Forschungsprojekte

Schwefeldioxid (SO₂) ist ein Umweltgas, welches einerseits natürliche Ursprünge wie Vulkanausbrüche oder heiße Quellen haben kann, andererseits aber ebenfalls durch den Menschen erzeugt wird (Verbrennung fossiler Brennstoffe). SO₂ erreicht das Zellinnere als Sulfit und bringt den Schwefelmetabolismus der Pflanzen aus dem Gleichgewicht bzw. führt im schlimmsten Fall zum Tod der gesamten Pflanze. Alle Pflanzen haben während der Evolution Schutzmechanismen entwickelt, um der toxischen Wirkung des SO₂ zu entgehen.

(1) Untersuchungen an Modellorganismen im Labor

Die Untersuchung der SO erfolgt in Kooperation mit der Freiburger Gruppe von Prof. Rennenberg (Universität Freiburg) und den dort durchgeführten SO₂-Begasungsexperimenten. Neben Erkenntnissen bezüglich der Enzyme des Schwefelmetabolismus wollen wir Aussagen über eine mögliche Regulation und Anpassung der SO-Aktivität erhalten. Dazu verwenden wir Arabidopsis thaliana und Pappel Wildtyp-Pflanzen, sowie SO knock out- und SO-überexprimierende Mutanten. Während Wildtyp-Pflanzen eine SO₂-Begasung im Bereich von 1 ppm noch gut verkraften, sterben knock-out Mutanten innerhalb weniger Tage ab. In unseren Untersuchungen setzen wir dabei sowohl zellbiologische (Lokalisierung), biochemische (Enzymaktivitäten, Metabolom-Analysen), pflanzenphysiologische (Photosynthese-Messung) und molekularbiologische (Klonierung, Transkriptom-Untersuchungen) Arbeitstechniken ein, die z.T. auch rein Computer-basiert sein können.

(2) Freilandversuche

Der normale SO₂-Gehalt der Außenluft schwankt in Mitteleuropa um Werte zwischen ein und drei ppb SO₂. Wie sieht es mit Pflanzen aus, die in der Nähe von Vulkanen oder heißen Quellen wachsen und auch überleben: Haben diese Arten spezielle und vielleicht sogar dauerhafte Mechanismen zur Anpassung an den hohen SO₂-Gehalt der Luft entwickelt? Zur Klärung dieser Frage haben wir Feldversuche in Island, auf den Liparischen Inseln (insbesondere auf Vulcano) in der Nähe heißer Quellen bzw. aktiver Sulfataren durchgeführt. Zusätzlich sind wir in den letzten Jahren in den Bereichen von Waldbränden (z.B. Meppen und Lübtheen) zur Probennahme unterwegs gewesen. Diese Proben haben wir dann im Labor in Bezug auf Stressreaktion und Schwefelmetabolismus eingehend untersucht.

Derzeitiger Erkenntnisstand

Unsere Untersuchungen belegen, dass Pflanzen eine Vielzahl von Anpassungen an hohe SO₂-Konzentrationen entwickelt haben. Eine wichtige Rolle spielen dabei: (1) schnelles Schließen der Spaltöffnungen, (2) erste Entgiftung von Sulfit über eine apoplastische Peroxidase, (3) die Sulfitoxidase selbst, und (4) die weitere Verwertung des Sulfites durch Anpassung der gesamten Sulfatassimilation.

In der Zellbiologie wird es auf Grund der zunehmenden Zahl von entdeckten Stoffwechselwegen und den daran beteiligten Proteinen immer wichtiger, die interaktiven Netzwerke zwischen den Einzelkomponenten zu analysieren und zu verstehen. Nur mit Hilfe von komplexen Netzwerkmodellen wird es in Zukunft möglich sein, die regulatorischen Prozesse innerhalb von Zellen ergründen und manipulieren zu können. Diese Netzwerkstudien bilden die Grundlage, um in Zukunft systembiologische Fragestellungen beantworten zu können.

Zu diesem Zweck führt unsere Arbeitsgruppe in vivo Lokalisierungs- und Interaktionsstudien in pflanzlichen Systemen durch. In unserem Forschungsgebiet rund um den Molybdänstoffwechsel haben wir in den letzten Jahren bereits viele Proteine lokalisieren können. Außerdem wurde vor kurzem ein Komplex aus Moco-Biosynthese Enzymen identifiziert sowie deren Interaktionsstärken zueinander quantifiziert (Kaufholdt et al., 2013). Aktuell interessieren uns besonders die Molybdat-Transporter in ihrer Funktion und der Interaktion mit den Proteinen der Moco-Biosynthese. Hierzu arbeiten wir in der Graduiertenschule Procompas aktiv mit

Verschiedene Methoden stehen uns zur Verfügung, um weitere wichtige Erkenntnisse auf dem Weg zu einer vollständigen Interaktionsmatrix. Für die Lokalisierung nutzen wir mit Fluoreszenzproteinen fusionierte Proteinkonstrukte, die wir anschließend in vivo am konfokalen Laserscanning-Mikroskop in den verschiedenen Kompartimenten der Zellen nachweisen. Bimolekulare Fluorescence Complementation sowie Floated Leaf Luciferase Complementation Imaging sind Split-Protein-Assays, mit denen wir Interaktionen und deren Interaktionsstärken in vivo bestimmen können. Die Transformation von Pflanzenmaterial erfolgt bei diesen Methoden entweder über Agrobacterium tumefaciens Infiltration durch die Stomata oder durch ballistischen Gentransfer mit unserer Partikelkanone. 

