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Pflanzen-Biochemie und -Biotechnologie

Die AG Pflanzenbiochemie und -biotechnologie beschäftigt sich mit anwendungsorientierter Grundlagenforschung in den Bereichen Pflanzenwachstum und -entwicklung sowie mit Aspekten der synthetischen Biologie. Die Forschungsinteressen der Arbeitsgruppe untergliedern sich in die folgenden Bereiche:

1. Wechselwirkung zwischen Pflanze und Umwelt

Gemäß unabhängigen Klimamodellen ist innerhalb der nächsten Dekaden mit einer Umverteilung der jährlichen Niederschläge und einem Anstieg der Durchschnittstemperaturen in Deutschland zu rechnen. Es ist jedoch kaum erforscht, welche Anpassungsmechanismen Nutzpflanzen besonders effektiv gegen kombinierten Hitze- und Trockenstress schützen können. Bereits eine moderate Erhöhung der atmosphärischen Temperatur kann drastische Effekte auf die Ertragsbildung der Kartoffelpflanzen haben.

Um die molekularen Hintergründe der temperaturbedingten Ertragseinbußen besser zu verstehen, werden in dem internationalen Konsortium   HotSol   unterschiedliche Kartoffelgenotypen unter kontrollierten und Feldbedingungen angebaut und ihre Ertragsbildung unter Hitzeeinwirkung vergleichend analysiert. Derzeitige Ergebnisse deuten darauf hin, dass erhöhte Temperaturen u.a. die Expression des knollen-induzierenden FT-Signals unterdrückt, wodurch die Knollenbildung stark vermindert wird. Gegenwärtige Arbeiten zielen darauf ab, die Regulation des Knollen-induzierenden Signals besser zu verstehen und ggf. die hitze-bedingte Hemmung der FT Expression zu überkommen. Hierbei wird auch ein Augenmerk auf Zuckersignale, wie z.B. Trehalose-6-phosphat gelegt.

Die Auswirkungen des Trockenstress bzw. kombinierten Trocken- und Hitzestress auf die Ertragsbildung von Gerstenpflanzen wird im Rahmen des   BAYKLIMAFIT   Programms untersucht. Unter Ausnutzung genetischer Ressourcen und der Verwendung modernster Methoden der Systembiologie zielt das Forschungsvorhaben auf die Verbesserung der Ertragsstabilität von Gerstenpflanzen unter einfachem und kombiniertem Hitze- und Trockenstress ab. Hitze und Trockenheit lösen zwei grundsätzlich entgegengesetzte Reaktionen in Pflanzen aus. Hitze führt zu einer erhöhten Wasserverdunstung, Transpiration, wodurch die Blattoberfläche gekühlt werden soll. Trockenheit hingegen führt zur Reduktion der Verdunstung, so dass es bei Kombination von Hitze und Trockenheit, was in der Landwirtschaft keinesfalls die Ausnahme ist, zu einem Zusammenstoß der Abwehrmechanismen kommt. Eine besondere Rolle hierbei kommt den Schließzellen zu, die den Wasseraustausch regulieren sowie antioxidative Abwehrsysteme, die zelluläre Prozesse schützen.

Die zu Grunde liegenden Mechanismen, die eine Anpassung der Pflanzen an kombinatorischen Stress erlauben, werden erforscht. Dabei sollen durch biochemische Untersuchungen an gestressten Gerstenpflanzen Prozesse des Zellstoffwechsels identifiziert werden, die mit der Ertragsstabilität im Zuchtmaterial Bayerischer Gerstenzüchter korrelieren. Über parallele molekularbiologische Untersuchungen sollen die dafür verantwortlichen Gene und daran gekoppelte molekulare Marker identifiziert werden, die eine gezielte züchterische Verbesserung der Gerstenpflanzen erlauben. Damit sollen Verfahren zur Züchtung von Gerstensorten erarbeitet werden, die eine Ressourcen-schonende Gerstenproduktion trotz Klimawandel ermöglichen.

