Unser Beitrag für Kliwiresse

Wir haben den Jasmonat-Hormonweg seit vielen Jahren untersucht und bei verschiedenen Arten nachgewiesen, dass er für die Toleranz gegenüber verschiedenen Stressfaktoren wie mikrobiellen Angriffen oder extremen Umweltbedingungen eine wichtige Rolle spielt. Wir haben auch festgestellt, dass subtile enzymatische Veränderungen des Hormons das Ausmaß der induzierten Resistenz verändern können. Eine bestimmte Hormonsignatur ermöglicht es uns daher, die Signalaktivität vorherzusagen. Damit können wir auch die Adressaten dieser Signale finden, die für die Pflanze entweder günstige Bedingungen oder eine Stress-Situation bedeuten. Im Rahmen von KliwiResse wenden wir diesen Ansatz auf Weinreben an und führen eine metabolische Charakterisierung zahlreicher von den Partnern JKI und KIT zur Verfügung gestellter Sorten (Wild- und Kulturreben) durch.

Diese Sorten unterscheiden sich in ihrer Toleranz gegenüber Trockenheit und Hitze. Die Analyse erfolgt durch Flüssig- oder Gaschromatographie, gekoppelt mit Massenspektrometrie, und die Ergebnisse werden mit einer Reihe von speziellen bioinformatischen Werkzeugen ausgewertet. Dieser Ansatz wird es uns ermöglichen, einerseits Hormonprofile (insbesondere Jasmonate) zu erstellen, die mit einem bestimmten Verhalten als Reaktion auf Stress verbunden sind, und andererseits metabolische Marker zu identifizieren, die für Toleranz oder Sensibilität charakteristisch sind. Diese neuen Erkenntnisse sollten die Vorhersage der Stressresistenz in neuen Sorten erleichtern.

Unsere ersten Ergebnisse

Unser Beitrag
Wir untersuchen die Reaktion von Weinreben auf Hitzestress, wobei wir die Frage aus metabolomischer Sicht betrachten. Die Idee ist, dass einige der Eigenschaften der Hitzeanpassung oder -empfindlichkeit auf der besonderen Akkumulation natürlicher Verbindungen (Metaboliten") vor oder nach der Stressbelastung beruhen könnten. Es wird daher versucht zu identifizieren, welche Metaboliten eine hitzeempfindliche Sorte wie den kultivierten Riesling oder im Gegenteil eine hitzetolerante Sorte wie die Wilde Weinrebe Hördt 29 charakterisieren. Zu diesem Zweck werden Blattproben von Pflanzen verwendet, die im Sommer 2023 am KIT angebaut werden und aus einem Hitzestressexperiment unter kontrollierten Bedingungen mit frühen, mittleren und späten Messpunkten zwischen diesen beiden kontrastierenden Rebsorten stammen.

Wie sind wir vorgegangen?
In einem ersten Schritt extrahierten wir aus den zahlreichen Blattproben die mittelpolaren Moleküle für die metabolomische Analyse. Die Verbindungen werden zunächst durch Flüssig- oder Gaschromatographie getrennt, bevor sie durch Massenspektrometrie fragmentiert werden, was ihre relative oder absolute Quantifizierung und möglicherweise ihre Identifizierung ermöglicht. Diese Methoden ermöglichen eine gezielte oder umfassende metabolische Kartierung und liefern, wenn sie auf eine kinetische Studie angewendet werden, ein Bild der vergleichenden Entwicklung biochemischer Wege zwischen verschiedenen Pflanzensorten.

Wir haben eine erste Analyse durchgeführt, die sich auf die hormonelle Reaktion auf Hitzestress konzentrierte. Hormone regulieren in einer Pflanze das Wachstum, die Entwicklung und die Reaktion auf verschiedene Arten von Stress, insbesondere auf Umweltbelastungen. Anschließend führten wir eine hochauflösende, nicht zielgerichtete Analyse durch, die komplexe bioinformatische Verarbeitungen erfordert, um ihre potenzielle Identifizierung zu erhalten. Diese Analysen werden uns helfen, wichtige metabolische Unterschiede zwischen Riesling und Hördt 29 zu ermitteln, von denen einige mit Hitzetoleranz oder -empfindlichkeit in Verbindung stehen könnten.

