Das parasitische Unkraut Orobanche ramosa L. verbreitet sich in Mitteleuropa und bedroht die Produktion mehrerer Kulturpflanzen - Tabak, Raps, Kartoffel, Karotte und Tomate. Im Gegensatz zu anderen Unkräutern, die mit der Kulturpflanze um Ressourcen konkurrieren, entnimmt O. ramosa Wasser, Nährstoffe und Assimilate direkt aus der Wirtswurzel. Dies führt zu erheblichen Ertrags- und Qualitätsverlusten. Da O. ramosa unmittelbar mit der Wirtspflanze verbunden ist und 90 Prozent der Parasitenentwicklung unterirdisch stattfinden, ist dieser Parasite schwer zu kontrollieren. In dieser Arbeit werden drei Ziele verfolgt: 1) Wir möchten mehr über die Populationsdynamik und die Verbreitung von O. ramosa in Deutschland erfahren. Zur Beschreibung von Populationen verwenden wir verschiedene klassische, aber auch molekulare Marker-Techniken (Polymerase-Ketten-Reaktion, PCR, mit spezifischen Mikrosatelliten; ISSR-PCR, RAPD). 2) Untersuchung der Pflanze-Pflanze-Interaktion unter besonderer Berücksichtigung von Resistanzmechanismen der Kulturpflanze (in diesem Fall Tabak), sowie Faktoren der Pathogenität von O. ramosa. Analyse der Produktion sekundärer Metabolite, reaktiver Sauerstoff-Zwischenprodukte (ROI), sowie der Exprimierung und Aktivität spezifischer Enzyme und Gene. 3) Entwicklung von Methoden zur Kontrolle von O. ramosa, basierend auf erworbener systemischer Resistenz (SAR) und der Verwendung spezifischer hyperparasitischer Bakterien und Pilze, die zur biologischen Kontrolle verwendet werden können.
Poplar could succeed in nutrient rich areas as well as in nutrient poor forests soils where plants live in symbiosis with certain soil fungi to enable sufficient nutrition. Due to its huge demand, nitrogen, as major nutrient, is of special interest for poplar nutrition. In this project we want to characterize nitrate, ammonium and amino acid transporters from poplar roots that are differentially regulated as result of nitrogen nutrition (shortage or nitrogen excess), or by plant/fungus interaction. The kinetic parameters of selected transporters will be determined by heterologous expression. Tissue and organ specific expression of certain transporter genes will be investigated by Northern blot and RT-PCR and by the utilization of poplar transformants containing promoter-GFP fusions. GFP fusions with truncated promoters will also be used for the identification of cis-elements responsible for the nitrogen-dependent expression of selected transporter genes. In addition, the global impact of nitrogen nutrition on poplar gene expression will be investigated using macro and micro arrays hybridization and probes of poplar roots grown at different nitrogen sources and concentrations as well as mycorrhizas.
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.