Die Auswirkung kombinierter abiotischer und biotischer Stressfaktoren wird anhand der Modelpflanze Arabidopsis thaliana studiert. Hierbei zeigte sich, dass die Kombination von Stressfaktoren den Ausgang einer Virusinfektion maßgeblich beeinflussen kann. Pflanzen die mit Hitze und Trockenheit konfrontiert wurden zeigten eine erhöhte Virusempfindlichkeit. Molekulare Untersuchungen ergaben, dass dies vermutlich durch die Umsteuerung der Signalwege bedingt wird. Gegenwärtige Arbeiten konzentrieren sich darauf, die Ursachen für die Umsteuerung zu identifizieren und durch gezielte genetische Eingriffe Pflanzen gegen kombinatorischen Stress toleranter zu machen.

2. Beeinflussung der Source-Sink Verhältnisse in Nutzpflanzen

Der Ertrag von Nutzpflanzen wird maßgeblich durch das Wechselspiel zwischen Blättern und Speicherorganen bestimmt. Hierbei überführen die Blätter atmosphärisches Kohlendioxid in organische Kohlenstoffverbindungen (ein Prozess der Photosynthese genannt wird), wobei als "Abfallprodukt" Sauerstoff entsteht. Da ausgewachsene Blätter tagesüber mehr Kohlenhydrate produzieren, als sie nachts verbrauchen, können sie den Überschuss anderen Organen zur Verfügung stellen. Man bezeichnet die Blätter als Source (Quellen) Organe. Die überschüssigen organischen Verbindungen werden von den Blättern über das Leitbahnsystem der Pflanze in verbrauchende oder speichernde Gewebe (Sink Organe) transportiert. Angekommen in heterotrophen Geweben, werden die Verbindungen entweder für das Wachstum (z.B. Wurzeln) oder die Speicherung (in Samen, Knollen, etc.) eingesetzt. Je mehr Assimilate zum Aufbau von Speichersubstanzen verwendet werden, desto größer ist der Ertrag. Daher richten sich die Interessen der Pflanzenzüchtung darauf, soviel Assimilate wie möglich in Speicherorgane einzulagern. Das Verhältnis zwischen Gesamtbiomasse und erntebarer Biomasse bezeichnet man hierbei als Ernteindex.

Im Rahmen eines Drittmittelprojektes   CASSAVA   versuchen wir gezielt das Wechselspiel zwischen Blatt und Speicherwurzel der Maniokpflanzen zu verändern, so dass höhere Erträge realisiert werden können. Hierbei liegt das Augenmerk auf der simultanen Verbesserung sowohl des Blattstoffwechsels (Source) als auch des Stoffwechsels der Speicherwurzeln (Sink).

3. Umsteuerung des Wirtsstoffwechsels durch virale Effektoren

Die Rolle viraler Effektoren bei der Umsteuerung von Pflanzenzellen wird im Rahmen des   Sonderforschungsbereichs 796   bearbeitet. Zentrales Ziel des SFB796 ist die Charakterisierung von Wirt-Pathogen Wechselwirkungen auf molekularer und zellulärer Ebene, um vertiefte Einblicke in mikrobielle Strategien zur Ausnutzung bzw. Umsteuerung zellulärer Wirtsprozesse zu erhalten.
Das Alleinstellungsmerkmal des SFB796 ist die gemeinsame Untersuchung viraler und bakterieller Strategien zur erfolgreichen Infektion und Besiedelung von Pflanzen- und Säugerzellen. Dies bietet die Möglichkeit spezifische und konservierte Interaktionsmuster zu erkennen. Beispiele für konservierte Strategien beinhalten die Effektor-vermittelte Unterdrückung des Zelltods durch Beeinflussung der ER-Stressantwort, der SUMO-abhängige Kerntransport von Proteinen und die Wechselwirkung viraler Effektoren mit Komponenten der zytoplasmatischen Stresskörperchen der Wirtszellen. Alle diese Prozesse basieren auf spezifischen Interaktionen zwischen mikrobiellen Effektoren und Zielstrukturen des Wirts. Trotz der offensichtlichen Bedeutung dieser Interaktionen sind viele Ziele und zelluläre Funktionen dieser Effektoren nur vage bekannt. Deshalb fokussiert der SFB796 auf die strukturelle Analyse dieser Interaktionen und die Entschlüsselung zellulärer Funktionen bekannter Effektoren. Als Beispiel konnten strukturbiologische Einblicke in den Aufbau der zentralen Komponenten pUL50/pUL53 des nukleären Egress-Komplexes des humanen Cytomegalovirus erarbeitet werden, wodurch neue Möglichkeiten zur Entwicklung antiviraler Strategien eröffnet werden.

