Kartläggning av växters stressrespons
- Diarienummer
- SB16-0089
- Start- och slutdatum
- 170801-230731
- Beviljat belopp
- 34 972 476 kr
- Förvaltande organisation
- Umeå University
- Forskningsområde
- Livsvetenskaperna
Summary
Stora arealer grödor och skog förloras varje år på grund av ogynnsamma väderförhållanden och med pågående klimatförändringar kommer förlusterna att öka ytterligare i framtiden. För att upprätthålla skördarna under ogynnsamma förhållanden behöver vi en bättre förståelse för mekanismerna bakom växters stresstolerans. Vår hypotes är att stressresponsen styrs och medieras av ett centralt regulatoriskt nav, multiproteinkomplexet Mediator, som integrerar olika stressignaler för att styra de förändringar i genuttryck som krävs för acklimatisering till stress. För att förstå de reglerande mekanismerna för Mediatorkomplexet samt funktionellt definiera stress på alla växtens organisationsnivåer kommer vi att konstruera en holistisk modell av växters stressreaktioner genom att kombinera nätverksalgoritmer och dolda Markov-modeller. Genom att integrera insamlade data från stressignal, mottagarsubenhet, aktiverade transkriptionsfaktorer, förändringar i 3D kromatinstrukturen, histon och DNA-metylering, förändringar i genuttryck och den resulterande stressfenotypen kan vi identifiera de molekylära mekanismer som ger upphov till 1) specifik stressrespons och 2) egenskapen "korstolerans" där en viss stressexponering inducerar resistens mot ett brett spektrum av stresstyper. Vår modell kommer att identifiera nyckelkomponenter med potential att förbättra grödor och träds produktivitet och deras funktionella betydelse kommer att experimentellt utvärderas i samarbete med SweTree Technologies AB.
Populärvetenskaplig beskrivning
Växter är grunden för världens matproduktion. En ökande befolkning och klimatförändringar kräver nya grödor som ger ökad avkastning också i påfrestande miljöer. Extrema temperaturer och begränsad vattentillgång är exempel på stress som minskar avkastningen i det globala jord- och skogsbruket. Vi saknar kunskap om vilka mekanismer som styr organismers svar på stress, men i huvudsak handlar det om förändrat genuttryck, så kallad transkription. Stressignaler registreras av receptorer på cellytan eller i organeller och signalerna överförs till cellkärnan. För att producera de proteiner som krävs för anpassning måste informationen i cellkärnans DNA skrivas om till RNA-kopior som översätts till proteiner. Genavläsningen styrs av reglerproteiner som binder nära den gen de ska reglera och effekterna förmedlas vidare av den så kallade Mediatorn, ett evolutionärt bevarat proteinkomplex som styr uttrycket av alla gener i eukaryota celler. Projektet fokuserar på Mediatorns roll i växters stressanpassning. Vår hypotes är att stressreaktioner på ett komplext och samverkande sätt leder till effekter i cellkärnan. De kan bestå av förändringar i DNA-molekylens 3D-struktur, i de proteiner som styr DNA-molekylens tillgänglighet, eller i de proteiner som styr avläsningen av enskilda gener, alla med stimulerande eller hämmande effekt på genavläsningen. Förändringarna måste koordineras så att mängderna av alla proteiner anpassas till miljön. Mediatorn utgör en knutpunkt som är involverad i alla tre regleringssteg, koordinerar signalerna och styr hur mycket av olika proteiner som bildas, så att celler kan anpassa sig till en föränderlig miljö. För att förstå hur det komplexa signalmönstret koordineras av Mediatorn för rätt effekt kommer vi med olika metoder att studera de inkommande signalernas effekt och effekterna av förändringar i Mediatorns sammansättning. Studierna kommer att omfatta olika typer av stress för normala celler och celler som saknar enskilda mediatorsubenheter. Eftersom metoderna genererar stora datamängder kommer vi att använda matematiska modeller och nätverksanalys för att identifiera de centrala processerna och proteinerna. Detta systembiologiska angreppssätt är nödvändigt för att kunna identifiera grundläggande mekanismer för hur celler anpassar sig. Resultaten ska användas för att på ett förutsägbart sätt producera växter som ger ökad avkastning också under extrema levnadsförhållanden.