Aufbauend auf Untersuchungen der molekularen Mechanismen kalium-abhängiger Prozesse bei der Mykorrhizainfektion der Wurzeln von Populus und Medicago sollen wirtsspezifische Veränderungen der K+-Flüsse aufgeklärt werden. Ausgehend von den entsprechenden ESTs haben wir im Vorfeld Auxin-, ABA- und Zucker regulierte Kaliumkanäle und -Transporter kloniert und charakterisiert. Im Mittelpunkt unseres geplanten Forschungsvorhabens steht nun der Zusammenhang zwischen den durch die verschiedenen Transporter gesteuerten Flüssen und der Ausbildung der Pflanze-Pilz-Symbiose. Dabei sollen insbesondere der Ernährungsstatus und die hormonelle Regulation Berücksichtigung finden. Beim Übergang in den symbiotischen Zustand sollen deshalb die Pilz-induzierten Änderungen der Kaliumkonzentration und -flüsse in der Wurzel und die Expressions- und Aktivitätsmuster der hierfür verantwortlichen Kanäle und Carrier gezielt untersucht werden. Um dem interdisziplinären Charakter dieses Projektes gerecht zu werden und die noch offenen Fragen zur Ernährungsphysiologie, Molekularbiologie und Biophysik der Symbiose zu beantworten, finden sich im Arbeitsprogramm neben Untersuchungen zur Stoffanalytik und -dynamik verstärkt molekulare und biophysikalische Analysen.
Es wird untersucht, welche physiologischen, ethologischen und oekologischen Voraussetzungen erfuellt sind, damit es zum Zusammenleben artverschiedener Tiere im marinen Bereich kommt. Es werden die Signale bzw. Kommunikationsmoeglichkeiten, die haeufig chemischer Natur sind, analysiert.
Das Südchinesische Meer ist das größte Randmeer der Erde und ausschließlich von stark besiedelten Ländern wie China, Indonesien, Philippinen oder Vietnam umgeben. Klimaänderung und menschliche Einflüsse im Einzugsgebiet des Mekong (18 geplante Stauseen zu Stromgewinnung und Intensivierung der Aquakultur) werden die Flusseinträge drastisch verändern und in der Folge die Biogeochemie der Küstengewässer. Die Geschwindigkeit und Größenordnung dieser Veränderungen lassen es wahrscheinlich erscheinen, dass das hier geplante Feldprogramm eine der wenigen Gelegenheiten sein wird, dieses Meeresgebiet zu erfassen, bevor es sich grundlegend verändert hat. Die gegenwärtige Rolle der Nährstoffeinträge des Mekong für die Produktivität des Südchinesischen Meeres soll im Vergleich zu den Nährstoffeinträgen durch den Auftrieb während des SW Monsuns untersucht werden. Ergebnisse früherer Arbeiten von uns lassen vermuten, dass die Stickstofffixierung von Cyanobakterien, die in Symbiose mit Diatomeen vorkommen, eine zentrale Rolle spielt. Zudem gibt es einzellige und koloniebildende N-Fixierer wie Trichodesmium in der Flussfahne. Die Interaktion von stickstofffixierenden Organismen, die von den Einträgen des Mekong abzuhängen scheinen, ist bislang nicht verstanden und steht im Fokus dieses Projektes. Die Nährstoffzusammensetzung in Wasser und die Aufnahme von markierten Kohlenstoff und Stickstoffverbindungen wird in der Flussfahne und im Auftriebsgebiet quantifiziert. Zudem wird auf Zellebene der Austausch von Stickstoff und Kohlenstoff zwischen Diatomeen und ihren stickstofffixierenden Symbionten mittels NanoSIMS analysiert. Zeitgleich wird die Gemeinschaft der Stickstofffixierer entlang der Flussfahne und im offenen südchinesischen Meer von amerikanischen und vietnamesischen Kollegen durch genomische, molekularbiologische und taxonomische Methoden erfasst. In der Synthesephase des Projektes soll durch die Zusammenführung aller Ergebnisse ein tiefgreifendes Verständnis des menschlichen Einflusses auf die Biogeochemie des Küstenmeeres vor Vietnam erreicht werden. Zwei Expeditionen in das Gebiet des Mekongausstroms sind bereits durch einen genehmigten Antrag des Schmidts Oceanographic Institute aus den USA abgesichert, so dass Probennahmen und Experimente an Board geplant werden können. Aufgrund des früheren, sehr erfolgreichen DFG finanzierten Vorhabens bestehen enge Kontakte zum Institute of Oceanography in Nha Trang, Vietnam, auf die hier aufgebaut wird.