Link: http://www.ifp.tu-bs.de/mendel/index.php/procompas

Das Verbundprojekt DeMoVit der TU Braunschweig, der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, dem Helmholtz-Zentrum München, der Forstlichen Versuchs- und Forschungsanstalt Baden-Württemberg sowie der Hochschule für nachhaltige Entwicklung Eberswalde ist ein Forschungsvorhaben, gefördert durch den Waldklimafonds. Ziel des Projektes ist es, verschiedene pflanzliche Defensine als molekulare Fitnessmarker in ausgewählten Laubbaumarten zu identifizieren und diese für ein einfach handhabbares Nachweissystem auf Antikörperbasis nutzbar zu machen.

Rotbuche (Fagus sylvatica) und Traubeneiche (Quercus petraea) sind die am häufigsten vorkommenden Laubbaumarten in Deutschland mit einer großen ökologischen und zentralen waldwirtschaftlichen Bedeutung. Jedoch führt der Klimawandel zu regional veränderten Lebensbedingungen in den Wäldern. Daher sind praktikable und präzise Methoden zur Früherkennung veränderter abiotischer und biotischer Stresssituationen notwendig.

Pflanzliche Defensine stellen eine große Gruppe von kurzen Peptiden dar. Sie spielen in Pflanzen eine zentrale Rolle bei der Abwehr von verschiedenen Formen von abiotischem und biotischem Stress. Unterschiedliche Defensine sind unter verschiedenen Umweltfaktoren teils hochspezifisch reguliert. Die Expression dieser pflanzlichen Defensinen soll unter den problematischen Stressbedingungen Trockenheit, Staunässe, Pathogenbefall (u.a. Phytophthora-Befall an Buchen, Abbildung) und Herbivorie (u.a. Schwammspinner-Befall an Buchen & Eichen, Abbildung) für beide Baumarten sowohl auf RNA- als auch auf Proteinebene untersucht werden.

Die Teilprojekte von DeMoVit zeichnen dabei für unterschiedliche Projektstränge verantwortlich. Dies beinhaltet die Erzeugung der Pflanzenproben in gemeinsamen Klimakammerversuchen und Freilandbeständen, Transskriptom-, Proteom- bzw. Metabolom-Analysen und die Erzeugung hochspezifischer Antikörper gegen die identifizierten spezifischen Defensine. Dabei wird die an der TU Braunschweig etablierte Technik des Phagen-Display des Instituts für Biochemie, Biotechnology und Bioinformatik genutzt. Die tierversuchsfrei rekombinant hergestellten Antikörper werden anschließend im Institut für Pflanzenbiologie eingesetzt um die spezifischen Defensine in diversem Pflanzenmaterial von Eichen und Buchen in Immuno-Blot- sowie ELISA-Analysen qualitativ und quantitativ zu bestimmen. Im Erfolgsfall entwickeln und etablieren beide Institute ein Teststreifen-System, das zum Monitoring von Defensinen im Waldbestand genutzt werden kann. Damit soll das bisher vorherrschende rein visuelle Monitoring abgelöst bzw. ergänzt werden, da es frühzeitigere, objektivere und spezifischere Aussagen erlaubt.

Links:

Waldklimafonds: https://www.waldklimafonds.de/projekte/

Helmholtz Zentrum München: https://www.helmholtz-muenchen.de/eus/research/phenomics/ble-wkf-defensins/index.html

HNEE: https://hnee.de/de/Fachbereiche/

Uni Freiburg: http://www.ctp.uni-freiburg.de/

FVA Freiburg: http://www.fva-bw.de/

• Mitarbeit im Centrum für Molekulare Ecophysiologie (CMEP) an der South-West-University (Chongqing, VR China), Department of Resources and Environment, seit 2019
• Koordinator und Projektantragsteller (Teilprojekt 1) des Verbundprojektes DeMoVit (mit vier plus zwei Arbeitsgruppen) im Rahmen des Waldklimafonds (WKF) unter gemeinsa­mer Federführung des Bundes­landwirtschafts- (BMEL) und des Bundesumwelt­ministeriums (BMUB) seit 2018
• Projektantragsteller (Teilprojekt 2) des DFG-geförderten Graduiertencolleges „Procompas“ unter der Leitung von Prof. Mendel seit 2016
• DFG-Einzelantrag „Das physiologische Netzwerk zur Regulation der Sulfit-Entgiftung in Pflanzen“ (Ha3107/5-1), 2013 bis 2018, Antragsteller für Erstantrag in Kooperation mit Prof. Rennenberg
• DFG-Einzelantrag „Novel links of molybdenum metabolism to other metabolic pathways“ (Me1266/31-1), 2012 bis 2015, Koantragsteller Erstantrag
• DFG-Einzelantrag „Physiological role of sulfite oxidase in plants“ (Ha3107/4-1 bis 4-3), seit 2008, Antragsteller für Erstantrag in Kooperation mit Prof. Rennenberg
• DFG-Forschergruppe „FOR496 - Pappel“ (Ha3107/3-1 bis 3-3), 2003 bis 2010, Antragsteller für Erst- und Fortsetzungsantrag
• DFG-Forschergruppe „FOR383 - Schwefel“ (Me1266/13-1 bis 13-4), 2000 bis 2007, Koantragsteller Erst- und Fortsetzungsantrag
• DFG-Einzelantrag „Mikrokompartimentierung der Molybdäncofaktor-Biosynthese und Verteilung des gebildeten Cofaktors“ (Me1266/14-1 bis 14-4), 2000 bis 2010, Koantragsteller für Erst- und Fortsetzungsantrag
• Mitarbeit im DFG-Schwerpunktprogramm „Wachstum unter erhöhter CO₂-Konzentration“ (Me1266/4-1 bis 4-4), 1998 bis 2001