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Carbon acquisition during pathogenic development of Ustilago maydis and Colletotrichum graminicola

The biotrophic fungus Ustilago maydis infects corn and induces the formation of tumors. In order for the fungus to proliferate in the infected tissue, U. maydis has to redirect the metabolism of the host to the site of infection. We wish to elucidate how this is accomplished. To this end we will perform transcript profiling during the time course of infection for both, the fungus and the maize plant. This will be complemented by metabolome analysis of different tissues during infection as well as by apoplastic fluid analysis. The goals will be to identify the carbon sources taken up by the fungus during biotrophic growth, to identify the transporters required for uptake, determine their specificity and elucidate how these carbon sources are provided by the plant. Fungal mutants affected in discrete stages of pathogenic development will be included in these studies. Likely candidate genes for carbon uptake/supply as well as for redirecting host metabolism will be functionally characterized by generating knockouts in the fungus and by isolating plants carrying mutations in respective genes or by generating transgenic plants expressing RNAi constructs.

Der Einfluss von SO2-Immissionen auf den Stoffwechsel von Flechten als Bioindikatoren fuer Luftverunreinigungen

Wirkung von Schwefeldioxid auf Nettophotosynthese und Atmung von Flechten; Kartierung von Flechten im Stadtgebiet; Schwefel-Analysen in Flechten.

Sequestration von Veterinärarzneimitteln in Böden - Teilprojekt A3: Veterinärarzneimittel in Böden: Grundlagenforschung zur Risikoanalyse

Seit kurzem werden ökologisch wirksame Konzentrationen von antibakteriellen Tierarzneimitteln auch im Boden nachgewiesen. Für eine umfassende Analyse des Risikos fehlen jedoch grundlegende Modellvorstellungen. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die Tierarzneimittel i.d.R. mit Wirtschaftsdüngern auf die Böden gelangen. Zwar gibt es Modellvorstellungen zum Umweltverhalten hydrophober Schadstoffe und zur Wirkung von Wirtschaftsdüngern auf die Bodenlebewelt, doch sind diese nur bedingt übertragbar auf die Dynamik der teilweise polaren Tierarzneimittel im Boden und ihre spezifischen Effekte auf Bodenorganismen. Auch die in der Literatur beschriebenen Effekte von zusätzlichen C-Quellen und Co-Solventien auf Bindung, Abbau und Transport sind aufgrund der komplexen Zusammensetzung von Wirtschaftsdüngern nicht direkt auf Tierarzneimittel übertragbar. Effekte der komplexen Wechselwirkungen von Wirtschaftsdüngern auf die Wirkung der Stoffe im Boden sind unseres Wissens überhaupt nicht untersucht. Übergeordnetes Ziel dieser Forschergruppe ist es daher, anhand mindestens zweier unterschiedlicher Zielstoffe (Sulfadiazin und Difloxacin) erstmals aufzuklären, wie unter dem Einfluss von Wirtschaftsdüngern die Wirkung dieser Stoffe im Boden an ihre Dynamik gekoppelt ist. Wir sehen hierbei mehrere offene Fragen in den Bereichen Dynamik (z.B. Abbau und Metabolisierung, Sequestration sowie skalenabhängige Umverteilung), Wirkung (z.B. auf Struktur und Funktion der Mikroorganismen sowie auf Resistenzbildung) und v.a. bezüglich der Mechanismen der raum-zeitlichen Kopplung von Dynamik und Wirkung der Problemstoffe im Boden (von ms bis Jahren und von der Mineraloberfläche bis zum Bodenprofil). Zur Beantwortung dieser Fragen erscheint es uns in der 1. Projektphase notwendig, vorwiegend anhand von Laborversuchen die relevanten Skalen und Prozesse zu identifizieren sowie die Raten zu quantifizieren, welche die Dynamik und Wirkung der Stoffe im Boden allein und unter dem Einfluss tierischer Exkremente steuern. In einer 2. Phase werden die Prozesse gekoppelt und ihre Relevanz in einem gemeinsamen Freilandversuch überprüft. Damit können wir die für das Umweltverhalten der Zielstoffe wesentlichen Steuergrößen und -mechanismen erstmals aufdecken und quantifizieren. Ziel des TP in Bonn ist die Aufklärung der Bindungsstärke und Verfügbarkeit von Tierarzneimitteln in zwei Referenzböden. Um die 'chemische Verfügbarkeit der Substanzen im Boden zu erfassen, wird eine sequentielle Extraktionsmethode für die Analyten entwickelt und auf eine Alterungszeitreihe der Tierantibiotika im Boden angewandt. Die Bindung der Stoffe an Bodenbestandteile (Mineralphasen, org. Substanz, Gülle-DOC) wird mittels batch-Sorptionsversuchen untersucht; dies wird wiederum an frisch kontaminierten und gealterten Proben durchgeführt. Die Ergebnisse werden mit den anderen Projekten der Forschergruppe vernetzt, um auf die 'Bioverfügbarkeit von sorbierten Fraktionen der Tierarzneimittel rückzuschließen.

