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"Love is in the air" – wie Blütenpflanzen ihre doppelte Befruchtung steuern: Aufklärung der Rolle subtilisin ähnlicher Proteinasen und ihres Inhibitors SPI2 bei der Regulation der doppelten Befruchtung

Beschreibung

Bei Blütenpflanzen läuft sexuelle Fortpflanzung erstaunlich präzise ab: Nach der Bestäubung wächst ein Pollenschlauch durch den Griffel, findet den weiblichen Gametophyten und liefert genau zwei Spermienzellen ab – eine befruchtet die Eizelle, die andere die Zentralzelle. Dieses Zusammenspiel wird „doppelte Befruchtung“ genannt und beruht auf fein abgestimmter Zell‑zu‑Zell‑Kommunikation über Peptide und ihre Rezeptoren.

Damit diese Peptide richtig funktionieren, müssen sie zunächst zugeschnitten und „aktiviert“ werden. Hier kommen Subtilisin-ähnliche Proteinasen (SBTs) ins Spiel – Enzyme, die Peptide prozessieren – sowie ihr Gegenspieler, der SBT-Inhibitor SPI2. Wird SPI2 durch Mutation zerstört, gelangen plötzlich zu viele Pollenschläuche an die Samenanlage (Polytubie) und mehrere Spermien in den weiblichen Gametophyten (Multispermie). Die normale Funktion von SPI2 ist also dies zu verhindern. Welche SBT durch SPI2 reguliert wird ist aber noch unbekannt, und das wollen wir in diesem Projekt herausfinden

Dazu arbeiten wir mit Arabidopsis‑Pflanzen, in denen mehrere SBT‑Gene durch CRISPR-Cas9 mutiert werden, und kombinieren diese Linien mit einem fluoreszierenden Marker (FGR7.0), der die unterschiedlichen Zellen des weiblichen Gametophyten sichtbar macht.

Mit Hilfe der konfokalen Mikroskopie können wir dann live verfolgen, wie Pollenschläuche in den unterschiedlichen Mutanten wachsen und wie sich die Spermienzellen während der Befruchtung verhalten.

Wenn Sie Lust haben, einen Blick „hinter die Kulissen” der Befruchtung bei Blütenpflanzen zu werfen – von der Erzeugung und Charakterisierung von CRISPR-Mutanten im Labor, bis hin zur Visualisierung der „Reise” der Spermienzellen am Konfokalen Laser-Scanning Mikroskop –, dann sind Sie in unserer Arbeitsgruppe für Ihr Humboldt-Projekt herzlich willkommen. Erforschen Sie mit uns, wie Pflanzen ihre doppelte Befruchtung so genau steuern!

Für nähere Informationen kannst du dir das PDF mit einem Beispiel der Experimente anschauen…

Sexual reproduction in flowering plants is surprisingly precise: after pollination, the pollen tube grows through the flower tissues, finds the female gametophyte and delivers exactly two sperm cells – one fertilizes the egg cell, the other fertilizes the central cell. This so‑called “double fertilization” depends on tightly controlled cell‑to‑cell communication via signaling peptides and their receptors.

For these peptides to work, they must first be processed and activated. This is where subtilisin‑like proteinases (SBTs) come in – enzymes that process peptide precursors – and their inhibitor SPI2.  When the SPI2 gene is mutated, multiple pollen tubes target the same ovule (polytubey), and more than two sperm cells are released into the female gametophyte (multispermy). This suggests that SPI2 helps control SBT activity during fertilization. However, the identity of the targeted SBTs remains unknown. In this project, we aim to identify which SBTs participate in double fertilization and how they interact with SPI2. 

We will work with Arabidopsis mutants in which several SBT genes are knocked out by CRISPR/Cas9 and combine them with a fluorescent marker (FGR7.0) that allows us to see the different cells of the female gametophyte.

Using confocal microscopy, we will then visualize pollen tube guidance and follow sperm cell dynamics during fertilization.

If you are curious about how flowering plants orchestrate successful fertilization – and would like to gain hands‑on experience from generating CRISPR mutants in the lab to live imaging of pollen tube and sperm cell behavior at the confocal laser scanning microscope  – consider joining our group for your Humboldt project and explore this fascinating aspect of reproductive biology.

Beschreibung des interdisziplinären Teils des Projekts

In diesem Projekt werden Methoden aus verschiedenen biologischen Disziplinen kombiniert. Sie arbeiten sowohl mit molekularbiologischen Techniken (z. B. PCR, CRISPR/Cas9, Transformation von Arabidopsis thaliana) als auch mit zellbiologischen Ansätzen (Anfärbung und konfokale Mikroskopie von Pollenschläuchen, weiblichen Gametophyten und Spermienzellen). Dadurch erhalten Sie einen interdisziplinären Einblick in die Pflanzenreproduktionsbiologie – von der DNA-Ebene bis hin zur im Mikroskop beobachtbaren Dynamik der Befruchtung. This project combines approaches from different biological disciplines. You will use molecular biology techniques (e.g. PCR, CRISPR Cas9, Arabidopsis transformation) together with cell biology methods (staining and confocal imaging of pollen tubes, female gametophytes and sperm cells). This gives you an interdisciplinary view of plant reproductive biology – from DNA and gene editing to live cell dynamics under the microscope.

