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.
Bei der Einwirkung toxischer Fremdstoffe auf Zellen und Organe ist Glutathion haeufig in Redox- und Alkylierungsreaktionen beteiligt, und zwar im wesentlichen im Sinne einer Detoxikation. Die damit einhergehende Verminderung der Verfuegbarkeit von Glutathion kann derart ausgepraegt sein, dass man quasi von einer biochemischen Primaerlaesion sprechen kann. Inwieweit die Beteiligung von Glutathion selber zum Zustandekommen toxischer Symptome fuehrt, ist noch offen. Die Frage nach der Bedeutung von Glutathion fuer den Zellstoffwechsel ist noch nicht vollstaendig geklaert. Die experimentellen Moeglichkeiten, die Glutathionspiegel durch Angebot von Substraten fuer die Glutathion-S-Transferasen zu variieren und sodann die Folgeprozesse zu untersuchen, sollen an der isoliert perfundierten Leber sowie an isolierten Hepatozyten der Ratte mit der zur Verfuegung stehenden Analytik der Organspektrophotometrie und der Metabolitanalytik genutzt werden. Zweitenssoll die Frage nach der H2O2-Bildung bei Fremdstoffumsatz am mikrosomalen System des Cytochroms P-450 in der intakten Zelle geklaert werden. Als Indikator wird der vom Antragsteller beschriebene Efflux von Glutathiondisulfid bei Hydroperoxydumsatz verwendet. Dieser Teil des Projekts beschaeftigt sich somit mit den toxischen Sauerstoffmetaboliten bei Fremdstoffumsatz.
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
In Zusammenarbeit mit dem Institut für Pharmazie (Prof. Eger) wird der Wirkmechanismus verschiedener Michael-Addukte der Ascorbinsäure auf den Photosyntheseapparat untersucht. Der Wirkmechanismus konnte identifiziert werden. Das Ascorbinsäureaddukt zerstört die für die Zellfunktion entscheidenden Reduktionsäquivalente, so dass die Zellen kein ATP mehr bilden können. Die Arbeit wird nach Aufklärung der zellinternenen chemischer Umsetzungsreaktion mit den Reduktionsäquivalenten zur Publikation vorbereitet.
Phosphor wird auf verschiedensten Skalen rezykliert: Diese reichen von der Ökosystemebene über Kreisläufe innerhalb der mikrobiellen Gemeinschaft bis hin zu Kreisläufen innerhalb von Einzelorganismen. Ziel des Projektes ist es, mikrobielle P-Umsatzmodelle auf der Organismenebene und auf der Ebene mikrobieller Gemeinschaften zu unterscheiden. Es wird davon ausgegangen, dass P-Kreisläufe auf der Organismenebene überwiegend zur Aufrechterhaltung (Maintenance) der eigenen Zellfunktionen erfolgen. Dagegen umfassen P-Kreisläufe auf der Ebene mikrobieller Gemeinschaften i) die P-Freisetzung durch Absterben und Zelllyse mit anschließendem ii) mikrobiellem Wachstum und P-Aufnahme. Unserem Vorhaben liegen folgende Hypothesen zugrunde: 1) Erfogen P-Umsätze überwiegend aufgrund von Zelltod und Wachstum, so sind diese wesentlich schneller als Kreisläufe zur Aufrechterhaltung der Zellfunktion. 2) In P-reichen Böden (akquirierenden Ökosystemen) erfolgt mikrobieller P-Umsatz schneller und vor allem durch Zelltod und Wachstum, während in P-armen Böden (rezyklierenden Ökosystemen) P-Umsatz überwiegend zur Aufrechterhaltung und langsamer erfolgt, da die eingeschränkte P-Verfügbarkeit eine effizientere Ressourcennutzung fordert. 