Der Stoffaustausch zwischen Pilz und Pflanze stellt eine Hauptfunktion der Ektomykorrhizasymbiose dar. Wie er ermöglicht und kontrolliert wird soll im Rahmen dieses Projekts am Beispiel des Stickstoffs untersucht werden. Für den Pilz ergibt sich in der Symbiose die Notwendigkeit, die jeweilige Umgebung zu unterscheiden, da beispielsweise Aminosäuren von den Bodenhyphen aufgenommen und dann von den Hyphen des Hartigschen Netzes an die Pflanze abgegeben werden. Beide Hyhentypen unterscheiden sich in ihrem Stickstoffversorgungsstatus. Während dieser für Bodenhyphen niedrig ist, ist er in den Hyphen des symbiontischen Organs hoch, wie von uns anhand der Expression eines stickstoffabhängig regulierten Aminosäuretransportergens gezeigt wurde. In dem vorgeschlagenen Projekt soll daher unsere Hypothese, dass der durch Glutamin regulierte Stickstoffstatus der Hyphen ein wichtiges Element zur Steuerung der Aminosäureaufnahme bzw. -Abgabe in Ektomykorrhizapilzen ist, überprüft werden. Dazu soll die Glutaminsynthetase von Amanita muscaria mittels Antisense-RNA Technik inaktiviert werden, um so in den Hyphen des Pilz/Pflanze-Interfaces einen Stickstoffmangel zu simulieren. Anschließend soll die Auswirkung dieser Mutation auf die Stickstoffversorgung mykorrhizierter Pflanzen untersucht werden.
Das trade balance model (Leistungsbilanzmodell) postuliert, dass Pflanzen, die eine Symbiose mit Arbuskulären Mykorrhizapilzen (AM-Pilze) eingehen, desto mehr abhängiger von ihren Pilzpartner werden, je mehr die Phosphorverfügbarkeit sinkt. Daraus folgt, dass die Bedeutung der AM-Symbiose vermutlich in Ökosystemen mit einer geringen Phosphorverfügbarkeit steigt. Durch die Kombination, die AM-Gemeinschaft zu messen und die Phosphorpools im Boden genau zu berechnen, erwarten wir, einen komplett neuen Einblick darauf zu bekommen, zu welchen P-Pools Schlüsselarten wie AM-Pilze Zugang haben. Darüber hinaus erwarten wir neue Ergebnisse über die Diversität und Abundanz der AM-Pilze in diesem für diese Organismusgruppe 'nicht-klassischen' Ökosystem Buchenwald. Wir stellen die Hypothese auf, dass AM-Pilze, als Hauptvertreter der Phosphoraufnahme bei vielen Pflanzen in Abundanz und Diversität im Unterwuchs (sowohl im Boden als auch in den Wurzeln) entlang einer graduellen Phosphorabnahme zunehmen, und dass sie daher zunehmend zu einem Phosphorrecycling beitragen. Für dieses Ziel beabsichtigen wir die AM-Pilz Abundanz (Hyphenlänge und Wurzelkolonisierung) zu messen und zusätzlich dazu die AM-Pilz-Diversität mittels Pyrosequenzierung. Dies kann möglicherweise dazu animieren, andere 'nicht-klassische' Ökosysteme zu untersuchen, in denen sich eventuell auch eine unbekannte hohe AM-Pilz-Diversität verbirgt. Ein zusätzliches Gewächshausexperiment wird es uns ermöglichen, die Höhe der Phosphoraufnahme der Pflanze über die AM-Hyphen zu quantifizieren, was nach unserer Kenntnis noch nie in diesen Ökosystemen gemacht wurde.
