Das im Boden vorkommende Bakterium Agrobacterium tumefaciens infiziert eine Vielzahl von Pflanzenarten und verursacht die Wurzelhalsgallenkrankheit. Es überträgt bakterielle DNA zusammen mit Effektorproteinen in Wirtszellen. Diese T-DNA (Transfer-DNA) wird stabil in das Pflanzengenom integriert, und die Expression der darin kodierten Onkogene führt zu Zellproliferation und Tumorbildung. Die Fähigkeit, DNA in das Wirtsgenom zu übertragen, hat A. tumefaciens zu einem der wichtigsten Werkzeuge in der pflanzlichen Gentechnik gemacht. Allerdings sind viele Pflanzenarten weiterhin schwierig zu transformieren, und es ist unklar, woran das liegt. Dies ist auch eine Folge unseres unzureichenden Wissens über die molekularen Voraussetzungen auf Seiten der Wirtszellen. In einer Reihe unabhängiger Experimente haben wir beobachtet, dass eine veränderte Sphingolipidzusammensetzung von Arabidopsispflanzen die Agrobakterien-Transformationseffizienz signifikant beeinflusst. Pflanzliche Sphingolipide wie Glucosylceramide und Glucosylinositolphosphorylceramide (GIPCs) sind vorwiegend in Nanodomänen der Plasmamembran lokalisiert. Frühere Studien in Arabidopsis haben gezeigt, dass Sphingolipide die Funktion von membranständigen Rezeptoren und Calciumkanälen beeinflussen können, welche für verschiedene Signaltransduktionsprozesse wichtig sind. Sphingolipide könnten daher in verschiedenen Phasen der Agrobacterium-Transformation eine Funktion haben, z. B. durch Beeinflussung membranständiger Rezeptoren, die Abwehrreaktionen auslösen, oder durch die Interaktion mit bakteriellen Proteinen des Typ-IV-Sekretionssystems während des T-DNA-Transfers durch die Plasmamembran. Dieses Projekt zielt daher darauf ab, diejenigen pflanzlichen Sphingolipid-Spezies zu identifizieren, die die Agrobacterium-Transformationseffizienz beeinflussen, und die Funktion dieser Lipide während der verschiedenen Transformationsstadien zu charakterisieren. Um die Auswirkungen verschiedener Sphingolipidprofile auf die Transformationseffizienz zu ermitteln, setzen wir einen etablierten in vivo Transformationseffizienztest ein. In diesem werden wir unsere Sammlung von Arabidopsis-Mutantenlinien mit veränderter Sphingolipidzusammensetzung, sowie eine Reihe von pharmakologischen und Temperatur-Behandlungen testen. Zur Identifizierung der relevanten Sphingolipide setzen wir Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie und anschließende Massenspektrometrie (UPLC-MS/MS) ein. Anschliessend werden wir analysieren, in welcher Phase der Transformation diese Lipide beteiligt sind. Dazu werden wir im in vivo System Wachstum, Anheftung und die Expression von Virulenzgenen der Bakterien testen und parallel dazu die Abwehrreaktion der Pflanze und die subzelluläre Lipidzusammensetzung analysieren. Wir erwarten, dass die Charakterisierung dieser Sphingolipid-abhängigen Prozesse in der Wirtszelle unser Verständnis der Mechanismen der Pflanzentransformation durch Agrobakterien entscheidend verbessern wird.
Quantitative mikrobiologisch-toxikologische Testverfahren zur Erfassung der beginnenden Schadwirkung wassergefaehrdender Stoffe und Industrieabwaesser auf Modellorganismen der biologischen Selbstreinigung.