Die erfolgreiche Virusbesiedelung von Pfanzen erfordert die kompatible Wechselwirkung von Wirts- und Virusfaktoren, die die virale Replikation, den Zell-zu-Zelltransport über Plasmodesmata und den Langstreckentransport durch das vaskuläre Gewebe erlauben. Deshalb möchten wir unser Verständnis zum intrazellulären Transport des Transportproteins MP17 des Kartoffelblattrollvirus vertiefen und die Rolle molekularer Chaperone bei der Virusinfektion untersuchen. Darüber hinaus möchten wir die Bedeutung der Sumoylierung nucleolärer Proteine in Pflanzen- und Säugerzellen vergleichend untersuchen.

4. Synthetische Biologie

Technische Fortschritte in der Sequenzierung und Synthese vollständiger Genome, der Bioanalytik und der Mikroskopie haben zu einer rapide wachsenden Datenfülle geführt. Auch wenn die Auswertung der "Big Data" noch große Herausforderungen beinhaltet, hat sich durch die fortwährende Weiterentwicklung bioinformatischer Werkzeuge das funktionelle Verständnis biologischer Prozesse auf molekularer Ebene vervielfacht. Vor diesem Hintergrund versucht die Synthetische Biologie biologische Prinzipien in technologische Prozesse zu übertragen, um so z.B. nachhaltige Produktionssysteme oder neuartige Bio-hybride Materialien herzustellen, die (i) neue funktionelle Eigenschaften haben und (ii) von nicht-regenerierbaren Rohstoffen unabhängig werden. Hierbei werden durch Neukombination und gezielte Veränderung biologischer Bausteine neuartige Systeme konzipiert, die in der Natur nicht vorkommen.

Im Rahmen des EFI-Projektes   Synthetic Biology   versuchen wir neuartige Stoffwechselmodule herzustellen, Mikroreaktoren zu konzipieren und biologisch inspirierte BioLEDs herzustellen. Ein Kernstück der Arbeiten stellen bruchfeste, spezifische Proteinverknüpfungen dar. Diese Verbindungen können z.B. durch kontrollierte intermolekulare Isopeptidbindungen geschaffen werden.

5. Hypoallergene Lebensmittel mittels Genomeditierung

Ansätze zur Verbesserung der Lebensmittelqualität durch Reduktion des allergenen Potentials von Tomatenfrüchten werden im Rahmen eines DFG Projektes bearbeitet. In den letzten Jahren konnte eine Reihe von Lebensmittelallergenen molekular charakterisiert werden, wodurch züchterische und gentechnische Strategien zur Erzeugung hypoallergener Lebensmittel abgeleitet werden können. In einem interdisziplinären Ansatz streben wir die Reduktion von Haupt- und Nebenallergenen in Tomatenfrüchten mittels gezielter RNAi, artifizielle MikroRNA oder Genomeditierung an. Um auch allergene Proteine, die unverzichtbar für den normalen Stoffwechsel der Pflanzenzellen sind, in ihrer Menge reduzieren zu können, wurde ein Verfahren entwickelt, welches diese Proteine durch hypoallergene Isoformen ersetzt.