Die Bedeutung der Pilz-Wurzel-Symbiose für die Wirtspflanze liegt nach gängiger Auffassung in einer durch den Pilzpartner verbesserten Nährstoff- und Wasserversorgung. Es existieren eine Reihe von Untersuchungen, die zeigen, dass generell die Wasserversorgung, und damit auch die Trockenstressresistenz von Pflanzen mit dem Grad der Mykorrhizierung korreliert ist. Ein Vergleich des Wasserstatus von Pflanzen in Abhängigkeit der Mykorrhizierung ist allerdings schwierig, da mykorrhizierte Pflanzen auch über eine bessere Nährstoffversorgung verfügen und damit andere Wuchseigenschaften besitzen. Es ist bis jetzt jedoch völlig unbekannt auf welche Weise eine Mykorrhizierung die Wasserversorgung des Wirts verändert. Unabhängig vom Weg des über pilzliche Rhizomorphen herangeschafften Wassers in den Zentralzylinder der Wirtswurzel sind Wasserkanäle der pflanzlichen Plasmamembranen wesentlich an der Feinregulation des Wasserflusses beteiligt. Unsere Vorarbeiten deuten daraufhin, dass sich die Expression von Wirts-Genen, die für Aquaporine kodieren, in Abhängigkeit von der Mykorrhizierung verändert. Es ist daher Ziel des vorgeschlagenen Projekts, die Regulation der Expression dieser Gene, und damit die Bedeutung von Aquaporinen für den Wassertransport in der mykorrhizierten Wurzel, zu untersuchen und mit dem Wasserfluss im Wurzelsystem zu korrelieren. Letzteres soll mittels der minimalinvasiven Druckmesssondentechnik erfolgen, die durch die Beobachtung der hydrostatischen Drücke einzelner Zellen oder Xylemelemente die Bestimmung wichtiger Wasser- und Stofftransportparameter wie der hydraulischen Leitfähigkeit ermöglicht.
Prozesse auf der Mikro-Habitat-Skala könnten Veränderungen der Ökosystemfunktionen in Grünlandböden in größerem Maßstab erklären. In der letzten Phase haben wir gezeigt, dass Pilze wichtige Kohlenstoff- und Nährstofftransmitter zwischen der Mineralosphäre und der Rhizosphäre in Grünlandböden sind. In der nächsten Phase wollen wir die spezifische Bedeutung des Hyphosphäre (wurzelloser Boden um die Hyphen) unter Feldbedingungen mit Hilfe neu entwickelter HYPHOboxen untersuchen. Wir werden die Rhizosphäre und die Detritusphäre von der Hyphosphäre trennen. Mit zwei 13C-Markierungsansätzen, einem mit markiertem CO2 und einem mit markierter Pflanzenstreu, wollen wir untersuchen, ob die Landnutzungsintensität (LUI) den Kohlenstofffluss von Pflanzen in die Rhizo- und Hyphosphäre bzw. den Nährstofffluss von der Hyphosphäre in die Rhizosphäre beeinflusst. Die Frage ist, ob symbiontische arbuskuläre Mykorrhizen (AMF) oder freilebende saprotrophische Pilze die anfängliche C-Aufnahme dominieren werden, indem sie pflanzenbürtigen C verarbeiten und schnell in die Hyphosphäre leiten. Hyphosphären-Mikroorganismen könnten auch als Brücke für Kohlenstoff- und Nährstoffe zwischen der Detritusphäre und der Rhizosphäre dienen. Die neu etablierten Multi-Grünland-Experimente geben uns die Möglichkeit zu untersuchen, inwieweit und wie schnell eine Extensivierung der Grünlandnutzung die Biomasse und Funktion von Bodenmikroorganismen verändert. Die voneinander unabhängige Verringerung der Nährstoffversorgung (Reduzierung der Düngung, direkte Reaktion der Bodenmikroorganismen) oder die verminderte Mahthäufigkeit (Veränderungen des Pflanzeneintrags in den Boden, indirekte Reaktion der Bodenmikroorganismen) in diesem Experiment ermöglicht es, die beiden verschiedenen Mechanismen zu entschlüsseln und somit das mechanistische Verständnis der Reaktion von Grünland Agrarökosystemen auf Veränderungen der Landnutzungsintensität zu verbessern. Das langfristige Monitoring der mikrobiellen Parameter in 150 Grünlandstandorten (in Fortsetzung der Jahre 2011, 2014 und 2017) wird es uns ermöglichen, Effekte von kurzfristigen Veränderungen der Landnutzungsintensität (innerhalb von drei Jahren) von denen der längerfristigen Historie des Standorts (Legacy-Effekt) auf die Funktionen und die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften zu trennen.
