Das Projekt "Teilprojekt: Etablierung einer Gene Targeting Technik bei Pflanzen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Botanisches Institut, Molekularbiologie und Biochemie durchgeführt. Das Ziel des hier beschriebenen Vorhabens ist die Etablierung eines Systems zur effizienten sequenzspezifischen Transgen-Integration ('Gene Targeting', GT) ins Pflanzengenom. Trotz vielfältiger Ansätze ist es bis heute nicht gelungen, in Pflanzen eine Technik zu etablieren, mit deren Hilfe durch homologe Rekombination (HR) jedes beliebige Gen effizient modifiziert werden kann bzw. spezifisch Sequenzen an jeder gewollten Stelle im Genom integriert werden können. In verschiedenen Arbeiten an Arabidopsis konnte bisher gezeigt werden, dass die Überexpression von Proteinen aus E. coli bzw. Hefe, welche in die homologe Rekombination involviert sind, zu einem Anstieg der HR und in einem Fall auch zu einer Verbesserung der 'Gene Targeting' - Frequenz führen. Durch unsere bisherigen Arbeiten konnten wir in Pflanzen Homologe von Genen (BRCA1, BARD1 und BRCA2) charakterisieren, die beim Menschen als Brustkrebs- Suppressoren wirken und konnten zeigen, dass ihr Ausfall in Arabidopsis jeweils zu einer starken Reduktion der intrachromosomalen homologen Rekombination in somatischen Zellen führt. Ziel ist es nun, durch Überexpression dieser Proteine - allein oder in Kombination - eine Zunahme der homologen Rekombination über das in Wildtyp-Pflanzen normale Maß hinaus zu erzielen, um damit die Effizienz der sequenzspezifischen homologen Integration von DNA ins Pflanzengenom insoweit zu verbessern, dass diese als Routinetechnik genutzt werden kann.
Das Projekt "GABI-TRI - Biodiversität und funktionelle Genomik von endogenen kleinen RNAs, die durch biotischen und abiotischen Stress in Pflanzen induziert werden (PLASMAR)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungszentrum für Umwelt und Gesundheit, Institut für Bioinformatik durchgeführt. Ziel ist es, die Beteiligung so genannter kleiner RNAs aus Pflanzen bei der Genaktivitätsregulation unter biotischen und abiotischen Stressbedingungen aufzuklären, und die hierfür notwendigen Analysemethoden und -werkzeuge zu entwickeln. Insbesondere soll die Funktion kleiner RNAs und microRNAs auf Genomebene aufgeklärt werden. Ausgangsmaterial sind Bibliotheken kleiner RNAs, die von Arabidopsis und Tomate unter normalen Wachstumsbedingungen und unter Stressbedingungen gewonnen werden. Diese Information dient der Suche von Kandidatengenen zur Regulation durch kleine RNAs, der Entwicklung von Algorithmen zur Detektion von durch kleine RNAs regulierten Genen und der Entwicklung von Algorithmen zur Detektion kleiner RNAs und von stress-induzierbaren Elementen in deren Promoteren. Nach experimenteller Validierung wird ein kleiner RNA microarray entwickelt und zur Untersuchung der Konservierung der kleinen RNAs in anderen Pflanzenspezies benutzt werden. Vergleiche ermöglichen die Identifikation konservierter stressverbundener kleiner RNAs und möglicher spezifischer Adaptionen. Die Information und die Detektionsmethoden werden der wissenschaftlichen Öffentlichkeit bereit gestellt.