3) Eine hohe C- und N-Verfügbarkeit stimuliert P-Umsatz vor allem in Folge von Zelltod und Wachstum, 4) was in bakteriellen Gemeinschaften schneller als in pilzlichen erfolgt.Fünf unabhängige Ansätze ermöglichen die Untersuchung und Unterscheidung von P-Umsätzen auf Organismen- und Gemeinschaftsebene: 1) Unterschiedlicher Einbau von 33P, 14C und 13C in Phospholipide , 2) Unterschiedlicher Einbau von 33P und 14C in DNA, 3) ATP-Gehalt und Adenylat-Energie-Ladung, 4) Modifikation der CO2-Freisetzung durch P-Applikation und 5) Wärmeabgabe (Kalorimetrie) des Bodens. Zudem wird ein neuer präperativer Ansatz entwickelt, um den 33P-, 14C- und 13C-Einbau in Phospholipide individueller Mikrobengruppen zu analysieren. Die Hypothesen werden an Böden getestet, die sich hinsichtlich ihres P-Gehaltes (Luess vs. Bad Brückenau) und ihrer P-Speziierung (Mittelfels vs. Achenpass) unterscheiden. Hierfür werden Mikrokosmen- und Feldexperimente durchgeführt. Aus der Dynamik von Einbau und Freisetzung von 33P und 14C in spezifische Mikrobengruppen lassen sich P-Umsätze infolge von Zelllyse und Wachstum von solchen zur Aufrechterhaltung in akquirierenden und rezyklierenden Ökosystemen unterscheiden und abschätzen. In Kooperation werden Mikrokosmen- und Feldexperimente durchgeführt um den Einfluss der C-Freisetzung in die Rhizosphäre bei variabler P-Verteilung auf die P-Rezyklierung zu untersuchen. Der Effekt von P- und N-Addition auf mikrobielle P-Kreisläufe wird in einem faktoriellen NxP-Düngungsversuch unter Freilandbedingungen analysiert.Diese Untersuchungen werden neue Wege zur Unterscheidung der P- und Nährstoffkreisläufe zwischen Gemeinschafts- und Organismusebene weisen und den Beitrag von Tod/Wachstum vs. Aufrechterhaltung in Ökosystemen bestimmen.
Der mikrobielle Abbau Kohlenwasserstoffen findet hauptsächlich am Rand von Schadstofffahnen im Grundwasser statt. Dementsprechend kommt es in diesen Hot-Spots auch zu einem erhöhten Biomassewachstum und erhöhtem Nähstoffverbrauch (P, N). In diesem Projekt wollen wir untersuchen inwiefern mikrobielle Gemeinschaften eine potentielle Limitierung von P und N durch ein Nährstoffrecycling von toter Biomasse (Nekromasse) kompensieren können. Wir werden quantifizieren, inwiefern der Subsurface Microbial Loop zu einem höheren Abbau von Kohlenwasserstoffen führt. Da durch den Abbau von Nekromasse viele verschiedene Stoffe freigesetzt werden, untersuchen wir auch, ob es dadurch zu einer Erhöhung der Biodiversität von Mikroorganismen kommt. Um den Subsurface Microbial Loop und den Anteil der involvierten Mikroorganismen an der Gesamtbiomasse quantifizieren zu können, entwickeln wir eine neue Hochdurchsatzmethode um aktivitäts- und funktionsbasiert Zellen sortieren zu können. Durch die Kopplung von Raman-Mikroskopie mit Microfluidic wird die Funktion von Zellen aufgrund ihrer Inkorporation von stabilen Isotopen identifiziert und quantifiziert. Die Zellen werden dann mit der Microfluidic sortiert und einer molekularen Analyse zur phylogenetischen Identifizierung zugeführt.
Das Netzwerk 'Membran-Aufbau' hat zum Ziel, die Abhängigkeit der Lipidkomposition biologischer Membranen von der Verfügbarkeit langkettiger, mehrfach ungesättigter Fettsäuren aus der Nahrung zu ergründen und die immunologische Bedeutung dieser Modulierbarkeit zu beleuchten. Hierzu werden folgende Fragestellungen durch das Netzwerk untersucht: I.) Werden ungesättigte Fettsäuren bevorzugt in bestimmte Phospholipidklassen eingebaut? II.) Bestehen Unterschiede im Einbau von ungesättigten Fettsäuren zwischen verschiedenen Membrandomänen? III.) Welche Auswirkungen hat der Einbau ungesättigter Fettsäuren auf Membran-vermittelte Prozesse in vitro und in vivo? Das Netzwerk konzentriert sich hierbei auf die Untersuchung von Immunzellen. Auf diese Weise soll die Beeinflussbarkeit der Immunabwehr durch Nahrungslipide transparent gemacht und die Relevanz für die tierische/menschliche Gesundheit analysiert werden. Die Ergebnisse des Netzwerkes sollen in einer breiten Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden. Hierzu werden zum Ende des Antragzeitraumes die gewonnenen Erkenntnisse in einem Symposium präsentiert. Zudem erfolgt die Dokumentation der Ergebnisse in Form eines Sammelbandes.
