Die Integration lebender Zellen in Biomaterialien ermöglicht es, die hochentwickelte verkörperte Intelligenz von Zellen für die Entwicklung neuartiger adaptiver Biomaterialien nutzbar zu machen. Die exquisiten sensorischen Fähigkeiten der Zelle und ihre vielseitigen Produktionskapazitäten bieten beispiellose Möglichkeiten, Materialien mit adaptiver Funktionalität auszustatten. Der Einsatz moderner Werkzeuge der synthetischen Biologie ermöglicht es, bestehende Sensorwege neu zu verdrahten oder völlig neue molekulare Funktionen auf effiziente und zunehmend rationale Weise zu entwickeln. In diesem Projekt wollen wir die synthetische Biologie nutzen, um Mikroorganismen, die mit dem Matrixmaterial in einer bidirektionalen Weise interagieren, genetisch neue Sinnesprozess-Reaktionsfähigkeiten zu verleihen. Genauer gesagt werden wir E. coli so verändern, dass sie auf mechanischen Stress, der auf die Zellwand einwirkt, durch die Expression und Sekretion von Matrix-modulierenden Faktoren reagieren. Insbesondere werden wir genetische Schaltkreise für die stressinduzierte Genexpression von matrixverstärkenden und -abbauenden Substanzen entwerfen. Unter vielen möglichen Varianten wird dies Materialien ermöglichen, die sich automatisch entlang der Hauptbelastungslinien verstärken und in Bereichen mit geringer Belastung weicher werden können. Wir werden die Kompatibilität verschiedener Matrixbasismaterialien und deren Zusammensetzung für die Lebensfähigkeit von E. coli und für die Kraftübertragung auf die Bakterien untersuchen. Für die biochemische Stresstransduktion werden wir das RcsCDB-Zweikomponentensystem nutzen, aber wir werden auch agnostisch nach Promotoren suchen, die auf mechanischen Stress reagieren. Wir werden die Matrix-modulierende Wirkung der resultierenden gentechnisch veränderten Bakterien in quantitativer Hinsicht genau charakterisieren. Mit Hilfe unserer 3D-Bioprinting-Fähigkeiten werden wir diese Bakterien in räumlich aufgelöster Weise ablagern, um neuartige 3D-Origami-Strukturen zu realisieren. Schließlich werden wir unser neues, künstlich hergestelltes lebendes Material (ELM) einsetzen, um ein neues Herstellungsparadigma zu erproben. Bei diesem biomorphen Ansatz werden die Materialien wiederholt mit den gewünschten Belastungsprofilen trainiert und bauen automatisch eine neue, für die angewandte Belastung optimale Tragstruktur auf. Das Projekt wird unser grundlegendes Verständnis von ELMs verbessern und dadurch neue Erkenntnisse über die Mechanosensorik in Bakterien liefern, ihr Potenzial für die Neugestaltung in der synthetischen Biologie erhellen und neue Design- und Herstellungstechnologien für adaptive Biomaterialien hervorbringen.
Bodensalinität hat einen gravierenden Einfluss auf den Ernährungszustand und das Wachstum von Kulturpflanzen. Salzstress vermindert das Wachstum von Kulturpflanzen. Voruntersuchungen haben gezeigt, dass Salzstress bei Mais zu einer Alkalisierung des Apoplasten führt. Expansine sind apoplastische Proteine die für die Extensibilität der Zellwand und deren Wachstum verantwortlich sind. Sie haben ein saures pH-Optimum. Erste proteomanalytische Voruntersuchungen haben auch gezeigt, dass Expansine unter Salzstress vermindert werden und dass sie damit vermutlich wesentlich zur Wachstumsreduktion beitragen. Im vorliegenden Projekt soll die Regulation einzelner Expansin-Isoformen auf Transkriptebene sowie proteomanalytisch untersucht werden. Ein Expansinantikörper mit dessen Hilfe die Regulation einzelner Isoformen quantitativ in (2D-)Western-Blots sowie histologisch nachgewiesen werden kann, soll zum Einsatz kommen. Dazu sollen Kurzzeit- und Langzeit-Salzstress in verschiedenen Segmenten von Maisblättern untersucht werden. Weiterhin sollen das unterschiedliche Anpassungsvermögen mittels sensitiver und resistenter Maishybriden untersucht werden. Des Weiteren könnten Expansin-Isoformen auch durch posttranslationale Modifikationen reguliert werden. Im geplanten Projekt sollen daher Proteinphosphorylierungen an apoplastischen Proteinen untersucht werden. Optional soll im letzten Zeitraum des Antrags anhand eines revers-genetischen Ansatzes weiterhin eine Expansin-Isoform in Mais überexprimiert werden, um zu überprüfen, in wieweit diese Isoform zum verbesserten Wachstum unter Salinität beiträgt. Die Ergebnisse des Projekts werden maßgeblich zur Aufklärung des Beitrags der Expansine zur Wachstumsregulation von Mais unter Salzstress beitragen.
