Development of insecticide resistance in insect pest species is one of the main threats of agriculture nowadays. The cotton bollworm, Helicoverpa armigera, is the noctuid species possessing by far the most reported cases of insecticide resistance worldwide, correlated with one of the widest geographical distributions of any agricultural pest species. This turns H. armigera into an adequate model to study resistance mechanisms in detail. The main mechanisms underlying insecticide resistance are target side insensitivity and metabolism, mainly due to carboxylesterases and cytochrome P450 monooxygenases. Just recently, the resistance mechanism of an Australian H. armigera strain toward the pyrethroid fenvalerate was ascribed to a single P450, CYP337B3. CYP337B3 is a naturally-occurring chimera between CYP337B2 and CYP337B1 evolved by an unequal crossing-over event. This enzyme had acquired new and exclusive substrate specificities resulting in the detoxification of fenvalerate. This is the first known case of recombination as an additional genetic mechanism, besides over-expression and point mutation, leading to insecticide resistance. Therefore, CYP337B1, CYP337B2, and CYP337B3 are ideal candidates for studying structure-function relationships in P450s. The project aims to characterize amino acids that are crucial for the activity of CYP337B3 toward detoxification of fenvalerate. Additionally, cross-resistance conferred by CYP337B3 enables the determination of common structural moieties of pyrethroids favoring detoxification by CYP337B3 and those leading to resistance breaking. Pyrethroids with identified resistance breaking moieties could be used to control even pyrethroid-resistant populations of H. armigera. Another advantage of this system is the conferment of insecticide resistance by CYP337B3 that is not restricted to Australia but seems to be a more common mechanism as recently revealed by the finding of the chimeric P450 in a cypermethrin-resistant Pakistani strain. To shed light on the contribution of CYP337B3 to pyrethroid resistance of H. armigera and even closely related species worldwide, field populations from different countries will be screened by PCR for the presence of CYP337B3 and its parental genes. If applicable, the allele frequency of CYP337B3 will be determined being a convenient method to conclude the resistance level of the tested populations. Finally, the project will result in advising farmers on the control of populations of H. armigera and related species possessing CYP337B3. This will even become more important due to the climate change allowing H. armigera to spread northward including central Europe, where H. armigera is not yet able to survive wintertime.
Die Anpassung an wechselnde Umweltbedingungen wurde am Beispiel von Transienten zwischen oxischem und denitrifizierendem Wachstum von Paracoccus denitrificans studiert. Bei solchen Wechseln muss die membrangebundene Elektronentransportkette jeweils den neuen Bedingungen angepasst werden. Diese Vorgaenge wurden anhand der Aenderungen in der Zusammensetzung der Cytochrome analysiert. Im weiteren wurde auch den Endprodukten der Denitrifikation besondere Beachtung geschenkt. Es zeigte sich, dass das Verhaeltnis zwischen molekularem Stickstoff und Lachgas bei der Denitrifikation durch drei Parameter beeinflusst werden kann: durch die Art der Kohlenstoff-/Energiequelle, durch die vorhandenen Stickstoffquellen und durch das pH des Mediums.
