Multilevel analysis towards drought tolerance in Legumes

Leguminosen: Multilevelanalyse hin zur Trockenstresstoleranz

Stefanie WIENKOOP

Christiana Staudinger, Vlora Mehmeti

FWF Einzelprojekt P23441-B20

Abstract (english)

One of the most crucial functions of plant cells is their ability to respond to alterations in their environment. Understanding the connections between initial responses and the downstream events that constitute successful adjustment to its fluctuating environment is one of the challenges of plant biology research. Investigations on transcript level are the most common studies so far. Besides transcript analyses, new technologies based on mass spectrometry allow for the comprehensive study on metabolite and protein level. Past studies have focussed on different stresses such as temperature, drought or salt using various plants and technologies. All these data have improved the understanding on the complexity of the plant response depending on the intensity and duration of homeostatic perturbation. However, due to the diversity of the research data and experimental conditions a comparison and integration is difficult or even impossible. Thus to gain better insights and to be able to visualise the complexity of the plant respond, integrative analyses combining different technologies and standardised cultivation conditions are becoming necessary. Legumes are major sources of vegetable protein and indispensable for sustainable agriculture due to their ability to fix atmospheric nitrogen via their symbiosis with soil rhizobia. These bacteria colonize legume roots in specialized organs called nodules. However, a full understanding of the interactive regulatory mechanisms between plant and bacteroids towards increased stress tolerance is not accomplished so far. To contribute to a deeper understanding of responses of legumes to major constraints, the proposed project aims at employing comparative systems biology. Supported by bioinformatic modelling strategies, novel metabolic and proteomic key mechanisms that may serve as regulatory targets for improving stress-tolerance in legumes will be identify.

Abstract (german)

Eine der wichtigsten Funktionen der Pflanzenzellen ist die Fähigkeit auf Änderungen ihrer Umwelt zu reagieren. Das verständnis von Zusammenhängen zwischen Initialantworten und den nachfolgenden Reaktionen, die eine erfolgreiche Anpassung an Umweltschwankungen erzeugen, ist eine der Herausforderungen der Pflanzenphysiologieforschung. Die häufigsten Untersuchen wurden bislang auf Transkriptionsebene durchgeführt. Neben Transkriptomanalysen ermöglichen neuere Technologien wie die der Massenspektrometrie, umfangreiche metabolom und proteome Studien. Bisherige Untersuchungen konzentrierten sich auf unterschiedliche Arten des abiotischen Stresses wie Temperatur, Trockenheit oder Salz mittels verschiedenster Pflanzen und Technologien. Alle diese Daten haben das Verständnis zur Komplexizität der pflanzlichen Antwort, abhängig von Intensität und Dauer der Störung des physiologischen Gleichgewichts, verbessert. Trotzdem sind ein Vergleich und eine Verbindung wegen der Diversität der Daten sowie der experimentellen Bedingungen schwierig oder sogar unmöglich. Daher werden in Zukunft die Kombination verschiedener Technologien und die Vereinheitlichung von Anzuchtsbedingungen nötig sein, um ein besseres Verständnis der komplexen Reaktionen des pflanzlichen Systems zu erhalten. Leguminosen liefern die Hauptquelle pflanzlichen Proteins und sind wegen ihrer Fähigkeit zur Stickstofffixierung über die Symbiose mit Erdrhizobien wichtig für nachhaltige Landwirtschaft. Diese Bakterien kolonisieren die Wurzeln der Leguminosen über die Bildung spezialisierte Organe, den Knöllchen. Der wechselseitige regulatorische Mechanismus zwischen Pflanze und Bakteroid zur erhöhten Stresstoleranz ist bis heute unklar. Stress verursachte, unvorhersehbare Schwankungen von Ertrag und Gewinn sind die Haupthemmnisse für eine nachhaltige Leguminosen-produktion in Europa. Im beantragten Projekt sollen vergleichende Systembiologische technologien eingesetzt werden um zu einem verbesserten Verständnis der Reaktionen von Leguminosen auf Hauptstressfaktoren als Grundvoraussetzung zur wissensbasierten Züchtung für nachhaltige und erhöhte Profitabilität zu gelangen. Dabei sollen neue metabolomische und proteomische Schlüsselmechanismen über bioinformatorische Auswertungsverfahren als regulatorische Marker für eine verbesserte Stresstoleranz identifiziert werden.

MERIT

Wolfram WECKWERTH

MERIT positions:

PhD5 - A mass western approach for the bZIP - SnRK1 signaling network
PostDoc2 - Metabolic reprogramming in response to stress - analysis and regulation

Metabolic Reprogramming by Induction of Transcription

A research network of ten laboratories devoted to understanding how plants regulate stress responses. Focusing on molecular mechanisms and plant performance. The multi-disciplinary network has research activities ranging from whole plant level to the investigation of DNA binding of transcription factors as well as kinase signaling. We are using state of the art Metabolomics, transcriptomics and proteomics to build an integrative model on low energy stress in Arabidopsis. We are seeking highly motivated PhD students and PostDocs. Join our team and take part of the highly integrated activities. All MERIT fellows will spend several months as guest in different laboratories of the network to acquire specific skills. After your time as a MERIT fellow you will have experienced a wide range of technological fields in biotechnology. Your time as a MERIT fellow will therefore be an excellent step for a future career in biotechnology, in the academia as well as in industry.

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