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Schwerpunktprogramm (SPP) 1158: Antarctic Research with Comparable Investigations in Arctic Sea Ice Areas; Bereich Infrastruktur - Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchungen in arktischen Eisgebieten, Kombinierte Effekte von Temperatur und Ressourcenverfügbarkeit auf den Abbau von organischem Material durch Antarktisches Bakterioplankton

Die globale Erwärmung führt zu neuen Bedrohungen in den Ozeanen, da die steigende Temperatur Kaskadeneffekte in biogeochemischen Kreisläufen und Nahrungsnetzen auslösen kann. Das Scientific Committee on Antarctic Research (SCAR) hat ein besseres Verständnis von potentiellen Effekten des Klimawandels auf die physikalische und biologische CO2-Aufnahme des Südozeans als dringende Fragestellung der Antarktisforschung identifiziert. Bakterien sind die Hauptproduzenten von CO2 und wirken so der biologischen Zehrung von CO2 durch die Primärproduktion entgegen. In Antarktischen marinen Systemen sind die niedrige Temperatur und die geringe Verfügbarkeit von labilem organischem Material Hauptfaktoren, die Wachstum und Aktivität von Bakterien begrenzen. Temperatur und Ressourcen-Verfügbarkeit für Bakterien werden sich durch den Klimawandel in Verbindung mit Eisschmelze und Folgen für die Primärproduktion jedoch erheblich verändern. Laborexperimente mit Batch-Kulturen haben gezeigt, dass Temperatureffekte auf bakterielles Wachstum nahe der minimalen Wachstumstemperatur ein hohes Potential haben mit der Konzentration von organischen Substraten zu interagieren. Durch diese Interaktionen waren Temperatureffekte auf bakterielles Wachstum überproportional stark, wenn Substrate verfügbar wurden. Die Relevanz dieses synergistischen Effektes für die bakterielle Produktion und die damit verbundene Freisetzung von CO2 in natürlichen Gemeinschaften ist jedoch unklar. Dieses Projekt beabsichtigt einzelne und kombinierte Effekte von Temperatur und Verfügbarkeit organischen Materials auf Antarktisches Bakterioplankton zu testen. Zu diesem Zweck werden Aktivierungsenergien von extrazellulären Enzymen, Substrataufnahme und Produktion in bakteriellen Gemeinschaften des Weddell Meeres bestimmt. Die Ratenmessungen im Weddell Meer werden mit der Analyse von organischem Material kombiniert, um Temperatureffekte auf Flüsse von labilem und semilabilem organischen Kohlenstoff abzuschätzen. Mit Hilfe der Ergebnisse werden der natürliche Bereich der Temperatursensitivität und die Modulation durch abiotische und biotische Faktoren bestimmt. In Experimenten an Bord werden kombinierte Effekte von Erwärmung und Substratzugabe auf die Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaft, auf Muster der Genexpression und auf den Umsatz des organischen Materials getestet, um Veränderungen in der Gemeinschaft in Bezug zu Veränderungen ihrer Funktionen zu setzen. Es werden zudem Chemostat-Experimente mit Isolaten aus dem Südozean durchgeführt, um Temperatureffekte auf Wachstumseffizienzen und die chemische Zusammensetzung bakterieller Biomasse zu quantifizieren. Eine bessere Bestimmung von bakterieller Remineralisierung und ihrer Abhängigkeit von Temperatur und Substratkonzentration ist notwendig um biogeochemische Modelle besser zu parametrisieren, die den zukünftigen marinen Kohlenstoffkreislauf und den Austausch von CO2 zwischen Ozean und Atmosphäre in einem sich veränderndem Klima projizieren.

