Steigender Meeresspiegel, Dürre und übermäßige Grundwasserentnahme tragen zur Versalzung der Böden bei. Salzstress behindert das Pflanzenwachstum, verringert die Nährstoffaufnahme und führt zu erheblichen verringert die Ernteerträge. Ein neues Pflanzenmodell wird Forschern dabei helfen, Gene zur Verbesserung der Toleranz zu identifizieren, um salztolerantere Pflanzen zu entwickeln.

Ein Bild von Ondrasek et al., das fünf Maispflanzen unterschiedlicher Höhe zeigt. Die Pflanze links ohne Salzbelastung ist groß, während die Pflanzen links mit zunehmender Salzbelastung kleiner werden.
Mais, der links ohne Salzbelastung angebaut wird, bis hin zu zunehmend höherer Salzbelastung rechts (von Ondrasek et al. 2022).

Die Reaktion einer Pflanze auf Stress wird durch die Aktivierung von Genen gesteuert, die RNA-Kopien, sogenannte Transkripte, produzieren. Diese Transkripte enthalten die Anweisungen zur Proteinbildung. Proteine, insbesondere Enzyme, katalysieren biochemische Reaktionen zur Bildung von Metaboliten. Die entstehenden Proteine ​​und Metaboliten schützen die Pflanze vor Salzstress.

Eine Abbildung mit dem Titel „Identifizierung entscheidender Gene für die Salzstressresistenz von Pflanzen“. Sie besteht aus vier Schritten. Schritt 1: Die Pflanzen wurden unter normalen Bedingungen und unter Stressbedingungen gezüchtet. Schritt 2: Die Häufigkeit und Aktivität der Biomoleküle wurden gemessen. Unter diesem Schritt befindet sich ein Flussdiagramm mit Grafiken, das von DNA über Transkripte und Proteine ​​bis hin zu Metaboliten reicht. Außerdem gibt es eine Grafik, die den Stoffwechselfluss darstellt. Die Messungen der Transkripte beziehen sich auf die Häufigkeit, die von Proteinen und Metaboliten auf Häufigkeit und Aktivität und der Stoffwechselfluss ist die Änderungsrate der Stoffwechselhäufigkeit. Schritt 3: Das AraRoot-Modell identifizierte Biomoleküle, die für die Salzstressreaktion entscheidend waren, zusammen mit den mit ihnen verbundenen Genen. Der letzte Schritt, 4, besteht darin, diese Gene gezielt einzusetzen, um die Reaktion von Nutzpflanzen auf Salzstress zu verbessern.
Übersicht über die Pipeline zur Entdeckung von Genen, die unter Salzstress aktiviert werden.

Das Verständnis der Zusammenhänge zwischen den Expressionsniveaus von Transkripten salzreaktiver Gene, der Häufigkeit und Aktivität von Metaboliten und Proteinen sowie der Rate von Metabolitenreaktionen (Fluss) und den daraus resultierenden phänotypischen Merkmalen liefert wertvolle Erkenntnisse für die Identifizierung von Genzielen zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen Versalzung.

Diese Einsicht ist nicht leicht zu gewinnen. Es gibt etwa 27,000 proteinkodierende Gene, die rund 35,000 Proteine ​​kodieren und 8,000 Metaboliten in Arabidopsis thaliana, eine weit verbreitete Modellpflanze. Die Verknüpfung dieser Gene, Transkripte, Proteine ​​und Metabolite sowie ihrer Wechselwirkungen scheint unmöglich. Dies ist jedoch mithilfe von Genom-Metabolischen Modellen (GEMs) möglich. GEMs sind eine mathematische Darstellung des Stoffwechsels eines Organismus und beziehen Daten aus Genomstudien ein. Diese Modelle können vorhersagen, wie sich genetische oder umweltbedingte Veränderungen auf den Stoffwechsel eines Organismus auswirken.

Lohani Esterhuizen, Doktorandin an der University of Nebraska-Lincoln, entwickelte das erste Modell, das Gene und Metabolite in Wurzeln verknüpft. Die AraRoot Das Modell ist in der Lage, die Biomassebildung und Stressreaktion des Arabidopsis-Wurzelsystems umfassend zu erfassen.

