SP2: Untersuchung der Physiologischen, Biochemischen und Molekularen Reaktionen von Mais auf Gleichzeitige Biotische und Abiotische Stressfaktoren

Wie reagiert Mais, wenn Trockenheit, Hitze, Stickstoffmangel sowie Angriffe durch Pathogene oder Insekten gleichzeitig auftreten? SP2 untersucht die physiologischen, biochemischen und molekularen Mechanismen, die den Reaktionen von Mais auf kombinierte Stressfaktoren zugrunde liegen – von der Wasseraufnahme in den Wurzeln und der stomatären Regulation bis hin zur ABA-Signalübertragung und oxidativem Stress. Dabei kommen modernste bildgebende Verfahren, maschinelles Lernen und funktionelle Genomik zum Einsatz, um die Maiszüchtung unter den Bedingungen eines sich wandelnden Klimas zu unterstützen.

Projektbeschreibung

Zentrale Forschungsfragen:
Wie integrieren Maispflanzen ihre Reaktionen auf gleichzeitige abiotische (Trockenheit, Hitze, Stickstoffmangel) und biotische (Setosphaeria turcica, Stängelbohrer) Stressfaktoren? Welche zentralen hydraulischen, biochemischen und molekularen Engpässe begrenzen die Leistungsfähigkeit unter Multistressbedingungen? Lassen sich funktionelle Variationen in Komponenten der ABA-Signalübertragung identifizieren, die zu einer erhöhten Multistresstoleranz führen? Und schließlich: Können hyperspektrale Bildgebung und maschinelles Lernen interpretierbare spektrale Signaturen aufdecken, die zugrunde liegende physiologische und biochemische Stressreaktionen widerspiegeln?

Methoden/Ansätze (Schlüsselbegriffe):
Boden-Pflanze-Hydraulik; automatisierte Wurzeldruckkammer; Röntgen-Mikro-CT; Neutronenradiographie mit D₂O-Markierung; hyperspektrale Bildgebung (400–1000 nm); Vegetationsindizes (NDVI, PRI, WBI, DWSI); Thermografie; Chlorophyllfluoreszenz; maschinelles Lernen (SVM, PLSR, ANN); Phytohormon-Profilierung (UHPLC-HESI-HRMS); ROS- und antioxidative Enzymassays (SOD, POD, CAT, APX, GPX); protoplastenbasierte funktionelle Assays von ABA-Signalvarianten; kontrollierte Umgebungsbedingungen; Feldexperimente in Deutschland und Kenia.

Two greyscale microscope images labelled A and B show cross-sections of plant stems surrounded by irregularly shaped particles, highlighting structures relevant to food security and climate-resilient agriculture.

Erwartete Ergebnisse und Relevanz:
SP2 wird ein mechanistisches Verständnis dafür liefern, wie hydraulische Limitierungen im Boden-Pflanze-System, Wurzel-Boden-Interaktionen, stomatäres Verhalten, das Gleichgewicht oxidativen Stresses sowie ABA-Signalwege unter Multistress-Szenarien koordiniert werden. Durch die Integration hochauflösender Phänotypisierung – einschließlich hyperspektraler Bildgebung in Kombination mit physiologischen und biochemischen Referenzdaten – mit molekular-funktionellen Analysen über sechs kommerzielle Hybride hinweg und in zwei kontrastierenden Umgebungen wird SP2 zentrale Merkmale und regulatorische Knotenpunkte identifizieren, die multistressbedingten Reaktionen zugrunde liegen. Modelle des maschinellen Lernens werden in der Lage sein, bedeutungsvolle Muster aus multidimensionalen spektralen Datensätzen zu extrahieren und damit stressspezifische Signaturen zu identifizieren sowie deren trait-basierte Interpretation zu unterstützen. Diese Erkenntnisse fließen direkt in die MultiStress-Modellierungsplattform (SP6) ein, liefern einen physiologischen Kontext für genomische und transkriptomische Daten (SP1, SP3) und dienen als Grundlage für die Identifikation von Zuchtzielen zur Entwicklung widerstandsfähigerer Maissorten unter Bedingungen des Klimawandels.

Forschungsteam ZP

A man with short hair and a beard, wearing a blue suit jacket over a light blue collared shirt, smiles at the camera against a plain light grey background, reflecting his expertise in maize ecophysiology and crop modelling.
Prof. Ahmed, PI

Root-Soil TUM

A woman in a hijab uses scientific equipment to examine a green plant in a laboratory, advancing MultiStress Research to support food security.
Dr. Ejaz, PI

Agronomie

A man wearing glasses and a navy blue shirt stands indoors in front of a blurred beige wall and window, reflecting on the vital role of maize in ecophysiology and its significance for food security.
Dr. Yang, CoPI

Root-soil TUM

A man wearing glasses and a blue floral shirt sits on a light-coloured chair indoors, with green plants in the background—reflecting on food security and climate-resilient agriculture.
Prof. Otieno, CoPa

JOOUST

A man with a neutral expression, wearing a light-coloured checked shirt, is shown against a plain white background—reflecting the precision often valued in ecophysiology and crop modelling research.
Dr. Bulli, CoPa

JOOUST

A man wearing spectacles and a maroon shirt sits in an office chair, facing the camera with a neutral expression—an ideal portrait for a MultiStress Research or food security expert.
Dr. Nyongesa, CoPa