Molekulare Charakterisierung des Ren3 Locus der Resistenz gegen Erysiphe necator (den Echten Mehltau) aus der Rebsorte 'Regent'

Dieses Projekt hat zum Ziel, die Mechanismen der Resistenz gegen den Echten Mehltau (E. necator) aufzuklären, die am Haupt-QTL Locus Ren3 auf Chromosom 15 von Regent kodiert sind.Zur Sequenzanalyse des Locus müssen vorhandene genomische Teilsequenzen aus der Region weiter assembliert werden. Die resultierenden Contigs sind durch PCR Verfahren zu überprüfen. Das Schließen noch bestehender Lücken durch long range PCR ist anzustreben. Bioinformatorische Analysen (Ermittlung kodierender Bereiche, Datenbankabgleiche) werden in den Sequenzen positionelle Kandidatengene für die Resistenz identifizieren. Diese Kandidatengene werden auf ihre funktionelle Bedeutung hin untersucht. Dazu dienen Genexpressionsanalysen an resistenten und anfälligen Reben im Zusammenhang mit mikroskopischen Beobachtungen der Wirt/Pathogeninteraktion in frühen Stadien der pflanzlichen Abwehr.Vergleichende Diversitätsstudien der Kandidatengene an einem umfangreichen Probensatz resistenter und anfälliger Reben werden Sequenzvarianten und Einzelnukleotidaustausche (single nucleotide polymorphisms, SNPs) aufzeigen. Diese werden durch QTL Analyse und Assoziationsgenetik auf ihre Korrelation mit der Resistenzausprägung hin untersucht, womit zusätzliche Hinweise auf ihre funktionelle Bedeutung erhalten werden. Letztendlich ist ein Modell der erfolgreichen Abwehr bei Regent zu entwickeln. Wichtige Kandidatengene aus diesen Arbeiten sind durch Transformation in anfällige Rebsorten einzuführen und schließlich durch Test der transgenen Reben in ihrer Funktion zu validieren.Mit diesem Projekt und der Erarbeitung der Resistenzmechanismen wird eine Grundlage zur verbesserten züchterischen Nutzung der Resistenzloci in der Kombinationszüchtung für pyramidisierte, nachhaltige Resistenz geschaffen. Eng Merkmals-korrelierende (SNP) Marker werden erarbeitet, die in der Marker-gestützten Züchtung im Hochdurchsatz angewandt werden können.

Wirkung von Umweltsubstanzen auf den Sexualsteroidhormonstoffwechsel des Menschen

Umweltsubstanzen können bei Mensch und Tier das Hormonsystem beeinflussen, indem sie auf den Metabolismus der Hormone einwirken. So wurde kürzlich gezeigt, dass zinnorganische Verbindungen wie Tributylzinn bei Schnecken und Fischen offenbar durch eine Hemmung der Aromatase den Metabolismus der Sexualsteroidhormone stören und so schwere Schäden hervorrufen. Ziel des geplanten Vorhabens ist es, beim Menschen mit den von uns entwickelten Testverfahren (DFG Kl 524/4-1) zunächst den Einfluss der ubiquitär vorkommenden zinnorganischen Verbindungen auf Schlüsselenzyme des Sexualhormonstoffwechsels, wie die Aromatase, die 5a-Reduktase und die 17b-Hydroxysteroid-Dehydrogenase zu untersuchen. Auf molekularer Ebene soll in Gewebe-Homogenaten und -Schnitten der Einfluss auf die Enzymaktivität und in Zellkulturen auf die Genexpression (Quantifizierung der mRNA) gemessen werden. Ferner soll in menschlichem Gewebe der Gehalt an zinnorganischen Verbindungen bestimmt werden. Diese Untersuchungen werden zeigen, inwieweit auch beim Menschen Umweltsubstanzen in den Steroidhormonstoffwechsel eingreifen. Dies sind grundlegende Fragestellungen, zu denen beim Menschen bisher keine Befunde vorliegen.

