Das Projekt "Teilprojekt: Etablierung einer Gene Targeting Technik bei Pflanzen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Botanisches Institut, Molekularbiologie und Biochemie durchgeführt. Das Ziel des hier beschriebenen Vorhabens ist die Etablierung eines Systems zur effizienten sequenzspezifischen Transgen-Integration ('Gene Targeting', GT) ins Pflanzengenom. Trotz vielfältiger Ansätze ist es bis heute nicht gelungen, in Pflanzen eine Technik zu etablieren, mit deren Hilfe durch homologe Rekombination (HR) jedes beliebige Gen effizient modifiziert werden kann bzw. spezifisch Sequenzen an jeder gewollten Stelle im Genom integriert werden können. In verschiedenen Arbeiten an Arabidopsis konnte bisher gezeigt werden, dass die Überexpression von Proteinen aus E. coli bzw. Hefe, welche in die homologe Rekombination involviert sind, zu einem Anstieg der HR und in einem Fall auch zu einer Verbesserung der 'Gene Targeting' - Frequenz führen. Durch unsere bisherigen Arbeiten konnten wir in Pflanzen Homologe von Genen (BRCA1, BARD1 und BRCA2) charakterisieren, die beim Menschen als Brustkrebs- Suppressoren wirken und konnten zeigen, dass ihr Ausfall in Arabidopsis jeweils zu einer starken Reduktion der intrachromosomalen homologen Rekombination in somatischen Zellen führt. Ziel ist es nun, durch Überexpression dieser Proteine - allein oder in Kombination - eine Zunahme der homologen Rekombination über das in Wildtyp-Pflanzen normale Maß hinaus zu erzielen, um damit die Effizienz der sequenzspezifischen homologen Integration von DNA ins Pflanzengenom insoweit zu verbessern, dass diese als Routinetechnik genutzt werden kann.
Das Projekt "Priming of heat and drought tolerance in potato" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universite de Neuchatel, Institut de Biologie durchgeführt. Treatment with necrotizing pathogens, colonization of roots with beneficial microorganisms or treatment of plants with various natural and synthetic compounds enhance the capacity of plants activating defense responses to biotic and abiotic stress - a process called priming. Priming has the advantage to have only a minor impact on the fitness of the plants compared to direct induction of a protected state and does therefore not significantly affect yield and other agricultural parameters. The priming process will be analysed in potato and compared to that found in the model plant Arabidopsis. Effects of priming on heat and drought tolerance of the plant as well as on tuberization, yield and quality of tubers will be investigated. A simple in vitro system will be developed to test the priming of heat and drought tolerance in potato by natural or synthetic compounds. The test system can be utilised in development of a new generation of bio-fertilizers that can enhance heat and drought tolerance of potato and increase the profitability of potato production in the Eastern European region.
Das Projekt "Teilvorhaben 1: Identifikation und Vorbereitung neuer Resistenzmerkmale gegen drei bedeutende pilzliche Krankheiten im Raps" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von NPZ Innovation GmbH durchgeführt. ENGENDER ist ein Verbundprojekt mit der NPZ Innovation GmbH und der Abteilung Molekulare Phytopathologie und Biotechnologie der CAU Kiel, dessen Ziel darin besteht, neue Resistenzmerkmale gegen drei bedeutende Raps-Krankheiten zu identifizieren, diese für die Rapszüchtung nutzbar zu machen und Mechanismen der Wirt-Pathogen-Interaktion aufzuklären. Dies zu erreichen wird zunächst eine umfangreiche Kollektion bestehend aus genetisch diversen Brassica napus, B. oleracea und B. rapa Akzessionen in standardisierten Gewächshaustests auf Resistenzmerkmale gegen die Erreger Leptosphaeria maculans, Sclerotinia sclerotiorum und Cylindrosporium brassicae hin getestet. Genotypen mit qualitativer oder quantitativer Resistenz gegen den jeweiligen Krankheitserreger dienen als Ausgangspunkt für genetische Analysen und als Eltern für Kreuzungen mit Elite-Rapslinien. Im Einzelnen beinhalten diese Prozesse folgende aufeinander aufbauende Arbeitsschritte: - Lokalisation der Resistenzmerkmale im jeweiligen Genom durch Kartierungsarbeiten (joinded linkage analysis, GWAS) in Kombination mit Transkriptomanalysen - Verifizierung von Funktionen genetischer Faktoren in der pflanzlichen Abwehr von Arabidopsis und Raps durch Genmutation und Genüberexpression - Entwicklung molekularer Marker für Resistenzmerkmale - Überführung von Resistenzmerkmalen in Raps Elite-Linien durch direkte Kreuzung oder Erzeugung von Resynthesen für die spätere Kreuzung mit Raps Neben der Identifikation neuer Resistenzmerkmale werden im Rahmen von ENGENDER das pflanzliche Material und die molekularen Marker entwickelt, um mittel- bis langfristig Rapssorten mit verbesserter Krankheitsresistenz zu erzeugen.