In recent years science has taken an increased interest in mineralization processes in tropical soils in particular under minimal tillage operations. Plant litter quality and management strongly affect mineralization-nitrification processes in soil and hence the fate of nitrogen in ecosystems and the environment. Plant secondary metabolites like lignin and polyphenols are poorly degradable and interact with proteins (protein binding capacity) and hence protect them from microbial attack. Nitrification, a microbiological process, directly and indirectly influences the efficiency of recovery of N in the vegetation as well as the loss of N (through denitrification and leaching) causing environmental pollution to water bodies and contributes to global warming (e.g. the greenhouse gas N2O is emitted as a by-product of nitrification and denitrification). Nitrifiers comprise a relatively narrow species diversity (at least as known to date) and are generally thought to be sensitive to low soil pH and stress. Despite these properties nitrification occurs in acid tropical soils with high levels of aluminium and manganese. Thus the main objective of the project will be the identification of micro-organisms and mechanisms responsible for mineralization-nitrification processes in acid tropical soils and the influence of long-term litter input of different chemical qualities and minimal tillage options. The project will include the use of stable isotopes (15N, 13C), mass spectrometry, gas chromatography (CO2, N2O), biochemical methods (PLFA) and molecular biology (16s rRNA., PCR, DGGE)
Die selektive katalytische Reduktion von NOx mittels H2 (H2-SCR) hat in jüngster Zeit immer mehr Aufmerksamkeit für die NOx-Entfernung auf sich gezogen. Für die H2-SCR wurden bisher zahlreiche Katalysatoren hauptsächlich auf Basis von platinbeschichteten Metalloxiden entwickelt, die auch bei Temperaturen unter 150 °C eine hohe Aktivität zeigen, jedoch auch eine hohe Selektivität für die Bildung von umweltschädlichem Lachgas (N2O). Die literaturbekannten Mischmetalloxide (Pt/Mg(Ni)Al-Oxide) sind aktive Katalysatoren für die Reduktion von NOx während der H2-SCR, mit einer Light-off-Temperatur von 160 °C und einer N2-Selektivität größer als 50%. Aus diesem Grund sollen neuartige, hoch redoxaktive Mischmetalloxid-Katalysatoren auf der Basis von Mn(Fe)Ce-Mg-Al-Oxiden mit gleichbleibender, geringer Beladung an Edelmetallen (kleiner als 0,5 Gew.-% Pd) und Übergangsmetalloxiden (kleiner als 1 Gew.-% V oder W) zum Finetuning der erforderlichen Aktivität, Selektivität und Stabilität entwickelt werden. Die breite Palette an Methoden zur Herstellung und physikalisch-chemischen Charakterisierung von Mischmetalloxiden ermöglicht die Beschreibung ihrer strukturellen, texturellen und Redox-Eigenschaften sowie die Bestimmung der aktiven Spezies, die an der H2-SCR beteiligt und für sie wesentlich sind. Das Teilprojekt sieht redoxaktive Katalysatormaterialien vor, die in Kombination mit einer Promotorbeschichtung des Projektpartners Forschungszentrum Jülich (IEK-1) bei der gewünschten Betriebstemperatur von ca. 120 °C einen hohen NOx-Umsatz aufweisen. Die Bildung von Lachgas sollte so weit wie möglich verhindert werden. Im nächsten Arbeitsschritt wird ein Wissenstransfer stattfinden, damit der Projektpartner Ibu-Tec das Verfahren zur Katalysatorpulversynthese im industriellen Maßstab umsetzen und damit ausreichende Mengen des Katalysators für die Herstellung der ersten Prototyp-Katalysatoren durch den Projektpartner INTERKAT zur Verfügung stellen kann.
Methanoxidierende Bakterien existieren vor allem in den (mikro)oxischen Grenzflächen anoxischer methanogener Standorte. Sie sind aber auch in nicht gefluteten Böden gegenwärtig, welche nur selten als methanogene Quelle fungieren. Solche Böden wirken oft als mikrobielle Senke für atmosphärisches Methan (Konzentration ca. 1.7 ppmv). Bisher ist nicht bekannt, wie sich methanotrophe Bakterien an solche substratarmen Bedingungen anpassen bzw. diese überdauern. Wir beabsichtigen daher zu untersuchen, welche methanotrophen Bakterien unter oligotrophen Bedingungen fähig sind zu überleben oder gar zu wachsen. Ausgangspunkt dieser Analysen wird eine Sammlung von über 100 Stämmen sein, welche von Mitarbeitern des Instituts aufgebaut worden ist. Es soll die spezifische Affinität zum Methan, die Minimalkonzentration an Methan notwendig zum Wachstum und die Fähigkeit dieser Stämme die Nichtverfügbarkeit von Methan zu überdauern bestimmt werden. Ferner wird untersucht, ob zwischen den physiologischen Eigenschaften und der Phylogenie der untersuchten Stämme eine Korrelation besteht. Im zweiten Forschungsschwerpunkt soll die Übertragbarkeit der im Labormaßstab erzielten Ergebnisse auf die Freilandsituation überprüft werden. Dabei soll unter Anwendung molekularökologischer Techniken der Frage nachgegangen werden, ob in solchen Böden, welche eine Senke für atmosphärisches Methan darstellen, nur definierte Species bzw. phylogenetisch koherente Gruppen an methanoxidierenden Bakterien nachweisbar sind. Gensonden und PCR-gestützte Nachweissysteme für methanotrophe Gruppen werden in definierten Mischungen methanotropher Bakterien gewachsen unter methanlimitierten Bedingungen die dominanten Methanotrophen zu identifizieren.
