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Molekularbiologische Analyse der Rolle der Mykorrhiza für den Schwefelhaushalt der Pappel

Mykorrhizen sind in der Lage, das Wachstum der Bäume durch erhöhte Aufnahme von Nährstoffen zu verbessern. Im Gegensatz zu Phosphat und Nitrat, ist nur wenig über die Bedeutung der Mykorrhiza für die Aufnahme und den Metabolismus von Schwefel bekannt, obwohl schwefelhaltige Stoffe eine wichtige Rolle bei Rhizobiumwurzel Symbiose spielen, die in vielen Aspekten ähnlich zu Mykorrhizierung ist. Ziel des Projekts ist es, Gene des Schwefelhaushalts von Wurzeln zu identifizieren, die bei der Wechselwirkung Wurzelpilz eine Rolle spielen, und deren Expression und Regulation zu analysieren. Als Modellsystem soll dabei die Pappel und der Pilz Amanita muscaria eingesetzt werden. In diesem Modellsystem soll die Hypothese überprüft werden, dass der Pilz die Sulfatversorgung der Pflanze durch eine erhöhte Aufnahme sowie einen intensiven Austausch mit der Wurzel verbessert und, in Analogie zu Rhizobien, dem Pilz von der Pflanze reduzierter Schwefel in Form von Glutathion zur Verfügung gestellt wird. In der ersten Phase wird der Einfluss der Schwefel- und Stickstoffernährung auf die Expression der Gene des Schwefel-Metabolismus in Pappel und im Pilz untersucht. Weiterhin soll der Einfluss der Modulation des Schwefelhaushalts in Pappeln durch genetische Manipulation auf die Wechselwirkung im Schwefelhaushalt zwischen Wurzel und Pilz analysiert werden.

Possible effects of transgenic plants on soil organisms

Soil is the first component of the environment that can be effected by GM plants, because they do not only consume the nutritive substances from the soil, but also release there different compounds during a growing period, and leave in the soil their remains. If the plants are modified to increase their resistance to plant pathogens, particularly bacteria, they can also affect the other microorganisms important for plant development. Also there are no considerable data about possible effect of GM plants on soil organic matter and chemical processes in soil. For the experiment it is planned to use transgenic potato plants (Solanum tuberosum L. cv. Desiree) expressing a chimerical gene for T4 lysozyme for protection against bacterial infections; - obtaining and short-term growing of GM plants in laboratory conditions; - extraction and collection of root exudates and microbial metabolites from rhizosphere; - analysis of these exudates by Pyrolysis-Field Ionisation Mass Spectrometry (Py-FIMS) in comparison with the exudates of wild-type plants and transgenic controls not harbouring the lysozyme gene, and with dissolved organic matter from non-cropped soil; - creation of 'fingerprints' for each new transgenic line in combination with certain soil on the basis of marker signals. Expected impacts: - New highly cost-effective express testing system for the risk assessment of genetically modified plants at the earliest stages of their introduction; - The conclusion about safety/danger of GM plants for the soil ecosystems; - Model for prediction of possible risk caused by GM plants.

Die Biosynthese der pflanzlichen Cellulose

Cellulose stellt den am häufigsten vorkommenden Naturstoff unseres Planeten dar. Mit einer pflanzlichen Weltjahresproduktion von ca. 180 Milliarden Tonnen (Engelhardt, j. Carbohydr. Eur. 12, 5-14 (1995)) ist Cellulose der bedeutendste nachwachsende Rohstoff. Dieses Biopolymer findet außer in der Papier-, Pharma- und Textilindustrie in vielen anderen Bereichen (z.B. Medizin, Kosmetik, Kunststoff-Industrie) reichliche Verwendung. Trotz der großen wirtschaftlichen Bedeutung und über drei Jahrzehnten intensiver Forschung ist bisher nicht bekannt, wie Cellulose in der Pflanze gebildet wird. Informationen über die Gene und die dazugehörigen Enzyme, die die Cellulose synthetisieren, würden neue Möglichkeiten eröffnet bis hin zu transgenen Pflanzen mit erhöhtem Cellulosegehalt, einer verbesserten Qualität, aber auch der Entwicklung ganz neuer Herbizide, die gezielt die Cellulosebiosynthese z. B. von Unkräutern inhibieren können. Die Zielsetzung dieses Projektes ist es, die Proteine die an der Cellulosesynthese beteiligt sind, unter Aktivitätserhalt zu isolieren und zu charakterisieren sowie die entsprechenden Gene zu identifizieren, um so erstmals den molekularen Mechanismus der pflanzlichen Cellulosebiosynthese aufzuklären.