Das Projekt "Function of BAK1 in plant immunity" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Basel, Botanisches Institut, Abteilung Pflanzenökologie durchgeführt. In nature most plants are resistant to most pathogens and disease is rather the exception than the rule. A key aspect of this phenomenon is a resistance response called 'innate immunity'. It is based on the host recognition of characteristic microbial molecules, known as MAMPs (Microbe Associated Molecular Patterns), by specific receptors called pattern recognition receptors (PRRs). A paradigm of a MAMP is flagellin, the main building unit of the mobility organ of bacteria. Bacterial flagellin is perceived by the pattern recognition receptor FLS2 (FLagellin Sensing 2) at the surface of plant cells. Binding of flagellin to FLS2 on the outside of the cells induces a set of physiological responses inside the cells, which we can easily measure in our lab and which ultimately contribute to limitation of bacterial invasion and plant resistance. Our lab has focused in the last years in understanding how FLS2, a single pass transmembrane molecule, functions to transmit the signal from outside of the cell to its inside. We could demonstrate that upon stimulation with flagellin, FLS2 associates very quickly at the plasma membrane with a second receptor known as BAK1 (BRI1-Associated Kinase 1). This was initially a big surprise because BAK1 was already known as the co-receptor of the BRI1, a plant hormone receptor which regulates plant development but not plant immunity. More recently we developed an original biochemical approach to label and detect phosphorylated receptors in cell cultures in vivo. This allowed us to show that the transmission of the flagellin signal occurs via phosphorylation of FLS2 and BAK1 within seconds after flagellin perception. In addition we could show that BAK1 is capable of regulating several PRRs other than FLS2 by forming stable complexes. Thus BAK1 appears to be a crucial regulator or plant immunity in addition to its role in plant development. Our recent progress on the plants' flagellin-sensing system was mostly obtained using Arabidopsis as plant model. In view of the ability of BAK1 to form stable complexes with PRRs in a ligand-dependent manner, we are now interested to fish out and identify new PRRs, notably from crop species, using a proteomic approach. The identification of more PRRs in different plants is a very important step toward understanding plant innate immunity. In more general terms, better knowledge about innate immunity is crucial because it may reveal new strategies to fight the devastating impact of some plant diseases.
Das Projekt "From Amino Acid to Glucosinolate Biosynthesis: Protein Sequence Changes in the Evolution of Methylthioalkylmalate Synthase in Arabidopsis" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie durchgeführt. Im evolutionären Wettlauf reichen manchmal kleine Veränderungen, um einen Vorsprung vor dem Feind zu gewinnen. So stammt ein Enzym, mit dessen Hilfe Kreuzblütler 'Senfölbomben' gegen die Angriffe von Raupen herstellen, von einem Enzym mit ganz anderer Wirkung ab. Während der Urahn für die Bildung der Aminosäure Leucin zuständig ist, stellt der Nachfahre Senfölglykoside her, mit denen sich die Pflanze effektiv gegen Raupenfraß verteidigt. Nur kleine Änderungen in der chemischen Struktur haben dazu geführt, dass das Enzym eine völlig neue Aufgabe übernommen hat, die das Überleben der Pflanze sicherstellt. Pflanzen sind ständig Attacken durch Fraßfeinde ausgesetzt. Um sich davor zu schützen, haben sie ausgeklügelte chemische Verteidigungssysteme entwickelt. Kreuzblütler wie die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) schützen sich mit Senfölglykosiden vor Raupenfraß. Forscher kennen viele verschiedene Arten dieser Moleküle, die eine ähnliche Grundstruktur aufweisen und sich in ihren Seitenketten unterscheiden. Im Falle eines Raupenangriffs setzen die