Erhoehter CO2-Partialdruck in der Atmosphaere: Anpassung des Stoffwechsels und Inhaltsstoffe von Nutzpflanzen (insbesondere Getreide)

Hypothesen: Der steigende CO2-Partialdruck in der Erdatmosphaere veraendert die Expression von Genen und damit den Stoffwechsel der Pflanzen. Folgen sind veraenderter Naehrstoffbedarf und veraenderte Zusammensetzung auch der landwirtschaftlichen Produkte. Ergebnisse: Der Phosphatbedarf der Pflanzen steigt in Hoch CO2. - Der Stickstoffbedarf faellt in Hoch-CO2 (Wachstum) - Das C/N Verhaeltnis in Pflanzen ist erhoeht in Hoch-CO2; sehr hohe Stickstoffgaben wirken diesem Effekt entgegen. - Modifizierungen im Phosphat- und Stickstoffwechsel erfolgen in den Blaettern. - Die Expression mancher photosynthetischer Gene wird von Hoch CO2 beeinflusst. - Aufklaerung des Stoffwechsels in Sink-Geweben der Pflanze (insbesondere Speicherorgane) - Untersuchungen zu CO2-Effekten auf die Rhizosphaere und Mineralstoffaufnahme (einschl. Schwermetalle).

Visualisierung mikrobieller Gemeinschaften auf marinem Mikroplastik: Identifikation, Interaktionen und Auswirkungen

Marines Mikroplastik (MMP) ist eine zunehmende anthropogene Verschmutzung in den Meeren. Der Einfluss auf marine Tiere, durch Verfangen und verschlucken von Plastikmüll, ist bekannt. Aber der Einfluss von MMP auf Mikroorganismen, wie Bakterien, Archaeen und Protisten, die die Basis der Nahrungsnetze bilden, ist kaum verstanden. Auf Grund der besonderen Eigenschaften von MMP, kann es als neues Habitat und als Transportmittel für bestimmte u.a. auch gesundheitsgefährdende Mikroorganismen dienen, die über lange Distanzen bis in entlegene Regionen transportiert werden können. Darüber hinaus kann MMP das Zusammenleben von Mikroorganismen in enger Nachbarschaft ermöglichen und die Stoffwechselwege vieler verschiedener Verbindungen beeinflussen. Um den Einfluss von MMP und ihrer assoziierten Mikroorgansimen auf marine Ökosysteme zu verstehen, müssen wir die Zusammensetzung und Interaktionen von mikrobiellen Gemeinschaften auf MMP identifizieren und ihre globale Ausbreitung untersuchen. Ich möchte die Diversität und die räumliche Verteilung von mikrobiellen Gemeinschaften auf MMP charakterisieren. Proben von MMP wurde bereits von meinem Gastinstitut in verschiedenen Meeresregionen (Atlantik, Pazifik, Indischer Ozean) gesammelt. Mein Ziel ist es: 1) zu identifizieren, welche Mikroorganismen auf MMP vorkommen; 2) die lokale Verteilung und Struktur der mikrobiellen Gemeinschaft auf MMP und in Experimenten auf Bioplastikpartikeln zu untersuchen; 3) zu verstehen, welche Mikroorganismen am stärksten mit der Polymer Oberfläche assoziiert sind; 4) herauszufinden, ob es charakteristische Mikrobiome auf MMP in verschiedenen Meeresregionen gibt und 5) zu untersuchen, welche Mikroorganismen MMP abbauen können. Die Chancen für die erfolgreiche Durchführung des vorgeschlagenen Projekts ist hoch, da präperierte Proben bereits in meinem Gastlabor vorhanden sind, an denen die innovative Mikroskopiertechnik namens CLASIFISH (Combinatorial Labelling and Spectral Imaging Fluorescence In Situ Hybridization) angewandt werden kann. Diese Methode ermöglicht es viele verschiedene Mikroorganismen und ihre räumliche Verteilung auf einem Plastikpartikel schnell und präzise zu identifizieren. Ich möchte diese Methode an Proben aus dem Atlantik und Pazifik anwenden, sowie Mikroben identifizieren, die im offenen Ozean Plastik abbauen. Zusätzlich möchte ich Inkubationsexperimente mit Bakterienkulturen, die bereits auf Plastik identifiziert wurden und in meinem Gastinstitut zur Verfügung stehen, auf Bioplastikpartikeln durchführen. Mit diesen Experimenten möchte ich herausfinden, wie sich mikrobielle Gemeinschaften auf Bioplastik über die Zeit entwickeln und ob bzw. wie diese Mikroben Plastik abbauen. Für diese Inkubationsexperimente möchte ich FISH, CLASIFISH, scanning electron microscopy sowie metagenomische und metatranscriptomische Ansätze verwenden.

