Arbeitsgruppenleiterin

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Dr. Karin Köhl

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Zentrale Infrastrukturgruppen

Pflanzenanbau und -transformation

Die Servicegruppe von Dr. Karin Köhl konzentriert sich auf die Entwicklung und Anwendung von hoch-reproduzierbaren und effektiven Methoden des Pflanzenanbaus. Dadurch wird die optimale Nutzung der Pflanzenbauanlagen des Instituts gefördert. Standardprozeduren, Kultivierungsexperimente und die Ergebnisse von Phenotypisierungen sind in Datenbanken abgespeichert und somit für alle Mitarbeiter zugänglich, was ihnen dabei hilft, informierte Entscheidungen zu treffen. Die wissenschaftliche Arbeit fokussiert sich auf abiotische Stresstoleranz, speziell die Durchführung von Langzeit-Stressexperimenten unter Gewächshaus- und Freilandbedingungen.

TROST: Verbesserung der Trockentoleranz von Stärkekartoffelsorten durch markergestützte Selektion in der Kartoffelzüchtung

Die Klimaprognosen sagen für Mitteleuropa ein verändertes Niederschlagsmuster voraus. Die vorhergesagte Frühsommertrockenheit wird bei Sommerfrüchten wie Kartoffel die Ernte beeinträchtigen. Wirtschaftliche und ökologische Gründe begrenzen die Bewässerungsmöglichkeiten. Die Züchtung muss daher Sorten entwickeln, deren Ertrag trotz Sommertrockenheit stabil ist.

Die Entwicklung trockentoleranter Sorten in Feldversuchen ist teuer und langwierig. Die Züchtung toleranter Sorten benötigt daher leicht zu messende Marker, die bei trockentoleranten Pflanzen deutlich häufiger vorkommen als bei empfindlichen Pflanzen. Diese Marker ermöglichen es, eine große Zuchtpopulation auf die Pflanzen zu reduzieren, die wahrscheinlich tolerant sind.

Unzureichender Niederschlag im Frühjahr verzögert die Entwicklung von Pflanzen. Die Kartoffeln im rechten Teil des Felds sind aufgrund von Wassermangel deutlich schlechter gewachsen als die Kontrollgruppe im linken Feldabschnitt (Feldversuch in Golm, 2011). Bild vergrößern
Unzureichender Niederschlag im Frühjahr verzögert die Entwicklung von Pflanzen. Die Kartoffeln im rechten Teil des Felds sind aufgrund von Wassermangel deutlich schlechter gewachsen als die Kontrollgruppe im linken Feldabschnitt (Feldversuch in Golm, 2011).[weniger]

Im Projekt suchen wir nach Markern, indem wir die Trockentoleranz von 34 Kartoffelsorten in Gewächshaus- und Feldversuchen bestimmen und die Konzentrationen von Genprodukten (Transkripte) und Stoffwechselprodukten (Metabolite) messen. Es werden dann Modelle entwickelt, welche die Toleranz aus den Konzentrationsangaben vorhersagen. Diese Modelle werden dann an Proben von deutschlandweit verteilten Standorten überprüft.

Das Projekt TROST ist eine Zusammenarbeit zwischen Kartoffelzüchtern, dem Julius-Kühne-Institut, der LMU München, der LWK Niedersachsen sowie den MPI Gruppen Hincha, Kopka, Walter und Planzenkultur/transformation und wird Karin Köhl koordiniert (Beginn Februar 2011, Förderung FNR 22011208).

FASTNEASY Phenotyper

Schnelle und reproduzierbare Erfassung von Pflanzenmerkmalen – ‚Phenotyping‘ – wird in der Grundlagenforschung ebenso benötigt wie in der angewandten Pflanzenzüchtung. Die Merkmalserfassung muss so standardisiert sein, dass sie unabhängig von Personen und Standorten ist. Eine standardisierte Datenspeicherung ist erforderlich, um einen raschen Datenzugriff für statistische Auswertungen zu schaffen. Der Datenzugriff muss gleichzeitig organisationsübergreifend und langfristig möglich sein, ohne die Datensicherheit oder das Recht am geistigen Eigentum zu verletzen.

In spezialisierten ‚Phenomics‘-Zentren werden diese Anforderungen erfüllt. Diese Zentren sind jedoch aus Kostengründen für die meisten Forscher unzugänglich. Wir entwickeln daher ein einfaches System, das veröffentlichtes kontrolliertes Vokabular für die Beschreibung von Pflanzenorganen und Messgrößen oder Zuständen nutzt. Die Datenaufnahme erfolgt mit mobilen Geräten, die Datenspeicherung in Datenbanken. Der Nutzer kann sein Phenotyping-Programm auf Webseiten selbst zusammenstellen, auf das mobile Gerät laden und die Daten über Webseiten in Datenbanken laden. Der Austausch über Webseiten erleichtert die Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Institutionen.