Das Projekt "Optimierung der Stickstoffversorgung in Pflanzen und Bakterien" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Hohenheim, Institut für Pflanzenernährung (330) durchgeführt. In den meisten landwirtschaftlichen Systemen ist die Höhe des Feldertrages eng an die Stickstoffdüngung gekoppelt. Im Durchschnitt werden nur 40-50 Prozent des Stickstoffdüngers direkt von den Pflanzen aufgenommen, während der grössere Anteil zu Stickoxiden, flüchtigem Ammoniakgas oder Nitrat umgesetzt wird und teilweise die Umwelt stark belastet. Zusätzlich wird ein Teil des durch die Pflanzen aufgenommenen Stickstoffs in Form von Ammonium und Nitrat wieder abgegeben bzw. verflüchtigt sich aus den Blättern als Ammoniak (Photorespiration). Pflanzensorten mit effizienter Aufnahme, Rückverlagerung und Umsatz von Stickstoff könnten helfen, den Verbrauch an Düngern und damit auch die Umweltbelastung zu verringern. Bekanntermassen bilden Nitrat und Ammonium die Hauptquelle für die Stickstoffversorgung der Pflanzen. Darauf basiert ein Forschungsthema an den Modellpflanzen Arabidopsis und Tomate, das zum Ziel hat, Ammoniumtransportprozesse zu charakterisieren und ihre Beteiligung an einer effizienten Stickstoffausnutzung aufzuklären. Einige der isolierten Ammoniumtransporter aus Arabidopsis und Tomaten zeigen unterschiedliche Substrataffinitäten und Regulationsmechanismen.
Das Projekt "Speicherlipide als alternativer Kohlenstoff-'Sink' in Kartoffelknollen (Solanum tuberosum)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie durchgeführt. Pflanzen verfügen über Speichersubstanzen wie Öl, Stärke und Protein, die in spezifischen Organen wie Samen und Knollen akkumulieren. Es ist bisher nicht bekannt, welche Faktoren für diese unterschiedliche Akkumulation der Speichersubstanzen einzelner Pflanzenarten verantwortlich sind. In diesem Projekt soll am Beispiel der Kartoffel untersucht werden, welche enzymatischen Schritte an der Kontrolle des Einbaus von Kohlenstoff in Stärke bzw. Öl beteiligt sind. Kartoffelknollen speichern große Mengen an Stärke, aber nur eine sehr geringe Menge Öl. Das Vorhandensein einer großen Anzahl transgener Kartoffellinien mit Störungen im Stärke- bzw. Kohlenhydratmetabolismus machen diese Spezies zu einem idealen Studienobjekt für biochemische Untersuchung zur Aufklärung des Flusses von Kohlenstoff in verschiedene Speichersubstanzen. Des weiteren ermöglicht es die geringe Menge an endogenem Lipid, bereits kleine Änderungen im Gehalt an Speicheröl oder dessen Vorstufen sofort zu erkennen. Es sollen daher bereits vorhandene transgene Linien, in denen wir Änderungen des Lipid-Metabolismus erwarten, biochemisch untersucht werden. Darüber hinaus wollen wir neue transgene Kartoffeln, in denen die Aktivitäten der Enzyme der Lipidbiosynthese verändert sind, erzeugen und biochemisch charakterisieren. Insbesondere wollen wir die Diacylglycerol/Acyltransferase aus Arabidopsis in Kartoffeln überexprimieren, um zu untersuchen, ob Triacylglycerol in den Knollen akkumulieren kann. Wir erwarten von der Analyse der bereits existierenden und der noch zu erzeugenden transgenen Linien zu erfahren, welche der untersuchten enzymatischen Schritte bei der Regulation des Kohlenstoffflusses von der Saccharose bis zur Stärke bzw. zum Öl eine Rolle spielen.
Das Projekt "Charakterisierung der Rolle von Mitgliedern der CRT1-Familie in wurzel-induzierter basaler Resistenz, SAR und ISR in Arabidopsis" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Justus-Liebig-Universität Gießen, Institut für Phytopathologie durchgeführt.
