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Charakterisierung des Proteoms unter Stickstoff- und Wassermangelstress als Grundlage für die züchterische Entwicklung stockstoffeffizienter und trockentoleranter Stärkekartoffeln

Projekt

Klimawandel

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Klimawandel


Förderkennzeichen: JKI-RS-08-3366
Laufzeit: 01.10.2012 - 31.05.2016
Forschungszweck: Angewandte Forschung

Die Intensivierung des Anbaus nachwachsender Rohstoffe birgt die Gefahr einer erhöhten ökologischen Belastung durch Stickstoffaustrag und klimarelevante Gasemissionen. Klimawandelszenarien prognostizieren für Mitteleuropa ausgeprägte Trockenperioden während des Frühjahrs und Frühsommers, den Phasen der stärksten Stickstoffaufnahme bei Kartoffeln. Gegenstand des Forschungsvorhabens ist die Charakterisierung von Stärkekartoffelgenotypen in Hinblick auf ihre Stickstoffaufnahme- und Verwertungseffizienz unter Trockenstress mit besonderer Berücksichtigung der Veränderung des Proteoms. In diesem Teilprojekt sollen Genotypen in Containerversuchen hinsichtlich ihrer Reaktion auf Trocken- und Stickstoffmangelstress charakterisiert werden. Zudem werden Veränderungen des Proteoms bei N-Mangelstress unter In-vitro-Kulturbedingungen untersucht. Ziel ist die Identifizierung von Proteinen, die unter Stressbedingungen spezifisch in toleranten Genotypen auftreten. Ausgewählte Genotypen werden im rain-out-shelter unter Stressbedingungen kultiviert, wobei fortlaufend morphologische und biochemische Parameter erfasst und mit Toleranzeigenschaften korreliert werden. In einem In-Vitro-System werden an divergent reagierenden Genotypen Veränderungen des Proteoms in Reaktion auf Nährstoffmangelstress untersucht. Differentiell abundante Proteine sollen mittels Massenspektrometrie identifiziert werden. Angestrebt wird eine kombinierte Analyse von N-Effizienz- und Trockenstresstoleranzeigenschaften. Die Intensivierung des Anbaus nachwachsender Rohstoffe birgt die Gefahr einer erhöhten ökologischen Belastung durch Stickstoffaustrag und klimarelevante Gasemissionen. Klimawandelszenarien prognostizieren für Mitteleuropa ausgeprägte Trockenperioden während des Frühjahrs und Frühsommers, den Phasen der stärksten Stickstoffaufnahme bei Kartoffeln. Gegenstand des Forschungsvorhabens ist daher die Charakterisierung von Stärkekartoffelgenotypen in Hinblick auf ihre Stickstoffaufnahme- und Verwertungseffizienz unter Trockenstress mit besonderer Berücksichtigung der Veränderung des Proteoms. Im Teilprojekt des JKI wurden umfangreiche Versuche zur Phänotypisierung von 17 ausgewählten Kartoffelgenotypen in Hinblick auf Stickstoffmangel- und Trockenstressreaktionen in 5-l-Töpfen im Rain-out-Shelter zweijährig durchgeführt. Dabei wurden morphologische Eigenschaften, Ertragsmerkmale sowie physiologische und biochemische Parameter für die Toleranzbewertung erfasst. Differentielle Reaktionen auf die Stressapplikation wurden für die Ertragskomponenten und für zahlreiche biochemische und physiologische Parameter ermittelt. In einem weiteren Untersuchungssystem wurden dieselben Genotypen unter In-vitro-Kulturbedingungen hinsichtlich ihrer Reaktion auf N-Mangelstress charakterisiert und bei spezifischen toleranzrelevanten Merkmalen, wie der Wurzelentwicklung und Schnelligkeit der Stickstoffaufnahme, eine aufgeprägte Differenzierung zwischen den Sorten nachgewiesen. Es wurden Sorten identifiziert, die in beiden Versuchssystemen gleichermaßen tolerant beziehungsweise sensitiv auf den applizierten Stress reagierten. Zur Validierung von Toleranzeigenschaften wurden die vorselektierten Genotypen in 540-l-Großcontainern im Rain-out-Shelter unter Kontroll- und Stressbedingungen kultiviert und die Einschätzung der Sensitivität der Sorten anhand der Ertragsdaten bestätigt. Untersuchungen des Sprossproteoms wurden an zwei Genotypen durchgeführt, die unter In-vitro-Kulturbedingungen unterschiedlich auf N-Mangelstress reagieren. Proteine wurden nach 11 Tagen Kultur auf Medien mit 60 sowie 7,5 mMol/l Stickstoff kultivierten Sprossen isoliert und mittels 2D IEF/SDS PAGE aufgetrennt. Die Muster des Sprossproteoms wurden durch Stickstoffmangelbedingungen signifikant verändert und es konnten gleichfalls Genotyp abhängige Unterschiede nachgewiesen werden. Von 59 beim sensitiven Genotyp deutlich differentiell exprimierten Proteinen und 47 beim toleranten konnten 93 % mittels MALDI TOF/TOF Massenspektrometrie und Datenbankabgleich identifiziert und metabolischen Funktionen zugeordnet werden. Das Projekt leistet einen Beitrag zur Verbesserung der Anpassung unserer Kulturpflanzen an den Klimawandel.

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