Zielsetzung: Die Degradation von Ökosystemen und der Verlust der Biodiversität sind zwei der drängendsten Probleme unserer Zeit. Die EU-Biodiversitätsstrategie für 2030 sieht vor, geschädigte Ökosysteme zu restaurieren und die Natur langfristig zu schützen. Für Waldökosysteme wurden bereits verschiedene Naturschutzkonzepte erarbeitet und etabliert, um Waldwirtschaft nachhaltig und in Einklang mit Biodiversitätsförderung zu gestalten. Unter anderem soll der Anteil von Totholz gesteigert werden sowie die strukturelle Vielfalt durch den Erhalt alter Bäume und der Schaffung von Lichtungen. Neben der Steigerung der Habitatqualität muss jedoch auch gewährleistet sein, dass bedrohte und seltene Arten die neu geschaffenen Lebensräume besiedeln können, was insbesondere bei Arten mit Individuen-armen Populationen und stark eingeschränktem Verbreitungsarealen kaum möglich ist. Im Projekt „Wiederansiedlung vom Aussterben bedrohter Pilze in Mitteleuropäischen Wäldern“ sollen seltene Pilzarten, die sich vom Abbau organischer Substanz ernähren, durch gezielte Wiederansiedlung gefördert werden. Pilze sind bisher im institutionellen Naturschutz sowie in den gängigen Naturschutzgesetzgebungen unterrepräsentiert. Ziel des Projektes ist es, ausgewählte Naturnähezeiger verschiedener Lebensräume erfolgreich im Labor zu kultivieren, in geeigneten Habitaten anzusiedeln und Artenschutzkonzepte für diese Arten zu entwickeln. Die Relevanz, für welche Arten Schutzkonzepte und Wiederansiedlungen durchgeführt werden sollen, basieren hierbei auf verschiedenen Kriterien, wie der Listung als Naturnähezeiger, der allgemeinen Seltenheit sowie der Isoliertheit bestehender Vorkommen. Es sollen gleichermaßen Arten berücksichtigt werden mit einem sehr engen und weiterem Wirtsspektrum. Die ermöglicht, Erkenntnisse darüber zu gewinnen wie sich Wirtsspektren durch die Forstwirtschaft im Klimawandel (z.B. Nutzung von klimawandelresistenten Baumarten als Wirt) verändern könnten. Die ausgewählten Pilzarten habe große naturschutzfachliche Relevanz über das Projektgebiet Bayerischer Wald hinaus in ganz Deutschland und stellen somit geeignete Modelorganismen dar. Übergeordnetes Ziel ist es, ein wissenschaftlich fundiertes Modellkonzept zur Erhaltung besonders seltener, wirtsgebundener Baumpilze zu entwickeln. Die im Anschluss und auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse ausgearbeiteten Artenhilfsprogramme sollen ein Zeichen zur stärkeren Beachtung des Reiches der Pilze im Naturschutz setzen.
Biosynthetische Polymere werden in zunehmender Zahl und Menge eingesetzt und sind aus vielen Bereichen des Alltags nicht mehr wegzudenken. Waren es frueher vorwiegend von hoeheren Lebewesen synthetisierte Polymere, so gewinnen nun von Mikroorganismen synthetisierte Polymere als Werkstoffe sowie als Hilfs- und Nebenstoffe an Bedeutung. Mikroorganismen synthetisieren in vielfaeltiger Form Polymere fuer technische Anwendungen. Die meisten technisch genutzten mikrobiellen Polymere werden heute als Hilfs- und Nebenstoffe eingesetzt, einige auch direkt zu Werkstoffen verarbeitet. Mikrobielle Polymere werden als Rohstoffe zu anderen Werkstoffen oder Hilfs- und Nebenstoffen verarbeitet oder dienen als Ausgangsmittel fuer weitere chemische Synthesen. Der Einsatz von Mikroorganismen bei der biotechnologischen Produktion von Polymeren ermoeglicht haeufig die Nutzung nachwachsender Rohstoffe als Substrate und Kohlenstoffquelle fuer die Produktion wie zB die Nutzung pflanzlicher Photosynthetate, die von der Land- und Forstwirtschaft in grossen Mengen bereitgestellt werden koennen. Die Kenntnis der Biosynthesewege fuer Polymere in Bakterien in Verbund mit der Gentechnik ermoeglicht zudem die Erzeugung transgener Pflanzen, die zur Produktion neuer Polymere anstelle von Bakterien herangezogen werden koennen. 