Erhoehter CO2-Partialdruck in der Atmosphaere: Anpassung des Stoffwechsels und Inhaltsstoffe von Nutzpflanzen (insbesondere Getreide)

Hypothesen: Der steigende CO2-Partialdruck in der Erdatmosphaere veraendert die Expression von Genen und damit den Stoffwechsel der Pflanzen. Folgen sind veraenderter Naehrstoffbedarf und veraenderte Zusammensetzung auch der landwirtschaftlichen Produkte. Ergebnisse: Der Phosphatbedarf der Pflanzen steigt in Hoch CO2. - Der Stickstoffbedarf faellt in Hoch-CO2 (Wachstum) - Das C/N Verhaeltnis in Pflanzen ist erhoeht in Hoch-CO2; sehr hohe Stickstoffgaben wirken diesem Effekt entgegen. - Modifizierungen im Phosphat- und Stickstoffwechsel erfolgen in den Blaettern. - Die Expression mancher photosynthetischer Gene wird von Hoch CO2 beeinflusst. - Aufklaerung des Stoffwechsels in Sink-Geweben der Pflanze (insbesondere Speicherorgane) - Untersuchungen zu CO2-Effekten auf die Rhizosphaere und Mineralstoffaufnahme (einschl. Schwermetalle).

Erhöhung des Resistenzpotentials der Gerste - Ein interdisziplinärer Ansatz unter besonderer Berücksichtigung der Resistenzaktivierung, Molekulare Untersuchungen zum Einfluss wurzelbesiedelnder Pilze auf Resistenz und Suszeptibilität in Gersteblättern

Arbuskuläre Mykorrhizen erhöhen zwar die Resistenz von Pflanzen gegenüber pilzlichen Wurzelpathogenen und Bodennematoden, in oberirdischen Pflanzenteilen scheinen aber die Verteidigungsmechanismen unterdrückt zu werden. Auf der anderen Seite gibt es Hinweise, dass Blätter von Pflanzen, die mit dem Wurzelendophyt Piriformospora indica besiedelt sind, weniger stark von Blattpathogenen befallen werden. Diese Phänomene sollen auf cytologischer und molekulargenetischer Ebene untersucht werden. Der Einfluss des Mykorrhizapilzes Glomus spec. und des Wurzelendophyten Piriformospora indica auf die Infektion von Blättern und Wurzeln der Gerste mit nekrotrophen und biotrophen pilzlichen Pathogenen wird einmal makro- und mikroskopisch untersucht. Außerdem sollen Gene isoliert und charakterisiert werden, deren Expression (1) in den Blättern durch die Besiedelung der Wurzel mit Glomus spec. und P. indica oder (2) in den Wurzeln durch gleichzeitige Besiedelung mit Glomus spec. oder P. indica und mit einem Pathogen induziert ist. Als dritten gilt es, Gene zu identifizieren, bei denen durch die Anwesenheit eines Mykorrhizapilzes in der Wurzel die chemische Induktion ihrer Expression in den Blättern inhibiert ist.

Die Rolle von NO in der Signaltransduktion bei pflanzlichen Abwehrreaktionen

Pflanzen verfügen über vielfältige Mechanismen zum Schutz vor Pathogenbefall oder Umweltstress. Dabei weisen pflanzliche Abwehrsysteme Ähnlichkeiten zum angeborenen Immunsytem von Säugern auf, bei dem Stickoxid (NO) eine Schlüsselrolle spielt. Auch in Pflanzen finden sich wichtige Komponenten der durch NO induzierten Signalübertragung. NO aktiviert Abwehrgene und ist beteiligt an programmiertem Zelltod und an der Abwehr von Pathogenen. Das vorgeschlagene Projekt hat zum Ziel, die Signalübertragung durch NO in Tabak und Arabidopsis zu erforschen und die Rolle von NO bei der Abwehr von Pathogenen zu klären. (1) Ein Schwerpunkt soll in der Aufklärung der Signalübertragung durch NO und der Aktivierung von Abwehrgenen liegen. Es soll geklärt werden, ob NO als mobiles Signal dient, und ob andere Signalmoleküle (z.B. Salicylsäure) in die NO-Signalübertragung integriert sind. (2) Um die Bedeutung von NO für die Regulation von Abwehrmechanismen zu klären, sollen Expressionsprofil und Expressionsdynamik von NO-induzierten Genen durch DNA-ChipTechnologie analysiert werden. Diese neuartige Technik wird auch Aufschluss über eine etwaige Vernetzung der NO-Signalübertragung mit pflanzlichen Hormonsystemen liefern. Die Erforschung der Signalübertragung durch NO in Pflanzen kann unser Verständnis von Resistenzmechanismen vertiefen und zur Entwicklung pathogen-resistenter Pflanzen beitragen.