Sojapflanzen mit Krankheitsresistenz

Eine Infektion mit Krankheitserregern oder eine Behandlung mit bestimmten Chemikalien (z.B. Salicylsäure) induziert in Pflanzen einen physiologischen Zustand, der 'Priming' genannt wird. Im 'geprimten' Zustand können Pflanzen ihre Abwehrreaktionen bei einer Folgeattacke schneller aktivieren. Dadurch kommt es oft zur Krankheitsresistenz. Erst kürzlich haben wir gefunden, dass die Mitogen-aktivierten Proteinkinasen MPK3 und MPK6 und die Proteine CALRETICULIN 3 (CRT), LUMINAL BINDING PROTEIN 2 (BIP) und SHEPHERD (SHD) beim 'Priming' in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana eine wichtige Rolle spielen. Das Protein EDR1 dagegen unterdrückt das 'Priming'. Um diese Ergebnisse aus der Grundlagenforschung in der Praxis anzuwenden, werden wir mit der BASF Plant Science GmbH Gene für MPK3, MPK6, CRT3, BIP2 und SHD in der wichtigen Kulturpflanze Sojabohne überexprimieren und die Expression des EDR1-Gens gezielt ausschalten. Dadurch sollen Sojapflanzen entwickelt werden, die eine erhöhte Krankheitsresistenz besitzen und damit zur Steigerung der globalen Sojaproduktion beitragen. Das Vorhaben soll auch auf die Grundlagenforschung zurückwirken. Dies indem wir Sojapflanzen bereitstellen, in denen die Substrate von Mitogen-aktivierten Proteinkinasen und ihren Kinase-Kinasen identifiziert werden können.

Forschergruppe (FOR) 496: Poplar - a model to address tree-specific questions, Environment-dependent regulation of nitrogen import system in poplar

Poplar could succeed in nutrient rich areas as well as in nutrient poor forests soils where plants live in symbiosis with certain soil fungi to enable sufficient nutrition. Due to its huge demand, nitrogen, as major nutrient, is of special interest for poplar nutrition. In this project we want to characterize nitrate, ammonium and amino acid transporters from poplar roots that are differentially regulated as result of nitrogen nutrition (shortage or nitrogen excess), or by plant/fungus interaction. The kinetic parameters of selected transporters will be determined by heterologous expression. Tissue and organ specific expression of certain transporter genes will be investigated by Northern blot and RT-PCR and by the utilization of poplar transformants containing promoter-GFP fusions. GFP fusions with truncated promoters will also be used for the identification of cis-elements responsible for the nitrogen-dependent expression of selected transporter genes. In addition, the global impact of nitrogen nutrition on poplar gene expression will be investigated using macro and micro arrays hybridization and probes of poplar roots grown at different nitrogen sources and concentrations as well as mycorrhizas.

Einfluß von Laccase-Produktion durch Pilze und Mykorrhizen auf die Bildung und Stabilität organischer Substanz in land- und forstwirtschaftlichen Böden

Im Projekt soll der Einfluß oxydativer Exoenzyme von Pilzen und Mykorrhizen auf den Auf- und Abbau der organischen Bodensubstanz charakterisiert werden. Über die gesamte Dauer des SPP sind zwei Arbeitsetappen geplant. Zuerst werden Primer zum molekularbiologischen Nachweis von Boden- und Mykorrhizapilzen mit Laccase-Genen und zur Analyse der Expression dieser Gene in Böden entwickelt. Um die bodenökologische Aussagekraft der Methode zu gewährleisten, werden Protokolle zur Extraktion von DNA und mRNA aus Böden mit Proben von den SPP-Standorten optimiert und geeicht. In einem zweiten Arbeitsschritt werden die Methoden an den landwirtschaftlichen und forstwirtschaftlichen Böden der SPP-Standorte eingesetzt. Die Ergebnisse von Untersuchungen der Struktur und Funktionen der Pilzpopulationen werden im Zusammenhang mit Analysen anderer SPP-Teilnehmer interpretiert. Dabei sollen insbesondere Daten über Gehalt und Kreislauf der festen und gelösten organischen Bodensubstanz, über Fraktionierung natürlicher Isotope in den Phasen des Kreislaufs sowie über Aufbau- und Abbauvorgänge durch nicht pilzliche Bodenmikroorganismen und durch Bodentiere berücksichtigt werden. Die Beteiligung an Experimenten zum Abbau radioaktiv markierter Streu ist ebenfalls vorgesehen.

