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Wozu bauen Coccolithophoriden eine Kalkschale? Dient sie zum Schutz gegen Fressfeinde und Pathogene?

Coccolithophoriden sind eine Gruppe von ca. 200-300 marinen Phytoplanktonarten, die in allen Weltmeeren vorkommt. Sie besitzen die besondere Fähigkeit eine Kalkschale (Coccosphäre) zu bauen, die sie aus vielen kleinen Kalkplättchen (Coccolithen) zusammensetzen. Aufgrund ihrer Fähigkeit zu kalzifizieren sind sie ein wichtiger Bestandteil im Klimasystem, denn die Produktion von Kalk nahe der Meeresoberfläche führt zu einem vertikalen Gradienten der Seewasseralkalinität, beschleunigt den Kohlenstoffexport in die Tiefsee und erhöht die Rückstrahlung von einfallender Sonnenenergie von der Erdoberfläche ins Weltall. Trotz intensiver Forschung an der Physiologie der Kalzifizierung und dessen biogeochemischer Relevanz konnten wir eine der entscheidenden Fragen immer noch nicht beantworten: Wozu bauen Coccolithophoriden eine Kalkschale? Die Beantwortung dieser Frage ist von außerordentlicher Bedeutung, denn solange wir nicht wissen wozu die Kalkschale dient können wir auch nicht vorraussagen in welchem Maße sich die durch die Ozeanversauerung zu erwartende Abnhame in der Kalzifizierung negativ auf die Fitness dieser Lebewesen in ihrem natürlichen Lebensraum auswirkt. In dem hier vorgestellten Projekt möchten wir die Frage nach der Bedeutung der Kalzifizierung erforschen, indem wir untersuchen ob die Coccosphäre einen Schutz gegen planktonische Räuber, Bakterien und Viren darstellt. Dazu haben wir eigens einen experimentellen Ansatz entwickelt wobei kalzifizierte und dekalzifizierte Coccolithophoridentzellen zusammen mit deren Fressfeinden und Pathogenen kultiviert werden. Dieser Ansatz erlaubt es uns folgende Fragestellungen zu untersuchen: 1) Sind kalzifizierte Zellen besser in der Lage sich gegen Fraß und Infektion zu schützen als Zellen ohne Coccosphäre? 2) Bevorzugen Fressfeinde und Pathogene solche Zellen, bei denen die Coccosphäre entfernt wurde, wenn ihnen beides angeboten wird? 3) Sind Wachstum und Reproduktion von Fressfeinden und Pathogenen verlangsamt, wenn sie kalzifizierte Zellen fressen oder infizieren?

Befallsmechanismen des hyperparasitischen Pilzes Fusarium oxysporum f.sp. orthoceras gegenüber Orobanche cumana, einem parasitischen Unkraut der Sonnenblume

Einleitung: Die Sommerwurzgewächse (Orobanchaceae) sind parasitische Blütenpflanzen, die sich über ein Kontaktorgan (Haustorium) an die Wurzel der Wirtspflanze anhaften und von ihr Wasser, Nährstoffe und Assimilate aufnehmen. Zu den Wirtspflanzen einiger Orobanche-Arten zählen auch wichtige Nutzpflanzen, wie etwa Bohnen, Sonnenblumen oder Tabak. Je nach Befallsintensität kann es zu signifikanten Ertragsminderungen oder sogar zu kompletten Ertragsverlusten kommen. Insbesondere im Mittelmeergebiet, Asien und Nordafrika steigt die Bedrohung der Nutzpflanzenproduktion durch Orobanche stetig an. Die Kontrolle von Orobanche mit Hilfe von Herbiziden ist teuer, schwierig handhabbar und nicht ausreichend effektiv. Resistenzzüchtungen der Nutzpflanzen werden aufgrund des Vorkommens verschiedenster Orobanche-Rassen (mit verschiedenen Pathogenitätsfaktoren) schnell durchbrochen. Leider fehlen bislang ausreichende Informationen zur Interaktion von Orobanche mit den jeweiligen Wirten. Anhand derartiger grundlegender Erkenntnisse könnten alternative oder verbesserte Kontrollmaßnahmen entwickelt werden. Stärkung der Resistenz der Nutzpflanzen (induzierte Resistenz) oder die Verwendung Orobanche-spezifischer Antagonisten (wie etwa des Hyperparasiten F. oxysporum f.sp. orthoceras) als biologisches Kontrollagens stellen wirksame Möglichkeiten der Kontrolle des Pathogens dar. Ziele: Als Modell zum Verständnis der Interaktion der Sommerwurz mit seinen Wirten wird die Assoziation von Orobanche cumana Wallr. und der Sonnenblume (Helianthus annuus L.) verwendet. Die Ziele des Projektes sind: - grundlegender Erkenntniszuwachs zur Interaktion von O. cumana und H. annuus. - Wirkungsweise des Hyperparasiten F. oxysporum f.sp. orthoceras auf seinen Wirt O. cumana (Biochemie, Histologie), - Auswirkung von Pflanzenstärkungsmitteln als Resistenzaktivatoren der Sonnenblume auf den Befall mit O. cumana.