Senfölglykoside giftige Isothiocyanate frei. Chemiker sprechen von einer 'Senfölbombe'. Verantwortlich für die Bildung der unterschiedlichen Senfölverbindungen sind Enzyme, die die Bildung verschiedener Seitengruppen katalysieren. Forscher haben aus der Ackerschmalwand ein Enzym dieser Gruppe isoliert und sind dabei auf eine Überraschung gestoßen. Wie sie herausfanden, ist das Enzym Methylthioalkylmalat-Synthase (MAM), das für die Produktion von Senfölglykosiden sorgt, in seiner Struktur einem zweiten Enzym sehr ähnlich, das jedoch eine ganz andere Funktion hat: Die Isopropyl-Malat-Synthase (IPMS) ist für die Bildung der Aminosäure Leucin zuständig. Zwei entscheidende strukturelle Unterschiede haben die Wissenschaftler gefunden: Bei MAM fehlen die letzten 120 Aminosäuren, und im aktiven Zentrum des Enzyms sind zwei Aminosäuren ausgetauscht. Das Gen, das für IPMS kodiert, geht bei Pflanzen wahrscheinlich bis auf die Cyanobakterien zurück. Die Forscher sehen deshalb darin die ursprüngliche Form, aus der sich das MAM-kodierende Gen entwickelt hat.
Das Projekt "Teilprojekt 2: Optimierte binaere Vektoren für die Herstellung transgener Pflanzen ohne unerwuenschte Sequenzen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Bundesanstalt für Züchtungsforschung an Kulturpflanzen durchgeführt. Ziel des Verbundvorhaben ist es, mit einer Reihe verschiedener Forschungsansaetzen die DNA-Sequenzen, die bei der Transformation einer Pflanze ins Genom integriert werden, auf das funktionell notwendige Mass zu reduzieren. Um dieses Ziel zu erreichen, sollen in diesem Teilprojekt binaere Transformationsvektoren optimiert werden. Dabei soll die unerwuenschte Uebertragung von Vektorsequenzen jenseits der linken Border minimiert werden, so dass nur die gewuenschten T-DNA-Sequenzen integriert werden, die Anordnung von T-DNAs auf binaeren Vektoren fuer die Cotransformation optimiert werden (ungekoppelte Integration) und die Vektoren verkleinert werden. Mittels PCR sollen verschiedene linke Bordertypen und Kombinationen von Bordersequenzen in einen von nicht funktionalen Sequenzen befreiten binaeren Vektor einkloniert sowie Vektoren mit zwei T-DNAs bzw. zwei kompatible binaere Vektoren fuer die Cotransformation hergestellt werden. Die neuen Vektoren sollen durch Transformation von Arabidopsis getestet werden. Aufgrund der langjaehrigen Erfahrung auf dem Gebiet der Entwicklung von binaeren Vektoren und der Transformation von Pflanzen bestehen hohe Erfolgsaussichten.
Das Projekt "GABI-TRI - Biodiversität und funktionelle Genomik von endogenen kleinen RNAs, die durch biotischen und abiotischen Stress in Pflanzen induziert werden (PLASMAR)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungszentrum für Umwelt und Gesundheit, Institut für Bioinformatik durchgeführt. Ziel ist es, die Beteiligung so genannter kleiner RNAs aus Pflanzen bei der Genaktivitätsregulation unter biotischen und abiotischen Stressbedingungen aufzuklären, und die hierfür notwendigen Analysemethoden und -werkzeuge zu entwickeln. Insbesondere soll die Funktion kleiner RNAs und microRNAs auf Genomebene aufgeklärt werden. Ausgangsmaterial sind Bibliotheken kleiner RNAs, die von Arabidopsis und Tomate unter normalen Wachstumsbedingungen und unter Stressbedingungen gewonnen werden. Diese Information dient der Suche von Kandidatengenen zur Regulation durch kleine RNAs, der Entwicklung von Algorithmen zur Detektion von durch kleine RNAs regulierten Genen und der Entwicklung von Algorithmen zur Detektion kleiner RNAs und von stress-induzierbaren Elementen in deren Promoteren. Nach experimenteller Validierung wird ein kleiner RNA microarray entwickelt und zur Untersuchung der Konservierung der kleinen RNAs in anderen Pflanzenspezies benutzt werden. Vergleiche ermöglichen die Identifikation konservierter stressverbundener kleiner RNAs und möglicher spezifischer Adaptionen. Die Information und die Detektionsmethoden werden der wissenschaftlichen Öffentlichkeit bereit gestellt.