Nachweis der Expression von cellulolytischen Enzymen des Rapsschädlings Leptosphaeria maculans in planta

In der Interaktion zwischen dem phytopathogenen Pilz Leptosphaeria maculans und seiner Wirtspflanze Raps spielen Cellulose-abbauende Enzyme eine entscheidende Rolle. Mit Hilfe dieser Enzyme ist der Pilz in der Lage, den Sproß der Pflanze bis zur Wurzelhalsregion so zu degradieren, dass die Pflanze umfällt. Die Krankheit wird deshalb auch Umfallkrankheit genannt. die Knickstelle befindet sich meist im Wurzelhalsbereich. Cellulose-abbauende Enzyme des Pilzes sind neben den Pektinasen demzufolge die Ursache dieses Symptoms, das der Umfallkrankheit ihren Namen gab. Über die Regulation und die Wirkungsweise des cellulolytischen Enzymkomplexes in der Pflanze ist bisher wenig bekannt. Mit Hilfe von Reportergenfusionen, die durch Transformation in dem Rapsschädling Leptosphaeria maculans exprimiert und dann in situ untersucht werden sollen, wollen wir die Expression dieser Gene in planta messen und ihre Genprodukte im Pflanzengewebe lokalisieren. Durch die Verwendung multipler Reportersysteme soll das Expressionsverhalten gleichzeitig und aufeinander bezogen dargestellt werden. Dieser Ansatz läßt neue Aspekte in der Wirkungsweise synergistisch wirkender Enzymkomplexe erhoffen

Schwerpunktprogramm (SPP) 1530: Flowering time control: from natural variation to crop improvement

During evolution plants have coordinated the seasonal timing of flowering and reproduction with the prevailing environmental conditions. With the onset of flowering plants undergo the transition from vegetative growth to reproductive development. In agriculture, flowering is a prerequisite for crop production whenever seeds or fruits are harvested. In contrast, avoidance of flowering is necessary for harvesting vegetative parts of a plant. Late flowering also severely hampers breeding success due to long generation times. Thus, FTi (flowering time) regulation is of utmost importance for genetic improvement of crops. There are many new challenges for plant geneticists and breeders in the future (e.g. changing climate, need for higher yields, demand for vegetative biomass for bioenergy production), requiring novel approaches for altering the phenological development of a plant species beyond the currently available genetic variation. Changes in the expression of a single FTi regulator can suffice to drastically alter FTi. Exploiting the molecular fundament of FTi control offers new perspectives for knowledge-based breeding. Pleiotropic effects of FTi gene regulation beyond flowering time, such as yield parameters/hybrid yield were most recently demonstrated. This emerging field of research offers new possibilities for gaining insight into the very foundations of yield potential in crop plants. The Priority Programme aims to develop a functional cross-species network of FTi regulators for modelling developmental and associated (e.g. yield) characters in relation to environmental cues. Plant species with different phenological development will be investigated. Phylogenetic similarities can be used to infer similar functional interactions between FTi regulators in related crop species. Comparative analysis of FTi regulation among and between closely and remotely related species will identify distinct evolutionary paths towards optimisation of FTi in a diverse set of species and the branching points of divergence. Projects in this Priority Programme focus on genomic approaches to gain a comprehensive understanding of FTi regulation also in crops, which thus far have not been a major target of research. Another focus is on non-genetic cues regulating FTi and hormonal constitution and nutrient supply.