Schadstoffmonitoring Ostseekueste

Zur Ueberwachung des Nord- und Ostseewassers auf Belastungen mit persistenten organischen Halogenkohlenwasserstoffen wurden Muscheln erfolgreich als Bioindikatoren eingesetzt. Als nachteilig erwiesen sich lediglich saisonale Schwankungen in der Akkumulationsfaehigkeit der Muschel und eine - allerdings nur geringfuegige - metabolische Aktivitaet. Zur Eliminierung dieser Stoerfaktoren werden von uns zur Zeit Analysen auf Organochlorverbindungen an Sediment, Muschel und Wasser verschiedener Orte der Ostsee durchgefuehrt. Geprueft wird, ob die Anreicherung der Organochlorverbindungen des Wassers im Sediment als Indikator geeignet ist. Besonders beruecksichtigt werden bei diesen Untersuchungen die PCB-Kongenere.

Bilanzierung des Beitrags mikrobieller Biomasse zur Bildung refraktärer organischer Substanz im Boden mittels Isotopentracertechniken (Zellen, Zellbestandteile, CO2 und NH4)

Beim mikrobiellen Umsatz von organischen Verbindungen wird ein beträchtlicher Anteil des Kohlenstoffs zunächst zum Aufbau von Biomasse durch Bakterien genutzt. Diese Biomasse unterliegt nach ihrem Absterben wieder einem Abbau durch andere Mikroorganismen. In diesem Prozess werden Fragmente der abgestorbenen Zellen entweder selbst wieder zum Substrat für andere Organismen oder direkt in der Bodenmatrix festgelegt. Damit tragen sie substanziell zur Bildung der organischen Bodensubstanz (SOM) bei. Im Rahmen der geplanten Arbeiten sollen vorwiegend durch Markierungsexperimente mit stabilen und radioaktiven Isotopen die mikrobiellen Umsatzraten und die Bildung von Huminstoffen aus bakterieller Biomasse und fraktionierten Zellbestandteilen wie auch aus mikrobiellen Mineralisationsprodukten wie CO2 und NH4 in Modellböden des Schwerpunktprogrammes detailliert untersucht werden. Dazu wird die Transformation isotopisch markierter Biomassebestandteile (14C; 13C; 15N) in Bodenbioreaktoren untersucht. Die festgelegten und umgewandelten Produkte der markierten Biomasse sollen in den verschiedenen Partikel- und Huminstofffraktionen des Bodens bilanziert und mit isotopenchemischen und strukturchemischen Methoden charakterisiert werden. Damit können der stoffliche Beitrag der Biomasse an der Bildung von Huminstoffen im Boden bilanziert und Konversionsfaktoren sowie Raten für die Stoffverteilung abgeschätzt werden. Ergebnisse aus ersten Versuchen lassen zudem auf einen signifikanten Einbau von Kohlenstoff aus CO2 in die SOM schließen. Daraus könnte sich eine Neubewertung von Tracerexperimenten zur Bildung von gebundene Resten aus Xenobiotika ergeben. Im zweiten Schritt sollen Methoden zur Ermittlung der Struktur und Funktionalität der festgelegten Biopolymere entwickelt werden. Besonderes Augenmerk wird auf die Festlegung von Zellwandbestandteilen, Strukturproteinen und Nukleinsäuren gelegt.

