Abstract English

Increasing global temperatures as well as an ever growing human population pose a serious problem for future food security and thus human wellbeing Prolonged periods of heat and drought lead to a general reduction of plant growth, productivity and subsequently also to reduced crop yields. Therefore, future crop plants need to be more robust and tolerate longer periods of drought without causing reduced yields.
In general, unfortunately, molecular mechanisms that promote growth and yield rates are antagonistic to those facilitating the adjustment to environmental stress conditions. The most important crop plant for human as well as animal protein nutrition are leguminous plants or rather their pulses. Thus, the United Nations declared 2016 to be the year of pulses. Legumes have the ability to interact symbiotically with specific soil microbes. This is of great advantage in soils with limited availability of nutrients important for plant growth, such as phosphorus and nitrogen. The symbiotic interaction of microbes such as rhizobacteria and mycorrhiza fungi can improve the uptake/availability of these nutrients.
Recently, it has been shown that these symbiotic interactions also lead to an improved plant tolerance to abiotic stressors like drought. In particular, plants in symbiosis with rhizobia showed evidence of an induced effect that is also known as staygreen. This effect reveals reduced degradation of chlorophyll during drought. It is however described as a genotypic trait and not understood as a phenotypic variation that can also be induced by microsymbionts.
The aim of this project was, to confirm and describe in detail the symbiont induced staygreen effect (SISG) and find key regulatory mechanisms, involved in this phenomenon. The model legume Medicago truncatula and two different Rhizobium strains, varying in nitrogen fixation efficiency, were used to gain new knowledge of the role of nitrogen on this effect. The influence of the staygreen effect on the recovery of the plants from drought stress was also investigated.

Abstract Deutsch

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 Untersuchungen wurden bislang auf Transkriptionsebene durchgeführt. Neben Transkriptom-analysen ermöglichen neuere Technologien wie die der Massenspektrometrie, umfangreiche Metabolom- und Proteom-studien. Bisherige Untersuchungen konzentrierten sich auf unterschiedliche Formen des abiotischen Stresses wie Temperatur, Trockenheit oder Salz mittels verschiedenster Pflanzen und Technologien. Alle diese Daten haben das Verständnis zur Komplexität der pflanzlichen Antwort, abhängig von Intensität und Dauer der Störung des physiologischen Gleichgewichts, verbessert. Trotzdem ist 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 Anzucht-bedingungen nötig sein, um ein besseres Verständnis der komplexen Reaktionen des pflanzlichen Systems zu erhalten.

Leguminosen (Hülsenfrüchte) liefern die Hauptquelle pflanzlichen Proteins zur Ernährung von Mensch und Tier. Sie sind wegen ihrer Fähigkeit zur atmosphärischen Stickstofffixierung über die Symbiose mit Erdrhizobien wichtig für eine nachhaltige Landwirtschaft. Diese Bakterien kolonisieren die Wurzeln der Leguminosen über die Bildung spezialisierter Organe, die Knöllchen. Ein vermuteter wechselseitiger regulatorischer Mechanismus zwischen Pflanze und Bakteroid zur erhöhten Stresstoleranz ist bis heute unklar. Stress verursachte, unvorhersehbare Schwankungen von Ertrag und damit Gewinn sind die Haupthemmnisse für eine nachhaltige Leguminosenproduktion in Europa. Im beantragten Projekt sollen vergleichende systembiologische Technologien eingesetzt werden. Ziel ist es ein  verbessertes Verständnis der Reaktionen von Leguminosen auf Hauptstressfaktoren, als Grundvoraussetzung forschungs-basierter Züchtung für eine nachhaltige und erhöhte Profitabilität, zu erlangen. Dabei sollen neue Metabolom- und Proteom- Schlüsselmechanismen über bioinformatorische Auswertungsverfahren als regulatorische Marker für eine verbesserte Stresstoleranz identifiziert werden.