1) Biosynthese von Polyestern: Mikrobielle, aus Hydroxyfettsaeuren aufgebaute Polyester (PHF) machen seit einigen Jahren als neue biologische abbaubare Werkstoffe von sich reden. Neben 3-Hydroxybuttersaeure sind mittlerweile mehr als 100 verschiedene Hydroxyfettsaeuren als Bausteine von PHF bekannt. Seit ca 10 Jahren wird in der Arbeitsgruppe die Biosynthese dieser wasserunloeslichen Polyester untersucht. Als Modellorganismen dienten zunaechst Alcaligenes eutrophus und Pseudomonas aeruginosa; Rhodococcus ruber und zahlreiche anoxygene phototrophe Bakterien wie zB Chromatium vinosum wurden spaeter ebenfalls untersucht. Diese Untersuchungen haben zur Aufklaerung von Biosynthesewegen der PHF und zur Entdeckung neuer Bausteine von PHF sowie zur Klonierung und Ermittlung der Primaerstrukturen des Schluesselenzyms PHF-Synthase aus ca 20 Bakterien beigetragen. Durch Screening nach neuen Wildtypen, durch Verwendung von Mutanten und mit gentechnischen Methoden gelang es, Polyester mit ungewoehnlichen Hydroxyfettsaeuren aus einfachen Kohlenstoffquellen verfuegbar zu machen. In Zusammenarbeit mit Industriepartnern und gefoerdert durch das BMBF und das BML sollen Reststoffe, Kohlen und nachwachsende Rohstoffe fuer die Produktion dieser Polyester erschlossen werden. Ein Biotechnikum mit Bioreaktoren von 1 bis 20 l Nutzvolumen, welches demnaechst durch einen Anbau und einen Bioreaktor von 450 L Nutzvolumen erweitert wird, erlaubt die Herstellung von Polymermustern zur Ermittlung der Materialeigenschaften durch hieran interessierte Kooperationspartner. Ferner kommt der Zusammenarbeit mit Pflanzengenetikern, die Gene fuer PHF Biosynthese aus Bakterien in Pflanzen ...
Einzellige Eukaryonten sind ideale Modellorganismen, die mit evolutionären Prozessen assoziierter Organismengruppen über unterschiedliche Zeitskalen, sogar über geologischer Zeiträume hinweg, kombiniert werden können. Mittels moderner molekularer und bioinformatischer Methoden sowie Kultivierungs- und Isolationstechniken sollen evolutionäre, insbesondere co-evolutionäre Prozesse von Populationen/Arten im ariden Lebensraum untersucht werden. Primäres Ziel ist es, populationsgenetische Diversitätsmuster symbiontischer Protisten, welche im Darm endemischer Insektenpopulationen vorkommen und zum Großteil genetisch separiert sind, im Zusammenhang mit den Wirtspopulationen zu untersuchen (B02). Darüber hinaus gilt es die genetische Struktur der Protistenpopulationen, welche mit einem bestimmten Microbiom (z. B. Rhizosphäre/Phyllosphäre; B04) assoziiert sind, im Zusammenhang mit dem Boden (B05) und der 'Wirts'-Pflanze (B01) zu analysieren, wobei die fragmentierten Salare in der Atacama von gesondertem Interesse sind.
Pflanzen können zwischen 10 und 80% ihres P-Bedarfs aus Unterböden decken, aber in welchen Bindungsformen P im Unterboden von Wäldern vorliegt, wie gut es dort zugänglich ist und v.a. wie lange der Sauerstoff in den Unterboden-Phosphaten verweilt, ist nur wenig verstanden. Dieses Projekt hat zum Ziel, die Hypothese zu testen, dass mit zunehmendem P-Mangel im Oberboden die Pflanzen verstärkt auf P im Unterboden zugreifen. Als Grundlage hierfür werden wir in der ersten Phase des SPP aufklären, (i) wie hoch die P-Vorräte in den Unterboden der Versuchsstandorte sind, welche Bindungsformen dominieren und welche delta18O-Signaturen Bodenphosphate dort aufweisen, (ii) wie Pflanzenwurzeln die P-Gradienten im Unterboden verändern, (iii) wie gut die Phosphate im Unterboden für Mikroorganismen und damit 18Oisotopenaustauschreaktionen zugänglich sind, (iv) ob und wie abiotische, positionsabhängige isotopenaustauschreaktionen stattfinden können, anhand derer sich Informationen zur Verweilzeit der Phosphate im Unterboden ableiten lassen, und (v) welche Zusammenhänge zur Isotopensignatur in Phosphaten des Xylemsaftes bestehen. Die P-Bindungsformen und Konzentrationen werden mittels sequenziellen Fraktionierungsverfahren, NanoSIMS, XANES-und NMR-Spektroskopie erfasst. Isotopenbestimmungen und -austauschexperimente erfolgen mittels massenspektrometrischen und Raman-spektroskopischen Analysen unter Einbeziehung quantenchemischer Modellierungen.