Aufgrund der EU-Richtlinie 2003/89/EG müssen allergene Zutaten in Lebensmitteln unabhängig von der enthaltenen Menge gekennzeichnet werden. Um zufällige Beimischungen allergener Zutaten (cross contact) von deren absichtlich erfolgter Zugabe abgrenzen zu können, wird weltweit an der Einführung von Schwellenwerten gearbeitet. Seit 2002 gilt in der Schweiz bereits ein derartiger Grenzwert. Die Kontrolle der Kennzeichnungspflicht ist Aufgabe der Lebensmittelüberwachung. Diese benötigt hierfür jedoch Nachweissysteme zur Ermittlung des Gehalts an allergenen Zutaten in Lebensmitteln. Im Rahmen des Vorgängerprojekts wird die methodische Basis der Quantifizierung erarbeitet und es werden quantitative molekularbiologische Nachweissysteme auf Basis der Real-time PCR zur Bestimmung des Gehalts an Sellerie und Lupinen in Lebensmitteln etabliert. Ziel des Folgeprojektes ist die Entwicklung quantitativer Nachweisverfahren für weitere allergene Zutaten, um die Grundlage für die Überwachung zukünftiger Schwellenwerte zu schaffen.
Anwendung von DANN-Segmenzierung, DANN-Fingerprinting, Mikrosateliten PCR, ISSR-PCR zur Aufklärung von texonomischen, populationsgenetischen, plylognetische Fragen sowie Abstammungsuntersuchungen. Organismen: Vögel, Reptilien, Insekten, Pflanzen.
Besonders adaptierte arbuskuläre Mykorrhiza-Pilze können Schwermetallresistenzen auf Kulturpflanzen übertragen. Die molekularen Mechanismen der Schwermetallresistenz sind bislang noch nicht untersucht worden. Für Pflanzen wie Medicago truncatula u. a. sowie möglichst auch für Pilze der Gattung Glomus (Isolat vom Schwermetallveilchen, Glomus mosseae BEG12) sollen über PCR Gensonden für Schwermetall-Carrier wie Ni,- Fe-, Mn-, Zn- und Cu-Transporter entwickelt werden. Mit diesen sollen dann durch Northern Analysen, in situ Hybridisierungen sowie durch quantitative RT-PCR Transkriptanalysen durchgeführt werden. Dazu werden die Pflanzen in Schwermetall- und in Normalböden + Mykorrhiza Pilze im Kompartimentierungssystem zur Trennung von Pilzhyphen und Pflanzenwurzeln kultiviert. Die Bildung von Siderophoren und Metallothioneinen soll in Abhängigkeit von der Mykorrhizierung und nach Wachstum im Schwermetall- und Normalboden durch klassische Enzym- bzw. Farbtests und danach mit molekularen Methoden (Northern Analysen, in situ Hybridisierungen, quantitative RT-PCR) untersucht werden. Außerdem soll versucht werden, arbuskuläre Mykorrhiza-Pilze unabhängig vom Wirt auf Platten zum Keimen, Wachsen und zur Sporenbildung zu bringen, wobei erste Versuche dazu erfolgsversprechend sind.
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