Derzeit führen wir eine Analyse des zentralen Stoffwechsels durch, um die Entwicklung unter Hitzebedingungen von Molekülen zu charakterisieren, die für die verschiedenen Prozesse wie z. B. die Photosynthese und ihre Kohlenhydratproduktion, die Atmung, die Nährstoffaufnahme und die Gewebedifferenzierung von entscheidender Bedeutung sind.

Wie ist die metabolomische Reaktion auf Hitze?
Anhand des Vergleichsexperiments zwischen der Wildrebe Hördt 29, und der Rebsorte Riesling bestimmten wir das Hormonprofil verschiedener Jasmonsäurederivate sowie der Abscisinsäure und der Salicylsäure angesichts von Hitzestress. Es wurde festgestellt, dass die Häufigkeit bestimmter hormoneller Jasmonsäurederivate unter Hitzeeinwirkung reduziert war, jedoch ohne nennenswerte Unterschiede zwischen den beiden Rebsorten. Anders als bei der Kältereaktion scheint der Jasmonsäureweg bei der schnellen Anpassung an hohe Temperaturen also nicht vorherrschend zu sein. Die Werte von zwei anderen Stresshormonen, Abscisinsäure und Salicylsäure, wurden durch diesen Stress kaum beeinflusst.

In einem zweiten Schritt identifizierte die ungezielte Exploration mittels LC-MS zahlreiche Metaboliten aus verschiedenen biochemischen Klassen, die sich in den beiden Sorten unterschiedlich akkumulierten, manchmal schon vor der Exposition gegenüber Hitzestress. Beispielsweise ist Hördt 29 reicher an Tanninvorläufern, und Riesling enthält mehr Flavonoidderivate. Andere Verbindungen zeigen eine besondere Signatur zwischen den beiden Sorten als Reaktion auf den Stress. Wir arbeiten daran, die Verbindung zwischen diesen Unterschieden und ihre Bedeutung für die Hitzetoleranz zu verstehen. Die Analyse des zentralen Stoffwechsels wird unser Verständnis dieser unterschiedlichen Prozesse vervollständigen und es uns ermöglichen, die Ergebnisse der physiologischen Messungen des KIT auf molekulare Grundlagen zu stellen.

Aktuelle Veröffentlichungen mit Bezug zum Projekt

Ndecky S, Nguyen TH, Eiche E, Cognat V, Pflieger D, Pawar N, Betting F, Saha S, Champion A, Riemann M, Heitz T. (2023) Jasmonate signaling controls negative and positive effectors of salt stress tolerance in rice. J Exp Bot. doi: 10.1093/jxb/erad086.

Marquis, V., Smirnova, E., Graindorge, S., Delcros, P., Villette, C., Zumsteg, J., Heintz, D. and Heitz, T. (2022). Broad-spectrum stress tolerance conferred by suppressing jasmonate signaling attenuation in Arabidopsis JASMONIC ACID OXIDASE (JAO) mutants. The Plant Journal. 109:856-872. doi:10.1111/tpj.15598.

Marquis V, Smirnova E, Poirier L, Zumsteg J, Schweizer F, Reymond P and Heitz T. (2020) Stress- and pathway-specific impacts of impaired jasmonoyl-isoleucine (JA-Ile) catabolism on defense signalling and biotic stress resistance. Plant Cell Environ 43, 1558-1570. doi: 10.1111/pce.13753.

Heitz T., Smirnova E., Marquis V., and Poirier L. (2019) Metabolic Control within the Jasmonate Biochemical Pathway. Plant Cell Physiol. 60, 2621-2628. doi:10.1093/pcp/pcz172.

Hazman M., Sühnel M., Schäfer S., Zumsteg J., Lesot., Beltran F., Marquis V., Herrgott L., Miesch L., Riemann M. and Heitz T. (2019) Characterization of Jasmonoyl-Isoleucine (JA-Ile) Hormonal Catabolic Pathways in Rice upon Wounding and Salt Stress. Rice (N Y) 12, doi: 10.1186/s12284-019-0303-0.

Team

Thierry Heitz ist für die allgemeine Koordination des IBMP-Partners zuständig. Hugues Renault wird seine Expertise in der Stoffwechselanalyse, insbesondere in der GC-MS, einbringen. Claire Villette ist für das Instrument zur hochauflösenden Stoffwechselanalyse verantwortlich. Ludivine Malherbe wird logistische und technische Unterstützung leisten. Dennisse Beltran wird für die Vorbereitung der Metabolitextrakte, ihre LC-MS-Analyse und die Datenverarbeitung zuständig sein.