Plastikmaterialien sind ubiquitär in Ökosystemen nachzuweisen; sie sind zumeist schlecht abbaubar, und Verwitterungsprozesse führen zu Fragmenten, die als Mikroplastik (MP) im Mikro m- bis mm-Bereich von Suspensions- und Sedimentfressern in Nahrungsnetze gelangen. MPs können aufgrund von Additiven per se toxisch sein, sie können aber auch persistente Substanzen (PPs) anreichern. Die Ziele von MiWa bestehen darin, (1) eine einheitliche Methodik zur Bestimmung der Abundanz von MP in Süßgewässern zu entwickeln, (2) verschiedene Umweltsysteme gezielt auf Quellen, Senken und den Verbleib von MPs zu untersuchen, sowie (3) toxikologische und ökotoxikologische Untersuchungen zu Effekten von MPs und PPs mit Testsystemen unterschiedlicher Komplexität und Trophiestufen durchzuführen. Ziel des Verbundes MiWa ist die nachvollziehbare und übergreifende Bewertung von MPs im Wasserkreislauf. Das Ziel des vorgeschlagenen Teilprojekts B4 besteht darin, den etablierten Modellorganismus Zebrabärbling (Danio rerio) für den Nachweis potentiell adverser Wirkungen von Mikroplastikpartikeln und partikelassoziierten Schadstoffen auf Fische zu etablieren, wobei aus Tierschutzgründen vor allem mit Embryonen gearbeitet wird. Die Wirkung von direkt aus dem Wasser aufgenommenen MPs und PPs wird mit der Aufnahme entlang von einfachen Modellnahrungsketten verglichen. Als weitere tierversuchsfreie Systeme werden Zellkulturen eingesetzt, um grundlegende Prozesse der Aufnahme und Wirkung von MPs und PPs zu verstehen. Die toxikologischen Endpunkte umfassen Embryo-, Neuro-, Cyto- und Gentoxizität sowie Teratogenität, Induktion von Cytochrom P450 und endokrine Wirkungen.
Pflanzen sind 'grüne' Fabriken, die mehr als 200.000 bioaktive Naturstoffe produzieren (z.B. Artemisinin, Taxol und Thapsigargin), bei deren Synthese Cytochrom P450-Monooxygenasen (P450) eine Schlüsselrolle spielen. Die P450-Enzyme sind die größte Protein-Familie in Pflanzen, deren Gene bei einigen Pflanzen bis zu 1 Prozent der Erbinformation ausmachen. Entsprechend umfangreich und vielfältig sind die Substratspezifitäten und das katalytische Potential dieser pflanzlichen Enzyme. Dennoch stehen pflanzliche Monooxygenasen bisher nicht für eine technische Nutzung zur Verfügung. Unzureichende Verfügbarkeit der Enzyme, Schwierigkeiten bei der rekombinanten Expression sowie unbekannte bzw. nicht exprimierbare Redoxpartner sind die Haupthinderungsgründe. Die kosteneffiziente Bereitstellung des benötigten Cofaktors NAD(P)H stellt eine weitere Herausforderung für die technische Nutzung der Enzyme dar. Hier können elektrochemische Ansätze innovative, erfolgversprechende Lösungen für neue ressourceneffiziente (Bio)-Prozesse liefern. Über die Realisierung der direkten Ankopplung pflanzlicher Monooxygenasen an einen artifiziellen elektrochemischen Elektronentransfer soll im Rahmen des Projektes, das an der Schnittstelle der grünen und weißen Biotechnologie positioniert ist, die technologische Basis für die künftige Nutzung des geschilderten katalytische Potential der pflanzlichen P450 - Enzyme geschaffen werden.
Die Interaktion zwischen der Aktivierung des fuer die Dioxinwirkung verantwortlichen Dioxin- bzw Ah-Rezeptors (AhR) und Aenderungen der Wachstumskontrolle durch Dioxine wird untersucht. Der AhR wurde als Transkriptionsfaktor fuer Enzyme des Fremdstoffmetabolismus charakterisiert, zB von Cytochromen P450 und von UDP-Glucuronosyltransferasen. In einer Leberstammzell-aehnlichen Linie (WB-F344) stimulierten Dioxine die DNA-Synthese in konfluenten Kulturen durch Aufhebung der Zellkontakthemmung. Ein kritisches Target der Dioxinwirkung bei der Wachstumskomoeostase ist die EGF-Rezeptor-(EGFR)-Phosphorylierung. Bei Zellkontakthemmung werden Tyrosinphosphatasen aktiviert und der EGFR dephosphoryliert. Dioxine aktivieren Tyrosinkinasen, zB das Protoonkogen Src. Die Src-Kinase erhoeht die EGFR-Phosphorylierung im Zustand der Zellkontakthemmung. Dadurch kann die Aufhebung der Zellkontakthemmung erklaert werden. Es wird derzeit untersucht, durch welchen Mechanismus die Aktivierung der Src-Kinase bei der Aufloesung des Komplexes zwischen dem AhR und dem Hitzeschockprotein-90 aktiviert wird. Durch diese von uns und von anderen beobachteten nichttranskriptionellen Effekte sind diese - neben den transkriptionellen Effekten - bei den vom AhR vermittelten Dioxinwirkungen zu berucksichtigen. Die Aufklaerung der Wirkungsmechanismen ist fuer die Risikobewertung von Dioxinen unabdingbar.
Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die Emissionen polychlorierter Dibenzo-p-dioxine und Dibenzofurane (PCDD/F) bei Sekundaeraluminium-Schmelzprozessen zu minimieren. Um dieses Ziel zu erreichen, werden in einer Technikumsanlage verschiedene Aluminiumschrotte bei unterschiedlichen Anlagenkonfigurationen und verfahrenstechnischen Parametern umgeschmolzen. In begleitenden Laborversuchen werden die Mechanismen der PCDD/F-Bildung aufgeklaert, um auf dieser Grundlage Minderungsmassnahmen fuer PCDD/F entwickeln zu koennen. Zur Erfassung der Gesamttoxizitaet der Emissionsproben und Filterstaeube und als schnelle und kostenguenstige Screeningmethode wird ein biologischer Toxizitaetstest eingesetzt, der auf der Induktion von Cytochrom P450 1A1 durch PCDD/F und verwandte Verbindungen beruht.
Es wurde ein dosisabhaengiger Zusammenhang wischen DNA-Adduktbildung durch Dibenzo(a,l)pyren nach metabolischer Aktivierung durch Cytochrom P450 1B1 und Induktion der Zellzyklus-Kontroll-Proteine p53 und p21 aufgedeckt, der zum Wachstumsstop fuehrt.
Microarrays: Entwicklung der molekularen Diagnostik auf der Basis von Microarrays. Dadurch soll die Diagnose von agronomisch relevanten Organismen vereinfacht und die Kapazität einzelner Labors erhöht werden. Mehrere relevante Schadorganismen sollen auf einem Microarray identifiziert werden können. Indikatoren: 1) Das Potenzial des Random Chip Prinzips ist abgeklärt. 2) Ein funktionsfähiger Chip mit mind. 50 ökonomisch relevanten Insekten. Marker: Mit Strategie 1) Entwicklung von molekularen Markern für Pestizidresistenzen bei Cydia pomonella. Primäres molekulares Ziel ist die Genfamilie Cytochrom P450, die nachweislich bei Insekten für Resistenz gegen Pestizide verantwortlich ist. Sekundäres molekulares Ziel sind anonyme Marker (mit ALFP, RAPD, Mikroarrays). Indikator: Mindestens ein Gen und/ oder Marker sind entwickelt. Mit Strategie 2) Erhebung von epidemiologischen Daten über die Dynamik von Pestizidresistenzen (inkl. multiplen Resistenzen). Die epidemiologischen Daten ergeben ein detailliertes Bild der Häufigkeit und Ausbreitung von Pestizidresistenzgenen. Indikator: Daten zu Häufigkeit und Verbreitung des entsprechenden Gens in mind. 3 wichtigen Schweizer Anbaugebieten wurden etabliert.
An Maeusen mit ausgeschaltetem Cytochrom P450 1B1-Gen konnte nach Exposition gegenueber kanzerogenen polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen wie das Dimethylbenzanthracen demonstriert werden, dass Wildtypmaeuse innerhalb von Wochen zu 100 Prozent Tumoren entwickelten. Hingegen war die 1B1-Knockout durch mangelnde Aktivierung dieser Verbindung geschuetzt.
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