Pruefung biochemischer Vorgaenge am Reticulo-Endothelial-System mit Radioisotopen zur Klaerung autoimmunologischer Vorgaenge bzw. der Metastasierung boesartiger Tumorzellen

Im Institut fuer Medizin (IME) wurde ein 3-Compartmentmodell der Phagozytose eines 99m-Tc-markierten Testcolloids in v. Kupfferschen Sternzellen der Leber des Menschen entwickelt. Durch Compartmentanalyse koennen die entsprechenden Uebergangsraten sowie der Zeitverlauf der Phagozytose beim Menschen in vivo bestimmt werden. Es werden Patienten mit metastasierenden Tumoren und Erkrankungen, an denen das Immunsystem beteiligt ist, untersucht.

Untersuchungen ueber den Einfluss wassergefaehrdender Stoffe auf die Photosynthese von Algen

Die Beeintraechtigung der Photosynthese der Gruenalge Haematococcus pluraialis durch wassergefaehrdende Stoffe wird durch manometrische Bestimmung der Sauerstoffbruttoproduktion getestet.

Nuklearmedizinische Entwicklung

Im Institut fuer Medizin (IME) erfolgt die Untersuchung des Verhaltens von Spurenelementkonzentrationen in menschlichen Koerperfluessigkeiten in Antwort auf unterschiedliche Belastungen (koerperliche Arbeit, Ernaehrung, Medikamente) unter besonderer Beruecksichtigung spezieller Organleistungen wie z.B. Bauchspeicheldruese, zur Verbesserung der klinischen Diagnostik. - Messung der genetisch bedingten und umweltbedingten Spurenelementkonzentrationsaenderungen in Saeugetierorganen und Korrelation zu verschiedenen Erkrankungen.

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.

Die Wirkung von Umweltstress auf Zellwandreaktionen Hoeherer Pflanzen: Schwermetalltoxizitaet und Salinitaet

Der Extrazellularraum (Apoplast) der hoeheren Pflanze ist fuer das Wachstum und die Anpassung an Umweltbedingungen von zentraler Bedeutung. Stressoren wie Schwermetalle, erhoehter Salzgehalt des Bodens oder Luftschadstoffe fuehren zu Stoerungen in der Biochemie des Apoplasten und induzieren Anpassungsreaktionen, die wiederum das Wachstum hemmen oder unter den Stressbedingungen foerdern koennen. Die bisherigen Untersuchungen zeigen, dass die verschiedenen Umweltstressoren im Apoplasten aehnliche Reaktionen induzieren, die molekularbiologisch und biochemisch detailliert untersucht werden muessen, um das Wachstum und Ueberleben von Pflanzen unter Stressbedingungen zu verstehen.

Die systemisch erworbene Resistenz bei Pflanzen - ein - omics Ansatz zur Pathogenantwort

Ziel dieses Projekts ist es, Signalkomponenten der systemisch erworbenen Resistenz (SAR) in Arabidopsis thaliana und einer Mutante, eds1, welche nicht mehr in der Lage ist, SAR Signale zu produzieren oder zu transportieren, zu identifizieren. EDS1 abhängige Peptide, Lipide und polare niedermolekulare Stoffe werden mit massenspektrometrischen Methoden identifiziert. Danach wird in verschiedenen (Nutz)Pflanzen untersucht, ob die so identifizierten möglichen SAR Komponenten Resistenz gegen Krankheitserreger auslösen. Des Weiteren wird der Einfluss von SAR Signalen auf Prozesse wie z.B. Trockenresistenz untersucht.

