Beiträge zu den Jahrbüchern

Pflanzen müssen an ihrem Standort dem Wetter trotzen. Immer extremer werdende Hitzewellen und Kälteeinbrüche bringen aber mittlerweile selbst die robustesten Pflanzen an ihre Grenzen. Wir untersuchen, wie Chloroplasten als kleine Sonnenkraftwerke der Pflanzen helfen, solche Temperaturschwankungen zu überstehen. Dabei entschlüsseln wir die komplexen Wechselspiele, die in Pflanzenzellen zwischen dem Erbgut des Zellkerns und dem der Chloroplasten ablaufen. Unsere Erkenntnisse liefern das Fundament dafür, gezielt Nutzpflanzen zu züchten, die für die kommenden Klimaveränderungen gewappnet sind.

Aufgrund des Klimawandels und der steigenden Nachfrage nach hochwertigen Lebensmitteln ist es von entscheidender Bedeutung, die grundlegenden Mechanismen zu verstehen, die das Pflanzenwachstum steuern, um besonders die Kultivierung von Nutzpflanzen weltweit zu verbessern. Durch die Kombination von Genetik, systembiologischen Ansätzen, Hochdurchsatz-Bildgebungsverfahren und mathematischer Modellierung konnten wir die molekularen Hauptakteure bei der Kontrolle des Pflanzenwachstums im Zuge der Reaktion auf wechselnde Umweltbedingungen identifizieren.

Mütter vererben mehr Erbinformation an ihre Nachkommen als Väter, da das weibliche Geschlecht über die Eizelle auch Zellbestandteile mit eigenem Erbgut weitergibt, nämlich Mitochondrien und Chloroplasten. Bei der Nachtkerze (Oenothera) können Chloroplasten inklusive ihrer Gene aber auch über den Pollen des Vaters übertragen werden. Dies macht einen Konflikt zwischen den Geschlechtern sichtbar, bei dem es darum geht, wessen Gene sich durchsetzen. Durch die Identifikation eines Enzyms des Fettsäurestoffwechsels konnten wir erstmalig zeigen, wie der „Kampf der Geschlechter“ ausgetragen wird.

Wechselwirkungen zwischen den Genomen von Elternpflanzen können bei ihren Nachkommen zu schlechteren Leistungen und reduzierter Anpassungsfähigkeit an die Umwelt (Fitness) führen. Mittels moderner Methoden der Genomforschung konnten wir bei Arabidopsis thaliana zeigen, dass an dieser Hybridinkompatibilität nicht nur Gene beteiligt sind, die für die Anpassungsfähigkeit wichtig sind, sondern auch solche, die grundlegende Prozesse mitbestimmen. Wie diese Gene funktionieren und welche Rolle sie bei der Standortanpassung und für die Evolution spielen, werden wir genauer untersuchen.

Die Aufklärung der zellulären Mechanismen, die die Stresstoleranz von Pflanzen kontrollieren, ist von erheblichem Interesse für die Züchtung neuer Kulturpflanzen, gerade unter den Bedingungen des Klimawandels. Mittels moderner Methoden der Genomforschung haben wir mehrere regulatorische Netzwerke identifiziert, die die pflanzliche Stresstoleranz sowohl in Modellpflanzen als auch ausgewählten Kulturpflanzen kontrollieren. In den kommenden Jahren wollen wir unsere Forschung verstärkt auf bisher wenig untersuchte Kulturpflanzen, beispielsweise Quinoa, ausweiten.

Die Coccolithophoride sind eine Gruppe mariner einzelliger Algen mit einem Schuppenpanzer aus Kalk. Aufgrund des Beitrags der Kalkbildung zum globalen Kohlenstoffkreislauf besitzen sie eine große ökologische Bedeutung und beeinflussen unser Klima. Die nur Mikrometer großen Schuppen sind architektonische Meisterwerke. Derart komplexe Mikrostrukturen lassen sich bislang gar nicht oder nur mit aufwendigen Verfahren herstellen. Der Mechanismus der Schuppenbildung besitzt das Potential, die Synthese von Materialien für die Nanotechnologie zu revolutionieren und Klimavorhersagen zu verbessern.

Protein-kodierende RNA Moleküle werden zwischen pflanzlichen Geweben ausgetauscht. Diese mobilen RNA Signale sind evolutionär hochkonserviert, wir finden also die gleichen Signale in unterschiedlichen Pflanzenfamilien. Nach dem Transport ins Zielgewebe werden die Signale in Proteine übersetzt. Die überraschend hohe Anzahl von mobilen RNAs, sie werden von rund 20% der Gene produziert, stellen infrage, inwieweit Zellen autonom agieren und wie wir in der Pflanzenbiologie Signale definieren.