Molekulare Analyse des Crosstalk zwischen Stickstoff- und Kohlenstoffmetabolismus

In diesem Forschungsvorhaben ist beabsichtigt, die Expression der Gene, die für das nitratverwertende System kodieren mit der von Genen die für Enzyme aus dem Kohlenstoffmetabolismus kodieren, zu korrelieren. Es kommt somit darauf an, Signale die jeweils dem einen oder dem anderen Stoffwechselweg zugeordnet werden können, in ihrer Wirkung auf die Expression von Schlüsselgenen aus dem jeweils anderen Stoffwechselweg zu untersuchen. Das Ziel ist es, die Schnittstellen (crosstalk) zwischen diesen, das Leben der Pflanzen essentiell bestimmenden Stoffwechselwegen zu erforschen. Zusätzlich sollen andere Umweltfaktoren wie erhöhter CO2-Gehalt, Hitzestress und Wasserstress in ihrer Wirkung untersucht werden. Dieses Vorhaben kann verifiziert werden, seit das vollständige Genom der Modellpflanze Arabidopsis verfügbar ist, und seitdem die Methode der 'Micro arrays' signifikanten Fortschritt gemacht hat. Beide Voraussetzungen sind im Labor von Prof. N. Crawford gegeben.

Biotechnologische Produktion von biologisch abbaubaren Thermoplasten, Elastomeren und anderen technisch relevanten Polymeren

Biosynthetische Polymere werden in zunehmender Zahl und Menge eingesetzt und sind aus vielen Bereichen des Alltags nicht mehr wegzudenken. Waren es frueher vorwiegend von hoeheren Lebewesen synthetisierte Polymere, so gewinnen nun von Mikroorganismen synthetisierte Polymere als Werkstoffe sowie als Hilfs- und Nebenstoffe an Bedeutung. Mikroorganismen synthetisieren in vielfaeltiger Form Polymere fuer technische Anwendungen. Die meisten technisch genutzten mikrobiellen Polymere werden heute als Hilfs- und Nebenstoffe eingesetzt, einige auch direkt zu Werkstoffen verarbeitet. Mikrobielle Polymere werden als Rohstoffe zu anderen Werkstoffen oder Hilfs- und Nebenstoffen verarbeitet oder dienen als Ausgangsmittel fuer weitere chemische Synthesen. Der Einsatz von Mikroorganismen bei der biotechnologischen Produktion von Polymeren ermoeglicht haeufig die Nutzung nachwachsender Rohstoffe als Substrate und Kohlenstoffquelle fuer die Produktion wie zB die Nutzung pflanzlicher Photosynthetate, die von der Land- und Forstwirtschaft in grossen Mengen bereitgestellt werden koennen. Die Kenntnis der Biosynthesewege fuer Polymere in Bakterien in Verbund mit der Gentechnik ermoeglicht zudem die Erzeugung transgener Pflanzen, die zur Produktion neuer Polymere anstelle von Bakterien herangezogen werden koennen. 1) Biosynthese von Polyestern: Mikrobielle, aus Hydroxyfettsaeuren aufgebaute Polyester (PHF) machen seit einigen Jahren als neue biologische abbaubare Werkstoffe von sich reden. Neben 3-Hydroxybuttersaeure sind mittlerweile mehr als 100 verschiedene Hydroxyfettsaeuren als Bausteine von PHF bekannt. Seit ca 10 Jahren wird in der Arbeitsgruppe die Biosynthese dieser wasserunloeslichen Polyester untersucht. Als Modellorganismen dienten zunaechst Alcaligenes eutrophus und Pseudomonas aeruginosa; Rhodococcus ruber und zahlreiche anoxygene phototrophe Bakterien wie zB Chromatium vinosum wurden spaeter ebenfalls untersucht. Diese Untersuchungen haben zur Aufklaerung von Biosynthesewegen der PHF und zur Entdeckung neuer Bausteine von PHF sowie zur Klonierung und Ermittlung der Primaerstrukturen des Schluesselenzyms PHF-Synthase aus ca 20 Bakterien beigetragen. Durch Screening nach neuen Wildtypen, durch Verwendung von Mutanten und mit gentechnischen Methoden gelang es, Polyester mit ungewoehnlichen Hydroxyfettsaeuren aus einfachen Kohlenstoffquellen verfuegbar zu machen. In Zusammenarbeit mit Industriepartnern und gefoerdert durch das BMBF und das BML sollen Reststoffe, Kohlen und nachwachsende Rohstoffe fuer die Produktion dieser Polyester erschlossen werden. Ein Biotechnikum mit Bioreaktoren von 1 bis 20 l Nutzvolumen, welches demnaechst durch einen Anbau und einen Bioreaktor von 450 L Nutzvolumen erweitert wird, erlaubt die Herstellung von Polymermustern zur Ermittlung der Materialeigenschaften durch hieran interessierte Kooperationspartner. Ferner kommt der Zusammenarbeit mit Pflanzengenetikern, die Gene fuer PHF Biosynthese aus Bakterien in Pflanzen ...