Symbiontische N2-Fixierung von Leguminosen und Rhizobiumbakterien in spezifischen Organen der Pflanze (Wurzelknöllchen) stellt einen wirtschaftlich und ökologisch bedeutsamen Beitrag zur N-Ernährung von Leguminosen dar. Die Bedeutung von Leguminosen für die menschliche und tierische Ernährung wird auf nationaler und internationaler Ebene wachsen. Symbiontische N2-Fixierung ist für die Pflanze mit erheblichen Energieaufwendungen verbunden und kann im Gegenzug den überwiegenden Teil der N-Ernährung der Leguminose realisieren. Diese für die Pflanze enormen Stoffumsätze bestimmten wesentlich ihre Produktivität. Die N2-Fixierung ist über gut koordinierte längerfristige (Knöllchenansatz, Knöllchenseneszenz) und kurzfristige Mechanismen (Limitierung der Bildung organischer Säuren, N-Feedbackmechanismus) dem N-Bedarf der Sprosse der Leguminosen angepasst. Das vorliegende Projekt verfolgt das Ziel, einen Beitrag zu einem umfassenden physiologischen und molekularbiologischen Bild der Regulationsmechanismen der N2-Fixierung auf Ganzpflanzenebene zu erbringen, um Ansatzpunkte für eine verbesserte Effizienz dieses Vorgangs zu finden. Hierzu werden auf Basis umfangreicher experimenteller Erfahrung über die längerfristige Manipulation der Atmosphäre um die Wurzeln und/oder um die Sprosse einerseits und durch die Manipulation der Phloemzusammensetzung (N-Feedbackmechanismus) andererseits unterschiedliche 'Regulationszustände' der Knöllchen eingestellt. Diese Pflanzen werden dann einer vergleichenden Transkriptomanalyse auf der Basis von Genchips unterzogen. Identifizierte 'Schlüsselgene' der Knöllcheneffizienz sollen anschließend überexprimiert und die Reaktion der Symbiose verfolgt werden. Die Arbeiten sind an der Modellleguminose Medicago truncatula geplant.
Bei den meisten bestandsbildenden Waldbäumen, aber auch bei krautigen Pflanzen, ist die Mykorrhiza, eine enge Symbiose zwischen Pflanzenwurzeln und Bodenpilzen, von entscheidender Bedeutung für die Nährstoffversorgung. Charakteristische Strukturmerkmale der ektrotrophen Form dieser Symbiose, die im wesentlichen bei holzigen Pflanzen ausgebildet wird, sind die Bildung eines Hyphenmantels, der locker aufgebaut, aber auch sehr komplex ausgestaltet sein kann und die Wurzel vollständig umschließt, und eines Hartig'schen Netzes, das eine apoplastische Stoffaustauschzone mit transferzellartigen Strukturen darstellt. Kontrovers wird die Möglichkeit und Bedeutung der rein apoplastischen Nährstoffanlieferung von der Bodenlösung über den Hyphenmantel an diese Austauschzone diskutiert, wobei deren mögliche Begrenzung eine vollständige Abhängigkeit der Wurzel hinsichtlich der Nährstoffversorgung von ihrem pilzlichen Symbiosepartner bedeutet. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, einerseits die apoplastische Permeabilität des Hyphenmantels bei verschiedenen Mykorrhiza-Assoziationen der Kiefer und Pappel zu untersuchen und zum anderen den Apoplasten im Bereich des Hartig'schen Netzes bezüglich der Nähr- und Schadstoffbereitstellung wie auch des pH-Wertes näher zu charakterisieren, um damit Aussagen über den Beitrag der Mykorrhiza zur Nährstoffversorgung des pflanzlichen Symbiosepartners treffen zu können.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 342 |
| Europa | 3 |
| Land | 4 |
| Wissenschaft | 152 |
| Zivilgesellschaft | 2 |
| Type | Count |
|---|---|
| Daten und Messstellen | 1 |
| Förderprogramm | 342 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 343 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 294 |
| Englisch | 104 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Datei | 1 |
| Dokument | 1 |
| Keine | 265 |
| Webseite | 77 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 268 |
| Lebewesen und Lebensräume | 343 |
| Luft | 142 |
| Mensch und Umwelt | 341 |
| Wasser | 143 |
| Weitere | 333 |