Im lichtabhängigen Prozess der Photosynthese werden NADPH und ATP für den Calvin-Zyklus zur Fixierung und Reduktion des aufgenommenen Kohlenstoffdioxids bereitgestellt. Dabei muss die Produktion von ATP und NADPH an den jeweiligen Verbrauch im Calvin-Zyklus angepasst sein, ansonsten werden vermehrt reaktive Sauerstoffspezies gebildet, die den Photosynthese-Apparat zerstören. Reguliert wird die Kapazität des Elektronentransports durch den Gehalt an Cytochrom b₆f Komplex. Die Arbeitsgruppe hat untersucht, welchen Beitrag Biogenese und Degradation des b₆f Komplexes an der Anpassung haben.

Unter Einbeziehung umfassender genetischer Kenntnisse und biochemischem Wissen werden oftmals wesentliche Parameter eines Problems durch mathematische Formeln beschrieben, mit deren Hilfe wiederum Modelle erzeugt werden können. Nach Überprüfung ihrer Relevanz können die Modelle dazu genutzt werden, Voraussagen zu treffen. Dank der Gewinnung von Daten aus Hochdurchsatztechnologien und Inhaltsstoffbestimmungen können so neuartige Methoden entwickelt werden, die eine Charakterisierung der Aktivitätsmuster von Stoffwechselwegen ermöglichen, um beispielsweise das Zellwachstum besser zu verstehen.

Die Etablierung neuer Sequenziertechnologien führte zu einer massiven Zunahme der verfügbaren genomischen Sequenzinformation. Die Genomsequenzen hunderter verschiedener Ökotypen der Modellpflanze Arabidopsis thaliana können mit bioinformatischen Methoden gezielt untersucht werden, um merkmalsrelevante Gene  oder neue regulative Abschnitte zu identifizieren.  

Wildarten können verwendet werden, um die genetische Vielfalt von Kulturpflanzen zu erhöhen und ihren Wert für die landwirtschaftliche Produktion zu verbessern. Dafür ist ein umfassendes Verständnis der Stoffwechselwege und der Wechselwirkungen zwischen Genen, Erscheinungsbild (Phänotyp) und Umwelt notwendig. Das Metabolitenprofiling ist eine sich rasch verbreitende Technologie zur chemischen Phänotypisierung und diagnostischen Analyse von Pflanzen. Sie stellt einen leistungsstarken Ansatz dar, um die für die Stoffzusammensetzung ausschlaggebenden genetischen Faktoren zu bestimmen.

Pflanzen produzieren nicht nur Sauerstoff über die Photosynthese, sondern sie benötigen ihn auch bei der Zellatmung zur Energieversorgung.  Anders als Tiere und Menschen verfügen Pflanzen nicht über einen Blutkreislauf, der den Sauerstoff an die Orte des Bedarfs transportiert, sondern der Sauerstoff wird durch Diffusion verteilt. Deshalb kann es in Pflanzen  lokal zu Sauerstoffmangel (Hypoxie) kommen. Seit langem wird darüber geforscht, wie Pflanzen den Sauerstoffgehalt in den Zellen messen und ihren Stoffwechsel an Hypoxie anpassen; nun gibt es neue Erkenntnisse zum Mechanismus.

Nahezu alle Pflanzenzellen sind von einer Zellwand umgeben, die die Pflanze gegen schädliche Umwelteinflüsse schützt und ihr Festigkeit verleiht. Zellulose ist eine Schlüsselkomponente der Zellwand und findet als wichtiger Rohstoff z. B. in der Textil- und Papierindustrie Verwendung. Zellulose wird an der Zelloberfläche von bestimmten Enzymkomplexen gebildet. Diese bewegen sich dabei auf Bahnen, die von Mikrotubuli vorgegeben sind. Studien führten zur Entdeckung eines weiteren Bausteins, der die Verbindung zwischen den Zellulosesynthese-Komplexen und den Mikrotubuli darstellen könnte.

Lipid Rafts sind Bereiche der pflanzlichen Plasmamembran, die sich durch eine veränderte Lipid- und Protein-Zusammensetzung von der restlichen Membran unterscheiden. Sie spielen eine besondere Rolle bei der Signalweitergabe sowie bei regulatorischen Prozessen. Mithilfe quantitativer Proteinmassenspektrometrie konnten erstmalig konstante und variable Proteinbestandteile dieser Membranmikrodomänen bestimmt werden und darüber hinaus Veränderungen in ihrer Zusammensetzung in Abhängigkeit der Nährstoffversorgung untersucht werden.