JOOUST

Grey user profile icon with a generic person silhouette on a light background, ideal for MultiStress Research professionals focused on maize and food security.
PhD

Root-Soil, TUM

A man in a yellow collared shirt, involved in MultiStress Research, smiles at the camera against a plain white background.
Angura Louis

Agronomie

A man in a white lab coat and blue gloves holds a pipette in a laboratory, smiling at the camera. Scientific equipment and computer screens related to Ecophysiology are visible in the background.
Christoph Heidersberger, TA

Root-Soil TUM

Michael Schmidt, TA

Root-Soil, TUM

Gabrielle Kolle, TA

Agronomie

Christiane Münter, TA

Agronomie

Schnellnavigation → MultiStress Forschungsverbund (FOR 6101)

Machen Sie sich vertraut mit dem Zentralen Projekt, dem Koordinationsprojekt und den 6 Teilprojekten.

Mitglieder
A glasshouse showcasing climate-resilient agriculture, with tall green plants inside, two large water tanks on either side, and a partly cloudy sky above.

ZP – Zentrales Projekt

Experimente, Datenhub und Synthese der Ergebnisse

Über ZP informieren
Microscopic view of a plant root with thin, branching root hairs against a light pink background, highlighting structures crucial to ecophysiology and Multi-Stress Research.

SP1

Auswirkungen von Stress-Genotyp-Interaktionen auf die ober- und unterirdische Kohlenstoffallokation, die Nährstoffnutzungseffizienz und Prozesse in der Wurzeltiefe

Über SP1 informieren
A potted maize plant is positioned in front of a black backdrop, with a camera on a tripod set up to photograph it in a glasshouse for ecophysiology research.

SP2

Untersuchung der physiologischen, biochemischen und molekularen Reaktionen von Mais auf gleichzeitige biotische und abiotische Stressfaktoren

Über SP2 informieren
Several potted maize plants growing in a controlled environment chamber with green trays and reflective metal walls, supporting MultiStress Research and crop modelling studies.

SP3

Molekulare Anpassung an kontrastierende Stressregime

Über SP3 informieren
A close-up of a green leaf with round holes and bite marks, held by a brown clip—an example studied in MultiStress Research to advance climate-resilient agriculture, with potted plants blurred in the background.

SP4

Kombinierte Auswirkungen von Stängelbohrern und abiotischen Stressfaktoren auf kommerzielle Maishybride

Über SP4 informieren
Close-up of a maize leaf with brown streaks and discolouration, indicating signs of disease or stress—valuable insight for MultiStress Research and climate-resilient agriculture—with other maize plants and a clear sky in the background.

SP5

Kombinierte Effekte von Setosphaeria turcica und abiotischen Stressfaktoren auf Maisgenotypen

Über SP5 informieren
A dirt path runs between tall rows of green maize plants under a clear blue sky, highlighting the role of crop modelling in advancing food security.

SP6

Integration der Genetik in Pflanzenwachstumsmodelle zum Verständnis der Genotyp-Reaktion auf kombinierte (abiotische + biotische) Stressfaktoren und Modellsynthese

Über SP6 informieren
People sit around tables in a library or meeting room, attending a hybrid meeting with several participants visible on a large screen via video call, discussing topics like climate-resilient agriculture and food security.

COP – Koordinationsprojekt

Strategie, Dissemination und Kapazitätsaufbau

Über COP informieren
  • AGRA logo with a green and yellow circular design and the text "AGRA Sustainably Growing Africa's Food Systems" on a white background, highlighting its commitment to climate-resilient agriculture.
  • CIMMYT logo featuring green icons of maize and wheat, with text reading "International Maize and Wheat Improvement Centre," highlighting advances in Maize Ecophysiology and Multi-Stress Research.
  • Logo of Eberhard Karls Universität Tübingen with the university name in red text and a stylised red tree on the right, symbolising its commitment to MultiStress Research and Climate-Resilient Agriculture.
  • Logo of Georg-August-Universität Göttingen featuring stylised blue letters "GA" and the motto "In publica commoda seit 1737," reflecting its commitment to advancing research in climate-resilient agriculture and food security.
  • IPK Leibniz Institute logo featuring a stylised green plant on a green square background with "IPK" and "LEIBNIZ-INSTITUT" in bold green text, reflecting its focus on ecophysiology and climate-resilient agriculture.
  • Blue geometric logo featuring the letters "TUM" in a bold, angular typeface on a white background, representing pioneering work in Ecophysiology and Multi-Stress Research.
  • Logo of the University of Milan featuring a classical figure holding a staff inside a circular seal, with the university name in Italian to the right—symbolising its dedication to Maize Ecophysiology and MultiStress Research.
  • Universität zu Köln logo featuring a circular university seal with figures and text on the left, and the university name in blue capital letters on the right—reflecting excellence in fields like Climate-Resilient Agriculture and Multi-Stress Research.
  • Logo of Universität Hohenheim featuring a line drawing of a domed building with "1818" below, next to the university name in blue capital letters—a symbol of leading research in Crop Modelling and climate-resilient agriculture.
  • A shield-shaped crest divided into four sections with symbols representing climate-resilient agriculture, flanked by green branches, and a yellow banner below displaying the words "Oasis of Knowledge".
  • Logo of Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, with purple blocks containing the letters "C", "A", and "U" above the university's full name in black text on a grey background.