Dieses Projekt untersucht die Wege und Flüsse in der Wiederaufarbeitung von Nährstoffen im ozeanischen Oberflächenwasser durch die Quantifizierung der Phosphat-Affinität sowie der Freisetzung von organischen Phosphonaten und Phosphat-Estern durch den Modell-Organismus, Nitrosopumilus Maritimus, einem weit verbreiteten planktonischen Archaeon. Dieser Mikroorganismus spielt eine bedeutsame Rolle, sowohl im globalen Stickstoffkreislauf, da er sich zur Energiegewinnung auf die Umwandlung von wiederverwendetem Stickstoff (i.e., Ammonium) zu anorganischem Nitrit spezialisiert hat, als auch im globalen Kohlenstoffkreislauf, nachdem er anorganischen Kohlenstoff aufnimmt und in seine Zellstruktur integriert. Aufgrund des sehr geringen Volumens der einzelnen Zellen, könnte die hohe Phosphat-Affinität und Aufnahmekapazität gemeinsam mit dem Zugriff auf das Reservior von gelöstem organischem Phosphor (DOP), Nitrosopumilus Maritimus einen Wettbewerbsvorteil verschaffen, in Regionen des Ozeans, in denen Phosphat-Limitierung vorherrscht. Die vorgestellte Studie wird die Rolle von N. Maritimus im Phophorkreislauf des Meeres untersuchen, indem die Aufnahme und Verteilung von Phosphor quantifiziert werden wird und neue Methoden zur Isolierung und chemischen Charakterisierung dazu verwendet werden Makromoleküle zu identifizieren die Phosphor enthalten. Im Detail, werde ich eine bestehende Methode, die auf der Bindung von Phosphor an ein Eisenoxid-Harz basiert, optimieren, um damit DOP aus dem Meerwassermedium zu isolieren und im Anschluss mit Hilfe von Flüssigkeitschromatographie/Tandem-Massenspektrometrie strukturell zu analysieren und komponenten-spezifisch zu quantifizieren. Die vorgestellte Methode zur DOP Characterisierung ermöglicht erstmals die Identifikation makromolekularer organisch-gebundener Phosphor Moleküle, gemeinsam mit den damit verbundenen Flüssen dieser Komponenten. Diese Erkenntnisse sind essentiell für die Untersuchung von Biosynthesewegen und biologischer Verfügbarkeit von DOP, welche bisher einen Widerspruch darstellen, der mikrobiologische wie auch geochemische Untersuchungen der räumlichen Verteilung und des Umsatzes von, in der Umwelt angereichertem, DOP erschwert. Zusätzlich zu diesen primären Zielen werden die kombinierten Ergebnisse dieser Studie auch Schätzungen von Zellhaushalt und Fluss von Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor in Nitrosopumilus Maritimus ermöglichen, der eine spezifische Nische im Phosphorkreislauf der Meere einnehmen könnte.
Die oekologische Versuchsfarm des Instituts fuer Oekologie der Pflanzen im ariden Suedwesten Afrikas wird von einem Salzfluss durchschnitten, dessen Flussbett und Flussufer auf ca 10 km Laenge und 200 m Breite von dichten Phragmites-Bestaenden bewachsen wird. An diesen Bestaenden werden produktionsbiologische Untersuchungen durchgefuehrt mit dem Ziel, die Eignung von Phragmites australis als nachwachsender Rohstoff zu charakterisieren.
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