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.
Wir möchten grundlegende Mechanismen der quantitativen Resistenz und Anfälligkeit gegen den Echten Gerstenmehltau aufklären. Wir werden die Daten aus unseren vorläufigen und geplanten Transkriptomanalysen nutzen, um die Funktion von Genen zu analysieren, die in Elternpflanzen und RACB-transgenen Pflanzen mit entweder erhöhter oder erniedrigter Anfälligkeit differenziell experimiert sind. Die Modifikation der Zellwand und der Zellzyklus stehen dabei bereits jetzt im Fokus unseres Interesses. Um ein tiefgehendes Verständnis der Transkriptionsmuster zu erlangen, nutzen wir Ansätze der reversen Genetik, Metabolismusstudien und Zellbiologie in unterschiedlichen Gerstengenotypen.
Der Extrazellularraum (Apoplast) der hoeheren Pflanze ist fuer das Wachstum und die Anpassung an Umweltbedingungen von zentraler Bedeutung. Stressoren wie Schwermetalle, erhoehter Salzgehalt des Bodens oder Luftschadstoffe fuehren zu Stoerungen in der Biochemie des Apoplasten und induzieren Anpassungsreaktionen, die wiederum das Wachstum hemmen oder unter den Stressbedingungen foerdern koennen. Die bisherigen Untersuchungen zeigen, dass die verschiedenen Umweltstressoren im Apoplasten aehnliche Reaktionen induzieren, die molekularbiologisch und biochemisch detailliert untersucht werden muessen, um das Wachstum und Ueberleben von Pflanzen unter Stressbedingungen zu verstehen.
Bormangel ist ein weltweit verbreiteter abiotischer Stress, der zu starken Ertragseinbußen bei vielen Nutzpflanzen, wie beispielsweise Mais, führt. Die zugrundeliegenden Mechanismen sind nur teilweise erforscht. Der Mikronährstoff Bor wird in Form von Borsäure von der Pflanze aufgenommen und kann cis-Diole binden, was ausschlaggebend für seine Funktion ist. Theoretisch gibt es viele mögliche Bor-Bindestellen in der Pflanzenzelle, allerdings wurde bis jetzt nur gezeigt, dass Bor an Rhamnogalacturonan-II (RG-II) binden kann, und wichtiger noch, dass Bor zwei RG-II Moleküle in der Zellwand miteinander verbindet. Ob es weitere Bor-Bindestellen gibt und ob Bor außerhalb der Zellwand biologische Signifikanz hat, ist bisher ungeklärt. Um diese Fragen zu untersuchen, soll im vorgeschlagenen Projekt die Chemikalie Phenylborsäure (PBS) verwendet werden, welche strukturell ähnlich zur Borsäure ist. Ähnlich zur Borsäure versorgt PBS Pflanzenzellen mit Bor und bindet an cis-Diole. Im Unterschied zur Borsäure kann PBS aber keine Moleküle miteinander verbinden, weswegen PBS verwendet wird, um Symptome von Bormangel zu induzieren. Mit Hilfe von PBS besteht deshalb die Möglichkeit weitere Funktionen von Bor neben der Verbindungsfunktion von RG-II, sowie weitere Bor-Bindepartner zu identifizieren. Das vorgeschlagene Projekt soll die von PBS induzierten zellulären und molekularen Defekte in der Primärwurzel von Mais untersuchen und mit Defekten vergleichen, die durch Bor Defizienz induziert werden. Dabei sollen gezielt folgende Prozesse genauer untersucht werden: Zellteilung, Zellexpansion, Meristementwicklung, Ethylen Biosynthese, Auxin Transport und Signalprozesse von Cytokinin. Zusätzlich sollen im beantragten Projekt durch Screening und Proteomics-Ansätze die molekularen Angriffspunkte von PBS identifiziert werden.