Biologische und chemisch-analytische Charakterisierung des allergenen Potentials von Terpenen, Terpenmetaboliten und Terpenoxidationsprodukten

Die zunehmende Verwendung von Monoterpenen wie vor allem d-Limonen, a-, b-Pinen, 3-Caren und a-Terpinen in Produkten aus dem Bereich der Körperpflege, terpenhaltigen Medikamenten, sowie der vermehrte Einsatz von terpenhaltigen Naturstoffen als Baumaterialien in Innenräumen bildet möglicherweise eine wesentliche Ursache für das steigende Auftreten der entsprechenden Sensibilisierungen. Zwischen 1995 und 1999 stieg die Anzahl der sensibilisierten Patienten von 0,5 auf 2,9 Prozent. Die zugrundeliegenden Mechanismen sind wenig verstanden. In diesem Forschungsvorhaben sollen vergleichende in vitro und in vivo Untersuchungen Ansätze zur Klärung dieses sozialmedizinisch bedeutsamen Problems liefern. Exemplarisch sollen hierzu die Terpene, a-Terpene, d-Limonen und 3-Caren auf ihr allergenes Potential für Blutleukozyten bzw. T-Lymphozyten der Haut auf polyklonaler und monoklonaler Ebene analysiert werden. Daneben soll die transiente Genexpression durch die Substanzen in Antigen-präsentierenden Zellen ermittelt werden und gleichzeitig die dafür relevanten Metabolite und Oxidationsprodukte identifiziert werden. Dabei soll geklärt werden, welchen Anteil einzelne Metabolite und Oxidationsprodukte bzw. Kombinationseffekte im Vergleich zu den Ausgangssubstanzen an den in vivo Befunden haben. Diese Untersuchungen werden grundlegende Hinweise zum Wirkmechanismus der Substanzen liefern und dadurch Ansätze für die Bewertung der gesundheitlichen Auswirkungen von Monoterpenexpositionen in umweltrelevanten Konzentrationen bieten.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1530: Flowering time control: from natural variation to crop improvement, Genetische Ursachen des Schossens in Beta Arten und die Züchtung von Winterzuckerrüben

Zuckerrüben sind zweijährige Pflanzen, die nach einer längeren Phase niedriger Temperaturen mit dem Schossen beginnen. Damit sind sie für eine Aussaat vor dem Winter ungeeignet. Schossresistente Winterrüben haben theoretisch ein deutlich höheres Ertragspotenzial und könnten so zu einer interessanten Alternative für die Rübenproduktion werden. Neulich wurden von uns zwei wesentliche Schossregulatoren identifiziert (BTC1 und BvBBX19). Vermutlich regulieren beide gemeinsam die Expression der stromabwärts gelegenen Blühgene BvFT1 und BvFT2. In diesem Projekt werden diese Schossregulatoren in Zusammenarbeit mit Projektpartnern im SPP1530 sowohl in Zuckerrübe als auch in transgenen Arabidopsis-Pflanzen funktionell analysiert. Während BTC1-überexprimierende Zuckerrüben mit einer Transgen-Kopie nach Winter schossen, ist in transgenen Pflanzen mit größer als 1 Kopie die BTC1-Expression nahezu vollständig herunterreguliert, so dass diese auch nach Winter nicht schossen. Als Grund vermuten wir Cosuppression des nativen Gens durch die neu hinzugefügten Kopien. Diese Ergebnisse stellen eine gute Grundlage für die Züchtung von Winterzuckerrüben dar. Innerhalb dieses Projektes werden Hybriden erzeugt, die über zwei BTC1- Transgene verfügen und in denen durch Cosuppression die Expression aller BTC1-Kopien stark herunter reguliert wird. Im Folgenden werden diese Hybriden in der Klimakammer, im halboffenen Gazehaus sowie unter Feldbedingungen über Winter angebaut. Parallel dazu werden in einem zweiten Experiment doppelt rezessive btc1 und Bvbbx19 Zuckerrüben mit einer deutlich ausgeprägten Schossverzögerung nach Winter erzeugt. Da diese Pflanzen nicht transgen sind, können sie ohne weiteres von Züchtern genutzt werden. Darüber hinaus ziehen wir Zuckerrüben unter standardisierten Bedingungen in einer Klimakammer an, um aus den Sproßmeristemen RNA zu isolieren. Diese Arbeiten sind Grundlage für ein Phylotranskriptom-Experiment, welches von dem Partner Prof. I. Grosse im Rahmen des SPP 1530 koordiniert wird.

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