Umsatzraten und Herkunft von Lipiden in Ackerböden: Zeitlich aufgelöste strukturelle und isotopische Charakterisierung der Lipidfraktionen einer natürlich markierten Schwarzerde

Lipide haben wahrscheinlich große Bedeutung für die Stabilisierung organischer Substanz in Böden, sie wurden aber bisher mittels moderner strukturchemischer und isotopischer Methoden nur wenig untersucht. Durch die Kombination dieser Methoden sollen erstmals gleichzeitg Aussagen über Herkunft (Pflanzen, Bakterien, Pilze) und Umsatzraten (d13C) der Lipide auf molekularer Ebene ermöglichen. Der Nutzungswechsel von Roggen- (C3-) zu Mais-Monokultur (C4-Pflanze) markierte die zugeführte Biomasse strukturell und isotopisch. Die Nutzung von Rückstellproben ermöglicht eine über vier Jahrzehnte zeitlich aufgelöste Auswertung dieses landwirtschaftlichen Freilandversuchs. Die Lipide sollen mit einer Kombination moderner struktureller, spektroskopischer und isotopischer Analysetechniken der Bodenchemie, organischen Geochemie und Biochemie untersucht werden. Untersuchungen sollen an Gesamtböden und ausgewählten PartikelgrößenFraktionen erfolgen. Die Bodenlipide werden erstmalig über eine automatisierte sequentielle Flüssigkeitschromatographie in folgende Fraktionen getrennt: a) Aliphaten, b) Ketone/Alkohole, c) Fettsäuren, d) Aromaten, e) basische Lipide und f) hochpolare Biopolymere. Diese Fraktionen sollen anschließend strukturell identifiziert (13C NMR, GC-MS) und die Fraktionen a) bis c) gesamt- und komponentenspezifisch (GC-irmMS) d 13C-isotopisch charakterisiert werden.

Biofilme, Makromoleküle und organische Restsubstanzen als Matrizen bei der Bildung von Organo- und Biomineralen - Geobiologische Faktoren bei der Evolution der Biomineralisation

Durch vergleichende Analyse von Organo- und Biomineralen aus evolutionsbiologisch zunehmend komplexeren Systemen - von Organofilmen (Ooide) über Biofilme zu Poriferen - sollen systemspezifische Wechselwirkungen zwischen Makromolekülen und Mineralphasen sowie Steuerungsmechanismen der Mineralbildung aufgezeigt werden. Dazu werden aus verschiedenen Habitaten (Hartwasserseen, Salzseen, Sodaseen, Meerwasser) makromolekulare Überzüge (Organofilme), polysaccharidreiche phototrophe und heterotrophe Biofilme sowie proteinreiche heterotrophe BiofilmMetazoen-Gemeinschaften (Riffhöhlen) untersucht. Ausgehend von der hydrochemischen Charakterisierung der Habitate, wird eine biochemische Charakterisierung der primären organischen Substanzen und Matrix sowie der Restsubstanzen in den assoziierten Mineralisaten durchgeführt. Eine strukturelle und mikrobiologische Analyse der beteiligten Organo- und Biofilme folgt (histochemische Färbungen, Applikation von Oligonukleotidsonden zur in situ Identifikation nicht-phototropher Bakterien - FISH). In kontrollierten Experimenten wird mittels kultivierter Mikroorganismen, Labor-Biofilme und extrahierter organischer Substanzen eine Fällung induziert. Die aus den Fallbeispielen abgeleiteten Steuerungsmechanismen der Mineralisation werden unter dem Mikroskop u.a. mit Ionen- und pH-sensitive Fluorochromen zur qualitativen Messung von chemischen Mikrogradienten und durch elektronenoptische Charakterisierung der Fällungsprodukte verifiziert. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Produktion und dem Abbau Ca2+-adsorbierender extrazellulärer polymerer Substanzen (EPS), die in Organo- und Biofilmen bezüglich Nukleation, Fällung und Gefügebildung von entscheidender Bedeutung sind und Voraussetzungen für eine enzymatisch gesteuerte Biomineralisation darstellen.

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