Phosphat ist ein essentieller Nährstoff für Pflanzen. Es wird über die Wurzeln aufgenommen und über die Leitungsbahnen in die übrigen Pflanzenteile transportiert. Bei der internen Phosphatverteilung haben wachsende und reproduktive Organe Vorrang vor anderen Pflanzenteilen. Bei auftretendem Phosphatmangel werden diese für das Überleben notwendigen Organe vorrangig mit Phosphat versorgt auf Kosten zum Beispiel der älteren Blätter. Wie bei Phosphatmangel eine sinnvolle Verteilung des nur spärlich vorhandenen Nährstoffs reguliert wird und so die Phosphat-Homöostase aufrechterhalten wird, konnte nun geklärt werden.

Frost ist einer der wichtigsten Stressfaktoren für Pflanzen, der die Produktivität in der Landwirtschaft erheblich einschränkt. Pflanzen der gemäßigten Klimazonen können sich an niedrige Wachstumstemperaturen anpassen und dabei ihre Frosttoleranz erhöhen. Die Analyse verschiedener Populationen der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) aus unterschiedlichen Klimaten zeigt die Komplexität dieser Anpassungen auf physiologischer und molekularer Ebene.

Tierische und pflanzliche Zellen besitzen nicht nur einen Zellkern, in dem das Erbgut lokalisiert ist, sondern darüber hinaus auch Zellorganellen, die gleichfalls Gene enthalten. Im Verlauf der Evolution wanderten zahlreiche Gene aus diesen Organellen in den Kern ein und mussten sich an ihre neue Umgebung anpassen, um funktionsfähig zu werden. Durch neue Techniken und Selektionsverfahren ist es gelungen, diese Prozesse bei Pflanzen im Labor nachzuvollziehen und experimentell zu untersuchen.

In transgenen Pflanzen wird oft die Inaktivierung (Silencing) eingeführter Gene beobachtet. Molekulargenetische Untersuchungen konnten zeigen, dass Transgene (eingeführte Gene) vor allem dann stillgelegt werden, wenn die Höhe ihrer Expression (Ausprägung) über einen genspezifischen Schwellenwert hinausgeht.

Die Photosynthese höherer Pflanzen stellt die Grundlage allen Lebens auf der Erde dar. Die Chlorophyll-Protein-Komplexe der Photosynthese sind in die Thylakoid-Membranen der Chloroplasten eingebettet. Neben den Membranlipiden synthetisieren Chloroplasten eine Anzahl von Isoprenoidlipiden, die für die menschliche Ernährung essentiell sind, insbesondere Tocopherol (Vitamin E), Phyllochinon (Vitamin K) und β-Carotin (Provitamin A). Galactolipide stellen den größten Teil der Membranlipide in Chloroplasten dar. Untersuchungen von Arabidopsis-Mutanten ergaben, dass Galactolipide für das Pflanzenwachstum und die Photosynthese essentiell sind. Weiterhin sind Galactolipide bei Phosphatmangel für das Wachstum notwendig, weil sie Phospholipide in den Membranen ersetzen, um Phosphat für andere zelluläre Prozesse bereitzustellen. Tocopherol (Vitamin E) ist ein wichtiges Antioxidationsmittel und findet als Nahrungsergänzungsstoff in der menschlichen Ernährung breite Anwendung. Bei Arabidopsis-Mutanten mit einem Defekt in der Vitamin-E-Biosynthese sind Wachstum und Photosynthese erstaunlicherweise kaum betroffen. Offensichtlich kann Vitamin E in der Pflanze durch andere Antioxidationsmittel ersetzt werden. Mithilfe biotechnologischer Methoden sollte es in Zukunft möglich sein, den Bedarf an natürlichem Vitamin E aus transgenen Nutzpflanzen zu decken.

Moderne experimentelle Methoden ermöglichen es, große Mengen von Daten über molekulare Bestandteile von Zellen und ihre Aktivitäten zu erzeugen. Die Analyse und Interpretation dieser Daten erfordert bioinformatische Verfahren, mit denen Muster und Zusammenhänge entdeckt und in Beziehung zu bekanntem Wissen über metabolische und regulatorische Netzwerke gebracht werden können. Die Verfügbarkeit von Informationen über die Gesamtheiten des genetischen Materials (Genom), der transkribierten Gene (Transkriptom), der translatierten Proteine (Proteom) und der beteiligten Metabolite (Metabolom) verspricht einerseits neue Möglichkeiten des Verständnisses der Reaktion von Organismen auf Umweltveränderungen, andererseits sind damit aber auch neue Anforderungen an die Datenverarbeitung verknüpft.