Impakt von Pollutantien auf die P.S. (Programmierte Synthese: DNA-, RNA- und Proteinsynthese)

Veraenderungen im physiologisch-chemischen Bereich, die durch Anwesenheit von Pollutantien, insbesondere chemischen, verursacht werden, soweit sie DNA-, RNA und/oder Proteinsynthese betreffen. In der Gruppe stehen alle Enzyme und viele hoehere Komplexe zur Verfuegung. Bisher wird an wenigen biologischen Modellen gearbeitet, wie Klaerschlamm, Spongien, Echinodermata, Moos. Ziel ist es, Induktionsvorgaenge und die daraus folgenden Regulationsfolgen, wie sie unter Umwelt-relevanten Bedingungen hervorgerufen werden, zu verstehen.

Natriummonochloracetat - Toxizitaet und Wirkmechanismus

Monochloressigsaeure (MCAA) bzw. das Natriumsalz der Monochloressigsaeure (SMCA) wird in der chemischen Industrie vielfach als Zwischenprodukt fuer chemische Synthesen verwendet. In der Umwelt findet es sich in geringen Konzentrationen durch die Photooxidation chlorierter Kohlenwasserstoffe. Durch das Forschungsvorhaben soll geklaert werden: 1. Organspezifische Toxizitaet (Niere, Leber, Haut). 2. Wirkmechanismus nach Aufnahme (Zellorganellen, Metabolismus). 3. Antidots bei akuten Intoxikationen.

Mikrobielle Granula und Biofilm-Aggregate als Medien zur Übertragung spezieller metabolischer Eigenschaften in heterogene Mischkulturen

Bakterien mit speziellen strukturbildenden oder metabolischen Fähigkeiten (z.B. Flockenbildner, Nitrifikanten, CKW-Abbauer) werden in Bioaggregaten (Granula, Biofilme) angereichert und dann in Reaktoren zur biologischen Abwasserreinigung eingemischt. Durch Übertragung der neuen Fähigkeiten in die autochtone Lebensgemeinschaft (Bioaugmentation) soll die Einarbeitung des biologischen Systems und dessen Anpassung an geänderte Prozessbedingungn beschleunigt werden. Bedeutungsvoll ist ein solcher steuernder Eingriff dann, wenn die benötigten Bakterienarten sich nur sehr langsam vermehren (z.B. Nitrifikanten; Bio-P Bakterien), beim Anfahren einer Belebungs- oder Biofilmanlage, bei Regeneration der Anlage nach einem Unfall, wenn Abwässer mit ungewöhnlicher Zusammensetzung zu reinigen sind (z.B. spezielle Prozessabwässer aus der Industrie) oder Abwässer mit stark wechselnder Fracht und Zusammensetzung (z.B. Abwasser aus Firmen mit Kampagnenbetrieb, Abwasser aus touristischen Objekten). Es wird zunächst darum gehen, spezielle Anreicherungskulturen in Granula-Form heranzuzüchten. Nach Zudosieren der Granula in eine Modell-Belebungsanlage soll beobachtet werden, wie sich die Granula im System verhalten, ob sich die mit den Granula importierten Arten in der Mischkultur verbreiten, bzw. ob es durch Gentransfer zu einer Verbreitung der speziellen Fähigkeiten kommt.

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