Das Projekt "BioEnergie2021: PROBIOPA - Nachhaltige Produktion von BIOmasse mit Kurzumtriebsplantagen der Pappel auf Marginalstandorten" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Sondervermögen Großforschung, Institut für Meteorologie und Klimaforschung - Atmosphärische Umweltforschung (IMK-IFU) durchgeführt. PRO-BIOPA hat zum Ziel, die Biomasseproduktion von Kurzumtriebsplantagen (KUP) der Pappeln auf Marginalstandorten unter Einsatz eines modernen Bewässerungssystems zu optimieren. Hierbei führt PRO-BIOPA auch eine ökonomische und ökologische Bewertung der Biomasseerzeugung durch, bei der der C/N-Spurengasaustausch der Wertschöpfungskette erfasst und das CO2-Einsparungspotenzial quantifiziert wird. Darüber hinaus wird versucht, die Wasser- und Nährstoffausnutzung sowie Emission reaktiver Spurengase von Pappeln über biotechnologische Ansätze hinsichtlich Effizienz und Umweltverträglichkeit zu optimieren. Ergänzt wird dies durch die Identifizierung von molekularen Markern bei Arabidopsis, so dass nach Übertragung des Systemverständnisses auf die Pappel eine Marker-gestützte Optimierung der Wasser- und Nährstoffausnutzung möglich wird. In PRO-BIOPA werden zum einen systembiologische und biotechnologische Ansätze im Labor angewendet, zum anderen werden Freilandversuche in KUP durchgeführt. Da auf Grenzertragsstandorten vor allem Wassermangel die Biomasseproduktion limitiert, wird in einer vergleichenden Studie ein modernes Tröpfchenbewässerungsverfahren getestet. Die Erstellung der ökologischen und ökonomischen Gesamtbilanz, bei der die Auswirkungen der unterschiedlichen Wirkungsmechanismen aggregiert und gewichtet werden, ist Basis für die Beurteilung der Nachhaltigkeit des vorgeschlagenen Nutzungskonzepts hinsichtlich ihres Beitrags für den Klimaschutz. Die Ergebnisse werden in begutachteten Fachjournalen veröffentlicht und auf Kongressen vorgestellt. Die für die Pappel-KUP ermittelten Daten über Wirtschaftlichkeit, Energie-, Nährstoff- und Wasseraufwand in Verbindung mit dem Nachweis der Nachhaltigkeit für den Klimaschutz liefern wichtige Sach-Grundlagen für Entscheidungsträger in Politik und Wirtschaft und erlauben eine konkrete Umsetzung in die Praxis. Sie dienen der FVA Baden-Württemberg oder anderen Einrichtungen als Beratungshilfe für Agrar- und Forstbetriebe.
Das Projekt "Molekulare Biologie und Funktion der cytosolischen Phospholipase A in der pflanzlichen Signaltransduktion" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungsanstalt Geisenheim, Institut für Biologie, Fachgebiet Phytomedizin durchgeführt. Die pflanzlichen Phospholipase A2 wurde im Labor des Antragstellers entdeckt, und ist ein Enzym in der Signaltransduktion der Pflanzen, das die Lipidbruchstücke Fettsäure(n) und Lysophospholipid(e) als potentielle Second Messenger herstellt. Die Schritte zwischen der Bindung von Auxin oder Elicitor an den Rezeptor und den physiologischen Reaktionen sollen aufgeklärt werden. Sequenzen für eindeutig cytosolische pflanzliche Phospholipasen A (iPLA) sind gefunden worden, und zwar offenbar zwei Typen, eine ohne calcium-bindendes Motiv und eine mit einem solchen Motiv, die sich entsprechend im Aktivierungsmechanismu unterscheiden könnten. Um dies mit molekularbiologischen Methoden zu untersuchen, sollen als Funktionstests eine Serie von Hefe-Komplementationen mit in vitro mutierten iPLA-Genen durchgeführt werden. Parallel dazu sollen die enzymatischen Eigenschaften der entsprechenden iPLAs aus Expressions- systemen untersucht werden. Mit Transformation von Arabidopsis mittels Sense- und Antisense-, Grün-Fluoreszenz-Protein- und GUS-Reporter-Gen-Konstrukten und der Untersuchung von Genexpression und Phänotypen soll die Funktion der iPLA-Gene weiter nachgeprüft werden. Hand in Hand mit den molekularbiologisch orientierten Methoden soll die Biochemie und Physiologie der Lipid-Metabolite, die im Zuge der Signaltransduktion gebildet werden, untersucht werden. Dabei ist jetzt schon klar, daß der Lipid-Metabolismus, den wir mithilfe einer neuen Methodik in Zellkulturzellen (Petersilie) beobachten können, nach dem Signal Auxin anders verläuft als nach dem Signal Elicitor. Bei Elicitor-Behandlung treten zusätzliche Metabolite auf, die untersucht werden sollen bzw. die dahinter steckenden enzymatischen Regulationen. Es ist durch die Arbeit anderer Arbeitsgruppen bekannt, daß sich nach Elicitor-Stimulierung das cytosolische Calcium erhöht. Wir vermuten, daß einerseits die verschiedenen Rezeptoren die Verschiedenheit im Lipid-Metabolismus bewirken, aber auch, daß nach Auxin Stimulierung das cytosolische Calcium nicht erhöht wird.In den molekularbiologischen Arbeiten kooperieren wir mit Prof. M. Sussmann (Madison, USA) und Alan Jones (Chapel Hill, NC, USA), in den biochemischen mit Prof. A. Pugin (Dijon, Frankreich).
