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Designing Stress-Resistant Crops by Modulating Receptor-Peptide-Dependent Pathways

English title Designing Stress-Resistant Crops by Modulating Receptor-Peptide-Dependent Pathways
Applicant Hazak Ora
Number 189892
Funding scheme COST (European Cooperation in Science and Technology)
Research institution Département de Biologie Faculté des Sciences Université de Fribourg
Institution of higher education University of Fribourg - FR
Main discipline Molecular Biology
Start/End 01.03.2020 - 29.02.2024
Approved amount 336'000.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Molecular Biology
Genetics

Keywords (5)

Peptides and Receptors; Global warming; Xylem patterning; Resistant Tomato ; Genome editing

Lay Summary (German)

Lead
Design von stressresistenten Kulturen durch Modulation rezeptor- und peptidabhängiger Wege
Lay summary

In den kommenden Jahrzehnten wird unser Planet weiterhin mit dem Klimawandel konfrontiert sein, der mit der globalen Erwärmung verbunden ist. In diesem Szenario wird die Landwirtschaft unter Ertragseinbußen leiden, und infolgedessen werden die Ernährungssicherheit und die erneuerbaren pflanzlichen Energiequellen zu einer noch größeren Herausforderung für künftige Generationen. Es wird daher von entscheidender Bedeutung sein, stressresistente Pflanzen mit modifiziertem Genom zu entwickeln.

Bemerkenswert ist, dass Pflanzen eine große Anzahl von Signalpeptiden (etwa 1000 bei Arabidopsis) produzieren, die die Entwicklung oder die Reaktion auf Stress vermitteln. Unser laufendes SNF-Projekt AMBIZIONE entdeckt die Rolle der CLE-Familie von Peptiden bei der Bildung des wasserleitenden Wurzelgewebes, Xylem genannt, und bei der Reaktion auf abiotischen Stress wie Dürre, Salz und Hitze. Wir fanden heraus, dass spezifische CLE-Peptide die Ausdehnung wasserleitender Zellen negativ regulieren und dass infolgedessen Funktionsverlustmutanten die Anzahl der Metaxylem-Zelldateien erhöhten. Bemerkenswerterweise wurde bei einigen Spezies gezeigt, dass vergrößertes Metaxylgewebe positiv mit einer besseren Anpassung an Wasserdefizitbedingungen korreliert ist. In unseren vorläufigen Experimenten konnten wir bei den dürrebedingten Funktionsverlusten von Mutanten, die mit Arabidopsis xylem in Verbindung stehen, eine etwas bessere Toleranz gegenüber Trockenheit feststellen. Darüber hinaus untersuchten wir Schlüsselmutanten und Promotoren von CLE-Genen unter Stressbedingungen und konnten Gene nachweisen, die unter Hitze-, Trockenheits- oder Salzstressbedingungen hochreguliert werden. Die Ergebnisse des AMBIZIONE-Projekts werden den Grundstein für dieses stärker technologieorientierte COST-Projekt legen. Wir nutzen den Vorteil unserer neuen hochmodernen Proteomik-Plattform an der Universität Freiburg, um Veränderungen im Peptidom bei abiotischem Stress wie hohen Temperaturen und Trockenheit in grossem Massstab nachzuweisen. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden die biologische Rolle von Peptiden und ihren Rezeptoren bei der Stressadaptation beleuchten und zu einem oder mehreren Patenten für das Design stressresistenter Kulturen führen.

Direct link to Lay Summary Last update: 03.02.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
179745 CLE peptides-unraveling the functions in root growth and adaptations 01.03.2019 Ambizione

Abstract

In the coming decades our planet will continue facing the climate change associated with global warming. With this scenario, the agriculture will suffer from the reduced yields and as a result, the food security and the plant-based renewable energy sources will become even a greater challenge for the next generations. Therefore, developing genome edited stress-resistant crop plants will be essential. The aim of the COST ACTION “CA18111 - Genome editing in plants - a technology with transformative potential” is to bring together the experts from different fields of biology, politics, agronomy to make a progress in designing, generating and testing the genome edited plants. My research group will significantly contribute to this international multi-disciplinary effort by identifying new small signaling peptides-dependent pathways mediating specific physiological adaptation to abiotic stress and by generation of stress-tolerant crop plants. Remarkably, plants produce a large number of small signaling peptides, there are more than 1000 peptides encoded in Arabidopsis. It has been shown, that in addition to the role of small peptides in developmental processes, under stress conditions like infection or wounding plants rapidly produce signaling peptides that mediate stress response. Our on-going SNSF AMBIZIONE project uncovers the role of CLE family of peptides in formation of the root water-conducting tissue called xylem and in responses to abiotic stresses like drought, salt, heat. We found that specific CLE peptides negatively regulate the expansion of the water conducting cells and as a result, the loss-of function mutants have increased number of metaxylem cell files. Remarkably, it has been shown in some species, that the enlarged metaxylem tissues positively correlate with better adaptation to the water deficit conditions. In our preliminary experiments we could detect slightly better tolerance to drought in single Arabidopsis xylem-related cle loss-of-function mutants. In addition, we screen the cle mutants and promoters of CLE genes under stress conditions and we could detect the genes that are upregulated under heat, drought or salt stress conditions. Our results from the AMBIZIONE project will lay a foundation for this more technology-oriented COST project. We already use a powerful genetic approach and we now establish a new high-throughput proteomics approach to find the key peptides mediating stress responses in Arabidopsis. We use the advantage of our new state-of-the-art proteomics platform at the University of Fribourg to detect at the large scale the changes in the Peptidome upon abiotic stresses like high temperature and drought. This high-throughput approach will be initially performed with the model plant Arabidopsis and the COST-funded postdoc in my group will test the biological relevance of the identified peptides and will design the drought tolerant or heat resistant Tomato plants. Our strategy will be 1] to knockout the peptides that restrict xylem expansion (from our on-going project) using CRISPR-Cas9; 2] to design the mutations in the peptide receptor that would result in higher affinity to the relevant peptide that mediate drought/heat stress response.The outcomes of this work will shed light on the biological role of the peptides and their receptors during stress adaptation as well as will result in the patent(s) of designing stress-resistant crops.
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