Das Projekt "Optimierung der Stickstoffversorgung in Pflanzen und Bakterien" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Hohenheim, Institut für Pflanzenernährung (330) durchgeführt. In den meisten landwirtschaftlichen Systemen ist die Höhe des Feldertrages eng an die Stickstoffdüngung gekoppelt. Im Durchschnitt werden nur 40-50 Prozent des Stickstoffdüngers direkt von den Pflanzen aufgenommen, während der grössere Anteil zu Stickoxiden, flüchtigem Ammoniakgas oder Nitrat umgesetzt wird und teilweise die Umwelt stark belastet. Zusätzlich wird ein Teil des durch die Pflanzen aufgenommenen Stickstoffs in Form von Ammonium und Nitrat wieder abgegeben bzw. verflüchtigt sich aus den Blättern als Ammoniak (Photorespiration). Pflanzensorten mit effizienter Aufnahme, Rückverlagerung und Umsatz von Stickstoff könnten helfen, den Verbrauch an Düngern und damit auch die Umweltbelastung zu verringern. Bekanntermassen bilden Nitrat und Ammonium die Hauptquelle für die Stickstoffversorgung der Pflanzen. Darauf basiert ein Forschungsthema an den Modellpflanzen Arabidopsis und Tomate, das zum Ziel hat, Ammoniumtransportprozesse zu charakterisieren und ihre Beteiligung an einer effizienten Stickstoffausnutzung aufzuklären. Einige der isolierten Ammoniumtransporter aus Arabidopsis und Tomaten zeigen unterschiedliche Substrataffinitäten und Regulationsmechanismen.
Das Projekt "Speicherlipide als alternativer Kohlenstoff-'Sink' in Kartoffelknollen (Solanum tuberosum)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie durchgeführt. Pflanzen verfügen über Speichersubstanzen wie Öl, Stärke und Protein, die in spezifischen Organen wie Samen und Knollen akkumulieren. Es ist bisher nicht bekannt, welche Faktoren für diese unterschiedliche Akkumulation der Speichersubstanzen einzelner Pflanzenarten verantwortlich sind. In diesem Projekt soll am Beispiel der Kartoffel untersucht werden, welche enzymatischen Schritte an der Kontrolle des Einbaus von Kohlenstoff in Stärke bzw. Öl beteiligt sind. Kartoffelknollen speichern große Mengen an Stärke, aber nur eine sehr geringe Menge Öl. Das Vorhandensein einer großen Anzahl transgener Kartoffellinien mit Störungen im Stärke- bzw. Kohlenhydratmetabolismus machen diese Spezies zu einem idealen Studienobjekt für biochemische Untersuchung zur Aufklärung des Flusses von Kohlenstoff in verschiedene Speichersubstanzen. Des weiteren ermöglicht es die geringe Menge an endogenem Lipid, bereits kleine Änderungen im Gehalt an Speicheröl oder dessen Vorstufen sofort zu erkennen. Es sollen daher bereits vorhandene transgene Linien, in denen wir Änderungen des Lipid-Metabolismus erwarten, biochemisch untersucht werden. Darüber hinaus wollen wir neue transgene Kartoffeln, in denen die Aktivitäten der Enzyme der Lipidbiosynthese verändert sind, erzeugen und biochemisch charakterisieren. Insbesondere wollen wir die Diacylglycerol/Acyltransferase aus Arabidopsis in Kartoffeln überexprimieren, um zu untersuchen, ob Triacylglycerol in den Knollen akkumulieren kann. Wir erwarten von der Analyse der bereits existierenden und der noch zu erzeugenden transgenen Linien zu erfahren, welche der untersuchten enzymatischen Schritte bei der Regulation des Kohlenstoffflusses von der Saccharose bis zur Stärke bzw. zum Öl eine Rolle spielen.
Das Projekt "Charakterisierung der Rolle von Mitgliedern der CRT1-Familie in wurzel-induzierter basaler Resistenz, SAR und ISR in Arabidopsis" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Justus-Liebig-Universität Gießen, Institut für Phytopathologie durchgeführt.
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