Das Projekt "Molekulargenetische Analyse der Eisenassimilation in Pflanzen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität des Saarlandes, Fachrichtung 8.3 - Biowissenschaften, Professur für Pflanzenbiologie durchgeführt. Das fer Gen der Tomate reguliert die Eisenmobilisierung in der Wurzel. fer kodiert voraussichtlich für einen Transkriptionsfaktor des Typs bHLH. Zu den Zielgenen des fer-regulierten Wegs gehören nramp-ähnliche Eisentransportergene aus der Tomate, die in Wurzeln von fer Mutanten im Gegensatz zu Wildtypwurzeln nicht exprimiert werden. Ziel des hier vorgeschlagenen molekulargenetischen Projektes ist es, ein Netzwerk von Genfunktionen zur Kontrolle der Eisenaufnahme basierend auf der Interaktion zwischen fer und nramp Genen zu definieren. Dazu sollen die Aktivierung und Wirkungsweisen der fer und nramp Gene sowie deren Genprodukte in Abhängigkeit vom Eisenhaushalt untersucht werden. Ferner soll analysiert werden, inwiefern die fer Funktion in Arabidopsis konserviert ist. Das genetische Modellsystem Arabidopsis soll zur Identifizierung neuer Gene der Eisenassimilation herangezogen werden.
Das Projekt "Priming of heat and drought tolerance in potato" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universite de Neuchatel, Institut de Biologie durchgeführt. Treatment with necrotizing pathogens, colonization of roots with beneficial microorganisms or treatment of plants with various natural and synthetic compounds enhance the capacity of plants activating defense responses to biotic and abiotic stress - a process called priming. Priming has the advantage to have only a minor impact on the fitness of the plants compared to direct induction of a protected state and does therefore not significantly affect yield and other agricultural parameters. The priming process will be analysed in potato and compared to that found in the model plant Arabidopsis. Effects of priming on heat and drought tolerance of the plant as well as on tuberization, yield and quality of tubers will be investigated. A simple in vitro system will be developed to test the priming of heat and drought tolerance in potato by natural or synthetic compounds. The test system can be utilised in development of a new generation of bio-fertilizers that can enhance heat and drought tolerance of potato and increase the profitability of potato production in the Eastern European region.
Das Projekt "Untersuchungen zur Klärung der Funktion der ELIP's bei höheren Pflanzen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Hannover, Institut für Botanik durchgeführt. Dem Antrag liegt die Hypothese zugrunde, wonach ELIPs Xanthophyll-bindende Proteine sind, die der Abstrahlung überschüssiger und gefährlicher Lichtenergie dienen. Diese These soll geprüft werden, indem ELIP-mRNA-Sequenzen in Antisenseorientierung in Lutein-freie Tomatenpflanzen integriert werden. Diese Pflanzen sollten empfindlich gegen hohe Lichtflüsse sein. Zusätzlich wird die Expression der ELIPs auf mRNA- und Proteinebene untersucht. Dazu sollen Antikörper gegen den Aminoterminus der ELIPs gewonnen und die ELIP-Expression im Wildtyp, in transgenen Pflanzen, und in deren Fruchtentwicklung untersucht werden. Der zweite Teil des Antrages ist der Beantwortung der Frage gewidmet, in welchen Zelltypen von C4-Pflanzen (Bündelscheiden oder Mesophyll) ELIPs exprimiert werden. Diese Frage soll mit Methoden der Immunbiologie auf mikroskopischer Ebene analysiert werden. Mit Antikörpern gegen phosphorylierte Aminosäuren wird geprüft, welchen Einfluss Proteinkinasen auf die Integration und Stabilität von ELIPs besitzen. Zusätzlich werden nqp-Mutanten von Ararbidopsis auf die Expression von ELIPs untersucht. Die Vorhaben werden in Zusammenarbeit mit ausländischen Gruppen durchgeführt.
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