Um die Akzeptanz des Phenotypers und seine Verbreitung zu fördern, wird eine Nutzergruppe bei der Entwicklung eingebunden, so dass ein nutzerfreundliches System entsteht. In dieser Phase dienen Kooperationspartner des Projektes TROST (s. TROST: Verbesserung der Trockentoleranz von Stärkekartoffelsorten durch markergestützte Selektion in der Kartoffelzüchtung) als Tester. In der abschließenden Projektphase wird mit einer größeren Nutzergruppe eine sich selbst tragenden Verteilungs- und Unterstützungsstruktur im Internet entwickelt. (Start Oktober 2011; Förderung DFG KO173/3-1).

Markierung von Pflanzenmaterial mit schweren Isotopen

Arabidopsis in Hydrokultur in einer reinen <sup>13</sup>CO2-Atmosphäre in einer luftdichten Klimakammer. Bild vergrößern
Arabidopsis in Hydrokultur in einer reinen 13CO2-Atmosphäre in einer luftdichten Klimakammer.

Die in Pflanzengeweben häufigen Elemente Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N) kommen mit mehreren Isotopen vor, die sich in der Elementarmasse unterscheiden. Neben den häufigen, leichten Isotopen 12C und 14N gibt es stabile, d.h. nicht radioaktive, schwere Isotope 13C und 15N. Diese können als hochangereichertes 13CO2 or 15N-Ammoniumnitrat von Pflanzen aufgenommen und eingebaut werden.

Um alle Moleküle einer Pflanze mit schweren C- bzw. N-Atomen zu bauen, müssen die Pflanzen längere Zeit hydroponisch in einer abgeschlossenen 13CO2-Atmosphäre oder auf Nährlösungen mit schwerem Stickstoff oder Schwefel kultiviert werden. Wir haben solche Protokolle für Arabidopsis, Reis, Mais und Tabak entwickelt. Das markierte Material wird in den analytischen Gruppen zur Identifizierung von Stoffwechselprodukten (Giavalisco et al. 2009; 2011) und für die Aufklärung von mikrobiologischen Prozessen bei der Biogasproduktion (Kollaboration mit AG van Dongen, ATB Bornim, Förderung FNR 22016311) verwendet.

Arabidopsis überwintert

<p>Rosetten überwinternder Arabidopsis Pflanzen nach sehr niedrigen Nachttemperaturen. Frostgeschädigte, äußere Blätter sind teilweise weiß.</p> Bild vergrößern

Rosetten überwinternder Arabidopsis Pflanzen nach sehr niedrigen Nachttemperaturen. Frostgeschädigte, äußere Blätter sind teilweise weiß.

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Arabidopsis thaliana ist eine winteranuelle Pflanze, die in Mitteleuropa als Rosette überwintert und im folgenden Frühling blüht. Diese Lebensweise ist bei zahlreichen einjährigen Pflanzen, darunter vielen Kulturpflanzen, zu finden. Die Überwinterung im Rosettenstadium führt dazu, dass die Pflanzen im Frühling mit einem entwickelten Wurzelsystem schneller Wasser und Stickstoff aufnehmen können als Arten, die erst im Frühjahr keimen.

Spätfröste und die Kombination aus niedrigen Morgentemperaturen und hohen Lichtintensitäten selektieren hingegen gegen Genotypen, die früh die winterliche Frosthärte aufheben und mit der Blüte beginnen. In Überwinterungsstudien auf dem Versuchsfeld in Potsdam (52°24’N 13°04’), untersuchen wir den Lebenszyklus und die Fitness von 80 Herkünften aus verschiedenen Höhenlagen, geographischen Höhen und Breiten.

Abiotischer Stress: Nährstoffmangel

Die Hauptnährstoffe Stickstoff und Phosphat beeinflussen den landwirtschaftlichen Ertrag erheblich. Die Zufuhr über Dünger wird wegen steigender Energiekosten (N) und schwindender Reserven (P) zunehmend teuer. Pflanzen unterscheiden sich in ihrer Nährstoffeffizienz, d.h. der Fähigkeit bei geringerer Nährstoffzufuhr unverändert zu wachsen. Um Faktoren, die an der Nährstoffeffizienz beteiligt sind, zu verstehen, entwickeln wir Systeme, in denen die Pflanzen auf festen Substraten reproduzierbar bei geringeren Nährstoffangeboten angezogen werden können (Tschoep et al., 2009).

<p><em>Arabidopsis thaliana</em> in Sandkkultur bei verschiedenen Stickstoff- und Phosphatangeboten. Links: Kontrolle auf gärtnerischem Substrat. Rechts: Sandsubstrat ohne Nährstoffzusatz.</p> Bild vergrößern

Arabidopsis thaliana in Sandkkultur bei verschiedenen Stickstoff- und Phosphatangeboten. Links: Kontrolle auf gärtnerischem Substrat. Rechts: Sandsubstrat ohne Nährstoffzusatz.

 
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