Viele polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe sind krebserregend. Einige dieser kanzerogenen Kohlenwasserstoffe sind in unserer Umwelt allgegenwaertig, z.B. Benzpyren. Der Wirkungsmechanismus dieser Kohlenwasserstoffe im Organismus ist noch nicht vollstaendig aufgeklaert. Hier wird versucht, durch mikroskop-fluoreszenz-spektralphotometrische Messungen an lebenden Zellen Information ueber die Verteilung des Kohlenwasserstoffs und bestimmter Abbauprodukte innerhalb der Zelle zu erhalten.
Ziel des Forschungsvorhabens ist es, den zellulaeren Transport ausgewaehlter alimentaerer Cancerogene und Mutagene in den Epithelien von Duenndarm und Niere sowie in Hepatocyten zu charakterisieren. Diese Zellen sind entscheidende Stellglieder in der Regulation der Xenobiotikabelastung des Koerpers, wobei sie aufgrund ihrer Funktionen auch einer besonders hohen Fremdstoffbelastung ausgesetzt sind. Diese wuerde zwangsweise zu mutagenen Veraenderungen und zu Transformationen fuehren, wenn nicht spezifische Exportmechanismen zur Absenkung der zellulaeren Konzentration von Wirkstoffen vorhanden waeren. Insbesondere das 'Multidrug-resistence Gene- Product'(MDR-1 oder gp-170), welches in der luminalen Membran von Enterocyten und Tubuluszellen, sowie der canaliculaeren Membran von Hepatocyten nachgewiesen wurde, scheint dafuer verantwortlich zu sein. Das MDR-1 Genprodukt ist eine ATP-abhaengige Exportpumpe, die u. a. eine Reihe von antineoplastischen Pharmaka transportiert. Inwieweit gp-170 auch Xenobiotika dietaetischen Ursprungs als 'natuerliche' Substrate transportiert, ist nicht geklaert. Dies soll als Schwerpunkt im Rahmen des Vorhabens geprueft werden. Darueber hinaus soll ein Testsystem entwickelt und etabliert werden, das es erlaubt, die Wirkung von Xenobiotika auf Ionenkanaele und damit die normale Transportfunktion der biologischen Membran zu untersuchen. Das Forschungsvorhaben ist in folgende Teilprojekte mit spezifischen Fragestellungen untergliedert: a) Was sind die Mechanismen, mit denen alimentaere Xenobiotika in Enterocyten, Tubuluszellen und Hepatocyten aufgenommen werden? b) Ist das MDR-1 Genprodukt(gp-170) als ATP- abhaengige Effluxpumpe fuer den Ruecktransport der aufgenommenen Fremdstoffe aus den Zellen in das Lumen verantwortlich? c) Inwieweit wird gp-170 nach Verabreichung alimentaerer Carcinogene und Mutagene in Epithelzellen und Hepatocyten ueberexprimiert und fuehrt dies zu einer erhoehten Transportleistung fuer den ATP-abhaengigen Efflux der Fremdstoffe aus den Zellen? d) Inwieweit sind die an isolierten Membranen gewonnenen Erkenntnisse auf dieser Ebene der Reintegration als zentrales Stellglied in der Fremdstoffhomoeostase identifiziert werden? e) In welchem Umfang und wie beeinfussen Xenobiotika den Ionentransport an biologischen Membranen und kann diese Wirkung als Indikator fuer die Cytotoxizitaet eines Fremdstoffes genutzt werden?
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