Wurzeldichte zu verringern, indem es die Expression des negativen Bestockungsregulators OsTB1 fördert bzw. die CRL1-Expression hemmt. Interessanterweise fanden sie heraus, dass Strigolactone die Stickstoffaufnahme und den Stickstofftransport hemmen, indem sie die Expression von Stickstofftransportergenen wie OsNRT2.1, OsNRT1.1B und OsNAR2.1 regulieren, und die Phosphoraufnahme fördern, indem sie die Expression der Phosphortransportergene OsPTs aktivieren.

Diese Ergebnisse veranschaulichen einen neuen Mechanismus, der dem Gleichgewicht von Stickstoff und Phosphor in Reis zugrunde liegt.

Darüber hinaus fanden die Forscher heraus, dass die Überexpression von NSP1 und NSP2 mit konstitutiven Promotoren zwar zu einer Verringerung der Bestockungszahl, der Rispenlänge und des Kornertrags führte, die Überexpression von NSP1 und NSP2 mit ihren eigenen Promotoren jedoch zu einer entsprechend erhöhten Strigolacton-Biosynthese und einer erhöhten Phosphorabsorption in einem phosphorarmen Anbau führte Umfeld. Die NSP1p:NSP1- und NSP2p:NSP2-Pflanzen zeigten unter Bedingungen mit niedrigem und mittlerem Phosphorgehalt eine erhöhte Stickstoffaufnahme, eine erhöhte Anzahl an Trieben, eine erhöhte Rispenlänge, Biomasse und einen höheren Kornertrag pro Pflanze.

Zusammenfassend enthüllten die Forscher die regulatorischen Mechanismen der Strigolacton-Biosynthese und die Rolle der Strigolacton-Signalübertragung bei der Anpassung an Umgebungen mit niedrigem Phosphorgehalt. Diese Studie stellt genetische Ressourcen und wirksame Strategien zur Verbesserung der Reisarchitektur und der Nährstoffnutzungseffizienz unter Bedingungen mit niedrigem Phosphorgehalt bereit und legt eine solide Grundlage für das molekulare Design und die Züchtung ertragreicher und hocheffizienter Nutzpflanzen.