Die physiologischen Ursachen von Mn-Toxizität und Unterschieden in der Mn-Gewebetoleranz in Abhängigkeit vom Genotyp, Blattalter, Si-Versorgung und Form der N-Ernährung (NO3-N versus NH4-N) sind noch weitgehend ungeklärt. Vorliegende Informationen aus der Literatur und insbesondere die eigenen Vorarbeiten weisen darauf hin, daß die Wirkungen von Mn auf Redoxprozesse im Blattapoplasten entscheidend für Mn-Toxizität und Mn-Toleranz sind. Im Vordergrund des beantragten Vorhabens soll daher die Untersuchung dieses Kompartiments stehen. Bei Cowpea (Vigna unguiculata (L.) Walp.) soll mit Hilfe von histochemischen Methoden überprüft werden, ob ein erhöhtes Mn-Angebot zu einem vermehrten Auftreten von reaktiven Sauerstoffspezies im Zellwandbereich führt. Neben der Bestimmung der antioxidativen Substanzen Ascorbinsäure, Glutathion und a-Tocopherol (Zusammenarbeit mit der AG Noga, Universität Bonn) des Apoplasten und Cytosols, des im Cytoplasma vorliegenden regenerativen Halliwell-Asada-Zyklus (Monodehydroascorbat- und Dehydroascorbat-Reduktase bzw. Glutathion-Reduktase) soll eine Charakterisierung der im Blattapoplasten lokalisierten Enzyme Peroxidase und Superoxid-Dismutase sowie der im Apoplasten vorkommenden Phenole vorgenommen werden, deren Zusammensetzung als mitentscheidend für die physiologischen Ursachen der Mn-Gewebetoleranz angesehen wird. Aufgrund der erwarteten Parallelen zwischen Mn- und Ozon-Toxizität soll vergleichend auch die Mn- bzw. Ozon-Toleranz verschiedener Pflanzenarten in Kooperation mit der AG Langebartels (GSF, Oberschleißheim) untersucht werden. Die Freisetzung von Ethan und Ethen als Indikatoren von Membranperoxidation soll mit Hilfe der hochempfindlichen Technik der Photoakustik in Zusammenarbeit mit der AG Kühnemann (Universität Bonn) bestimmt werden. Es wird erwartet, daß das Vorhaben zur Klärung der physiologischen Ursachen von Mn-Toxizität und Mn-Toleranz beiträgt.
Einige Algenarten bilden besonders große Zellen aus: Internodialzellen von Characeen werden bis zu 10 cm lang, der Thallus siphonaler Algen (Schlauchalgen) kann 1 bis 3 m lange werden. Diese Arten eignen sich besonders gut zur Untersuchung des Ionenhaushaltes, Regulation des Ionentransportes (u.a. Nährstoffaufnahme) und damit des Turgordruckes und der Wundheilung sowie der damit verbundenen Zellwandregeneration. Die Verbreitung der Characeen in Norddeutschen Seen und ihre Eignung zur Erstellung eines Makrophytenindex für die Qualitätsbestimmung von Gewässern wird ebenfalls erfaßt.
Die Wasseraufnahme von Pflanzen gehört aus methodischen Gründen zu den am wenigsten erforschten Bereichen der Ökophysiologie. Mit neu entwickelten Miniatursaftflusssystemen soll die Wasseraufnahme von drei wichtigen Nutzbaumarten (Kiefer, Buche, Pappel) in situ an Altbäumen gemessen werden, und oberflächenbezogene Wasseraufnahmeraten in Beziehung zu steuernden Umweltvariablen (Bodenfeuchte, vpd, Strahlung) gesetzt werden. An denselben Wurzeln werden Xylem-Wasserpotentiale, die anatomische Struktur von Periderm und axialem Leitgewebe, die CavitationsGefährdung (nach Sperry) und der Suberin- und Lignin-Gehalt der Periderm-Zellwände (mittels Methanol-Borontrifluorid bzw. Thiacidolyse) gemessen, um pflanzliche Einflussgrößen der radialen (Lpr) und axialen hydraulischen Leitfähigkeit (Kh) der Wurzel zu erfassen. Durch den Vergleich von Baumarten mit unterschiedlicher Trockenheitsempfindlichkeit (Kiefer vs. Buche) und hoher bzw. niedriger Transpirationsrate (Pappel vs. Kiefer) soll geklärt werden, ob (1) hohe Transpirationsraten mit hohen Wurzelwasseraufnahmeraten und großen radialen Wurzel-Leitfähigkeiten verbunden sind, (2) trockenheitsempfindliche Baumarten eine höhere Cavitationsempfindlichkeit ihrer Feinwurzeln aufweisen, und (3) Baumwurzeln sich durch Änderungen von hydraulischer Leitfähigkeit und Wurzeloberflächenentwicklung an Bodentrockenheit anpassen können.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 107 |
| Land | 2 |
| Wissenschaft | 68 |
| Zivilgesellschaft | 2 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 107 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 107 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 101 |
| Englisch | 14 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Dokument | 2 |
| Keine | 76 |
| Webseite | 31 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 78 |
| Lebewesen und Lebensräume | 104 |
| Luft | 56 |
| Mensch und Umwelt | 107 |
| Wasser | 56 |
| Weitere | 107 |