Projektzeitraum

Sommersemester 2026

Bewerbungszeitraum

07. bis 20.04.2026

Durchführung

semesterbegleitend

Details zu Projektzeitraum und Durchführung

Hochgradige sbt-T-DNA-Mutanten (sbts) werden ausgesät. Zwei Wochen nach der Keimung wird genomische DNA extrahiert und ein Genotypisierungstest mittels PCR durchgeführt. Zusätzlich wird RNA isoliert und eine qRT-PCR durchgeführt. Einen Monat später, im Blühstadium, werden FGR7.0- und SPI2-CRISPR-Konstrukte mittels Flower-Dip-Methode in die sbts transformiert. Gleichzeitig werden das Verhalten der Pollenschläuche und der Spermienzellen mithilfe eines konfokalen Mikroskops visualisiert.

Einen Monat später werden die T1-Pflanzen gescreent und genotypisiert. Der FGR7.0-Marker in der sbts-Mutantenlinie wird in den T1-Pflanzen mittels konfokaler Mikroskopie untersucht. Zudem werden spi2-CRISPR-Mutanten in der sbts-Linie identifiziert. Schließlich wird das Verhalten der Pollenschläuche und Spermienzellen in den T2-Pflanzen der spi2-sbts-Mutanten analysiert.

High-order sbt T-DNA mutants (sbts) are planted. Two weeks after germination, genomic DNA is extracted and genotyping is performed using PCR. RNA is extracted and qRT-PCR is performed. One month later, in the flower stage, FGR7.0 and SPI2 CRISPR constructs will be transformed into sbts via flower dip method. Meanwhile, the pollen tube and sperm cell behaviors will be visualized via confocal microscope. One month later, the T1 plants will be screening and genotyped. FGR7.0 marker in sbts mutant line will be observed in confocal microscope in T1 plants. spi2 CRISPR mutant in sbts line will be identified. The pollen tube and sperm cell behaviors will be examined in the T2 plants of spi2 sbts mutants.

Studienfach

Agrarbiologie
Biologie
Biotechnologiy
Crop Sciences

Betreuende

Dr. Bo Yang

Institut

Institut für Biologie (190) (Physiologie und Biochemie der Pflanzen (190c))

Sprache

deutsch/englisch

Teilnehmendenanzahl

min. 1, max. 2

Arbeitsaufwand

ca. 120 Stunden pro Teilnehmende:r | 4 ECTS-Punkte

Arbeitsaufwand (Stunden und ggf. ECTS) sind ungefähre Angaben. Die tatsächlich vergebenen ECTS-Punkte ergeben sich aus der tatsächlich geleisteten Arbeit.

 

Für dieses Projekt ist kein Motivationsschreiben des Studierenden erforderlich

Projektart

experimentell

Lernziele

Die Teilnehmende lernen in diesem Projekt:

Am Ende des Projekts können Studierende

• die Grundlagen der doppelten Befruchtung bei Blütenpflanzen erklären (Rolle von Pollenschläuchen, Spermienzellen und weiblichem Gametophyten)
• die Funktion von subtilisin‑ähnlichen Proteinase (SBTs) und ihres Inhibitors SPI2 im Kontext der Pflanzenbefruchtung beschreiben
• grundlegende molekularbiologische Experimente erklären und zum Teil auch durchführen (DNA/RNA‑Extraktion, PCR, qRT‑PCR, CRISPR‑Cas9‑basierte Geneditierung, Transformation von Arabidopsis)
• zellbiologische Methoden zur Untersuchung der Pflanzenreproduktion anwenden (Anfärbung von Pollenschläuchen, Arbeiten mit fluoreszierenden Reportern, konfokale Mikroskopie)
• experimentelle Daten aus Molekularbiologie und Mikroskopie auswerten, interpretieren und in einen biologischen Zusammenhang einordnen
• ihre Ergebnisse in einem Poster oder einer Präsentation strukturiert darstellen und im wissenschaftlichen Kontext diskutieren

At the end of this project you will be able to

• explain the basic principles of double fertilization in flowering plants (roles of pollen tubes, sperm cells and the female gametophyte)
• describe the function of subtilisin‑like proteinases (SBTs) and their inhibitor SPI2 in plant fertilization
• explain (and perform some) basic molecular biology techniques (e.g. DNA/RNA extraction, PCR, qRT‑PCR, CRISPR‑Cas9‑based gene editing, Arabidopsis transformation)
• apply cell biology methods to study plant reproduction (pollen tube staining, working with fluorescent reporters, confocal microscopy)
• analyse and interpret experimental data from molecular biology and microscopy and relate it to biological questions
• structure and present your results in a poster or oral presentation and discuss them in a scientific context

Anmerkungen für Studierende

Der Zeitplan sowie die ECTS-Punkte sind flexibel.

Die hochgradigen sbt-T-DNA-Mutanten sind bereit zur Aussaat. Die Konstrukte sind für die Transformation von Arabidopsis vorbereitet. Die Methoden zur Beobachtung des Verhaltens von Pollenschläuchen und Spermienzellen sind optimiert.

Bei Fragen oder für weitere Informationen zum Projekt kannst du mir gerne eine E-Mail schreiben: bo.yang@uni-hohenheim.de.

Dokument

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Schlagworte

Subtilase, doppelte Befruchtung, Pollenschlauch, CRISPR-Cas9-Arabidopsis, konfokales