PLANT BREEDING RESEARCH

RECONSTRUCT

Aufdecken des Beitrags der Bodenbiodiversität zu Wachstum und Fitness der Nutzpflanze Mais durch die Kombination von "omics"-basierter prädiktiver (in silico) Modellierung und Rekonstruktionsbiologie

Koordinator: Prof. Dr. Marcel Bucher – Universität zu Köln

Projektbeschreibung

Der Ertrag der wichtigen Kulturpflanze Mais (Zea mays L.) wird durch die Interaktion mit einer erstaunlichen Vielzahl an Mikroorganismen entscheidend beeinflusst. Es zeigt sich eine direkter Zusammenhang zwischen Bodenart und Wurzelexudaten und der Zusammensetzung und dem Artenreichtum des Bodenmikrobioms. RECONSTRUCT ist ein interdisziplinäres Projekt das eine wissensbasierte Züchtung von neuen Maissorten anstrebt. Hierbei steht die Befähigung der Maispflanze zur Interaktion mit nutzbringenden Mikroben im Focus, welche eine erhöhte Fitness und einen erhöhten Ertrag auf landwirtschfatlichen Böden, mit einem minimalen externen Düngereintrag zur Folge hat.

In Phase I des Projektes ist das vorrangige Ziel die Erzeugung empirischer „omics“-Daten, um den Einfluss der Bodenfertilität und der mikrobiellen Konsortien auf die Produktivität der Maispflanze zu untersuchen. Die interdisziplinäre Arbeitsgemeinschaft wird den Einfluss langjähriger ökologischer und konventioneller Bodenbearbeitung auf die Bodeneigenschaften, mikrobiellen Gemeinschaften und den Einfluss auf das Wachstum von genetisch diversen Maislinien untersuchen. Die Projektpartner werden (1) Nährstoff-, Metabolit- und Wasser-Flüsse an der Boden-Pflanze-Grenzfläche, (2) die Biodiversität des Mikrobioms von Boden, Rhizosphäre und Wurzel, und (3) die Produktivität der Maispflanze analysieren.

In Phase II des Projektes soll ein ganzheitliches Constraint-basiertes genomweites Modell entwickelt werden, bestehend aus (i) umfassenden Stoffwechsel-Modellen von Wurzel und Blatt der Maispflanze, (ii) einem Stoffwechsel-Modell der mikrobiellen Gemeinschaft, erstellt anhand der heterogenen Daten aus Phase I, und (iii) einem Modell der Interaktionen dieser Modelle mit dem Erdboden.  Die Erstellung von synthetischen Böden und rekonstruierten Mikrobengemeinschaften wird es erlauben die Feldsituation zu rekonstruieren und die iterativen Modelle anzuwenden.  Dies wird zeigen wie quantitative Pflanzenmerkmale, Wirt-Mikroflora-Interaktionen, genetische und metabolische Netzwerke, Ressourcenverteilung und die physikalisch-chemische Eigenschaften des Erdbodens in einer einheitlichen Theorie vereint werden können.

Ein Hauptergebnis von RECONSTRUCT wird ein umfassendes mechanistisches Verständnis des Boden- Rhizosphäre-Mais-Systems in Interaktion mit seiner Microflora sein. Dies wird wird die Voraussetzungen dafür schaffen sich das Wurzelmikrobiom zur positiven Beeinflussung des Maiswachstums zunutze zu machen. Der Aufbau und die Nutzung einer großen mikrobiellen Kultursammlung wird es möchlich machen synthetische mikrobielle Konsortien zu entwickeln und zu charakterisieren. Diese Konsortien bergen das außerordentliche Potential zur biotechnologischen Nutzung.  Insbesondere die Züchtung von Maissorten im Hinblick auf ihre Befähigung mit nutzbringenden Bakterien zu interagieren ist von großem Interesse. Diese Interaktion wird eine Steigerung der Gesundheit und Fitness der Pflanze zur Folge haben und vor allem die Anspruchslosigkeit der Pflanze im Bezug auf externe Düngereinträge erhöhen.

Projektbeschreibung (en)

The key crop model maize (Zea mays L.) thrives by interacting with an astounding number of microbes that affect maize growth and health. Soil type and root exudates regulate soil microbial community composition and diversity. The RECONSTRUCT project is an interdisciplinary effort that aims at the knowledge-based breeding of maize lines that can interact with functionally robust beneficial microbial assemblages (microbiomes), leading to high fitness and yield on agricultural soils with minimal external inputs.

In phase I of the project, the primary objective is the generation of empirical omics data to address the impact of soil fertility including microbial consortia on maize productivity. The interdisciplinary consortium will study the influence of long-term organic and conventional soil management on soil properties, microbial communities, how they affect growth of four genetically diverse maize lines and whether resource distribution in maize reflects microbiota diversity. The project partners will learn about (1) nutrient, metabolite and water fluxes at the soil-plant interface, (2) soil, rhizosphere and root microbial biodiversity, and (3) maize productivity.

In phase II, an integrated constraint-based genome-scale model will be developed, comprising: (i) large-scale metabolic models of maize root and leaf, (ii) a metabolic model of the microbial community, reconstructed from the heterogeneous data from phase I, and (iii) a model for interaction of these models with soil. The generation of synthetic soils and engineered microbial communities will allow reconstruction of the field situation and application of the iterative models. It will be shown how quantitative plant traits including host-microflora interactions, genetic and metabolic networks, resource distribution, and soil physicochemical properties can be merged into a common scaling theory.

 A major result of RECONSTRUCT will be a thorough mechanistic understanding of the soil-rhizosphere-maize system in interaction with its microbiota which will facilitate utilization of the root microbiome in support of maize growth regulation. Modeling and exploitation of large microbial culture collections will enable design and characterization of synthetic microbial consortia with sophisticated metabolic capabilities for biotechnology development and breeding of maize varieties adept in interacting with microbes that enhance maize functions and contribute to host health and fitness and frugality in use of external inputs.

Eckdaten

PLANT BREEDING RESEARCH

RECONSTRUCT

Projektlaufzeit

01.09.2016 - 31.08.2019

Förderkennzeichen

031B0200 (A-E)

Fördersumme

Öffentlich: 2.571.253,00 €
Privat: 0,00 €
Gesamt: 2.571.253,00 €
Herr Prof Mar­cel Bucher
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Universität zu Köln
Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät

Zülpicherstraße 47b
50674 Köln
Deutschland
Herr Prof. Dr. Alisdair R. Fernie
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Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie

Am Mühlenberg 1
14476 Potsdam
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Herr Prof. Dr. Uwe Sonnewald
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Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Staudtstraße 5
91058 Erlangen
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Herr Prof. Dr. Paul Schulze-Lefert
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Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung

Carl-von-Linné-Weg 10
50829 Köln
Deutschland
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Herr Prof. Dr. Björn Usadel
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Forschungszentrum Jülich GmbH
Institut für Bio- und Geowissenschaften
Pflanzenwissenschaften (IBG-2)

Wilhelm-Johnen-Straße
52428 Jülich
Deutschland
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