Flächendeckende Erfassung von Diversitätskriterien zur ökologischen Bewertung von Waldgebieten unter Nutzung räumlicher Informationstechnologien und Fernerkundungsdaten

Ziel dieser Arbeit ist es, ein Verfahren zu entwickeln, welches eine quantitative Erfassung von Diversitätskriterien auf großer Fläche erlaubt. Die Erhaltung der Wälder und ihr Schutz vor Überbenutzung sind von globaler Bedeutung. Auf der Rio-Konferenz der Vereinten Nationen über Umwelt und Entwicklung 1992 war dies ein wichtiger Themenbereich (s. auch 1993 sog. Helsinki-Prozess ). 1994 wurden in Genf sechs Kriterien und 27 Indikatoren politisch verbindlich beschlossen. Erhaltung, Schutz und angemessene Verbesserung der biologischen Diversität in Forstökosystemen stellt eines dieser Kriterien dar. Eine Operationalisierung dieses Indikators ist in unterschiedlicher Form möglich. In vorliegender Arbeit sollen Informationen aus 2-D und 3-D Fernerkundungsdaten (inklusive flugzeuggetragener Daten, wie Luftbild oder Laserscannerdaten) abgeleitet werden. Die Informationen aus Fernerkundungsdaten sollen im Rahmen eines GIS um Karteninformationen und terrestrische Daten ergänzt werden. Aus der flächendeckend vorliegenden 2-D und 3-D Information werden Maßzahlen und Indizes berechnet, die Nachbarschaftsbeziehungen, räumliche Muster und Vielfalt innerhalb und zwischen den ökologischen Bezugseinheiten (alpha und beta-Diversität) sowie des Gesamtlandschaftsausschnittes (gamma-Diversität) quantitativ beschreiben. Die hergeleiteten Diversitätswerte und Diversitätindizes sollen dabei in Bezug zur terrestrischen Ansprache gesetzt werden. Die Nutzbarkeit des entwickelten Modells für die Bewertung von Lebensräumen soll schließlich anhand einer sehr gut untersuchten Zielart überprüft werden. Es ist zu erwarten, dass mit Nutzung der genannten Informationstechnologien eine mehr quantitative Erfassung der Diversitätskriterien, bei höherer Effizienz möglich sein wird. Die Bewertung von Lebensräumen kann damit transparenter und besser nachvollziehbar werden. Des weiteren erlaubt das methodische Vorgehen eine flächige Charakterisierung von Lebensräumen, wie sie für system-analytische Ansätze und die Modellierung von räumlichen und zeitlichen Prozessen notwendig.

Untersuchungen zur züchterischen Verbesserung der Standfestigkeit bei Dinkel

Dinkel zeichnet sich ursprünglich durch einen langen Halm aus, was häufig zu hoher Lageranfälligkeit führte. Der Dinkelanbau wird im Wesentlichen im ökologischen Landbau betrieben, wo der Einsatz von Wachstumsreglern untersagt ist. So ist in der Dinkelzüchtung die Verbesserung der Standfestigkeit das vorrangige Zuchtziel. Die Standfestigkeit lässt sich einerseits durch Einlagerung von rht-(Zwerg-)Genen aus dem Weichweizenbereich verbessern. Die entstehenden kurzstrohigen und stabilen Linien sind jedoch durch höhere Krankheitsanfälligkeit sowie unerwünschte morphologische und qualitative Weizencharakteristica gekennzeichnet. Bei der Evaluierung umfangreicher Genbanksortimente andrerseits wurden standfeste dinkeltypische Genotypen mit längerem Stroh gefunden diese entsprachen jedoch nicht den Ertragserwartungen. Die bisher in umfangreichen Rückkreuzungsprogrammen entwickelten Zuchtstämme kommen dem Zuchtziel eines längeren und standfesten Halms mit typischem Dinkelcharakter näher, jedoch sind Krankheitsresistenz und Ertragspotential noch zu verbessern. Aus dem Programm wurden in Deutschland die Sorten CERALIO und SCHWABENSPELZ zugelassen.

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