„Unser AraRoot-Modell ist das erste Stoffwechselmodell im Genommaßstab, das speziell für die Arabidopsis Wurzelsystem. Es stellt einen bedeutenden Fortschritt im Verständnis dar, wie Pflanzen auf Salzstress reagieren – ein wachsendes Problem, da steigende Meeresspiegel und Dürre weltweit über eine Milliarde Hektar Ackerland bedrohen. Bisherige Forschungen zur Salztoleranz stützten sich hauptsächlich auf Ansätze wie genomweite Assoziationsstudien. Ein umfassendes Modell des Wurzelstoffwechsels wurde jedoch bisher nicht entwickelt, was hauptsächlich auf die inhärente Komplexität von Wurzelgeweben – wie Rinde und Endodermis – zurückzuführen ist, die in Funktion und Struktur stark variieren“, erklärt Lohani.

Genomweite Assoziationsstudien (GWAS) untersuchen Zusammenhänge zwischen dem Vorhandensein genetischer Varianten und spezifischen Merkmalen und identifizieren Assoziationen, ohne die Genfunktion direkt zu bewerten. GWAS stützt sich auf genetische Varianten, einschließlich Mutationen, Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs) und andere genetische Unterschiede, um Assoziationen mit Merkmalen zu identifizieren. Im Gegensatz dazu konzentrieren sich genomweite Stoffwechselmodelle auf die Genaktivierung und die dabei auftretenden biochemischen Reaktionen und liefern Erkenntnisse darüber, wie diese Reaktionen zu Phänotypen beitragen. Durch den Vergleich von Pflanzen mit gleichem genetischen Hintergrund unter verschiedenen Behandlungen, beispielsweise normalen Wachstumsbedingungen und stressinduzierten Wachstumsbedingungen, können Forscher relevante Gene identifizieren.

Für die Erstellung des AraRoot-Modells mussten 2,682 Stoffwechselreaktionen und 1,310 Gene kartiert werden. Dies wurde durch den Mangel an wurzelspezifischen Daten erschwert. Um dieses Problem zu lösen, integrierten wir kuratierte Informationen aus Datenbanken wie FASS und TAIR in AraRoot und verwendete Rechenwerkzeuge wie COBRApy und metabolische Engpassanalyse (MBA).“

Die Verwendung von MBA Mithilfe dieser Ergebnisse konnten die Autoren 158 Gene identifizieren, die für zentrale Stoffwechselwege unter Salzstress entscheidend sind. Diese Informationen können Forschern helfen, ihre Bemühungen auf Gene zu konzentrieren, die am wahrscheinlichsten zu einer Verbesserung der Toleranz gegenüber salzreichen Umgebungen führen.

Die Entwicklung von AraRoot zum Verständnis der Auswirkungen von Salzstress auf Arabidopsis ist nur der erste Schritt. Lohani: „Diese Erkenntnisse bilden eine wichtige Grundlage für die Entwicklung salztoleranter Nutzpflanzen wie Reis oder Weizen – ein wesentlicher Schritt zur Sicherung der Nahrungsmittelproduktion in salzhaltigen Umgebungen. Unser Modell kann auch für die Untersuchung anderer Stressfaktoren wie Dürre angepasst werden und eröffnet Studierenden die Möglichkeit, zu erforschen, wie die Bioinformatik reale Herausforderungen bewältigen kann.“

DER ARTIKEL::

Lohani Esterhuizen, Nicholas Ampimah, Marna D Yandeau-Nelson, Basil J Nikolau, Erin E Sparks, Rajib Saha, AraRoot – Ein umfassendes metabolisches Genommodell für das Wurzelsystem von Arabidopsis, in silico Plants, 2025;, diaf003, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diaf003

AraRoot ist kostenlos verfügbar auf der SSBio GitHub-Seite.

Cover: Bild aus dem Artikel Studie zeigt: Der Anstieg des Meeresspiegels verschlingt Farmen in Maryland, Delaware und Virginia Veröffentlicht in Maryland Today. Es zeigt verkümmerten Mais, der auf einem durch Salzwassereinbruch beschädigten Feldabschnitt nur schwer wächst. Forscher und Kollegen der University of Maryland (UMD) untersuchen das mit dem Klimawandel verbundene Phänomen in den Teilen der Delmarva-Halbinsel in Maryland, Delaware und Virginia. Lesen Sie den zugehörigen Artikel mit dem Titel Die Ausbreitung und die Kosten des Salzwassereinbruchs im Mittelatlantik der USA von Mondal und Kollegen. Foto von Becky Epanchin-Niell.