Arbeitsgruppenleiterin

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Dr. Karin Köhl
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Zentrale Infrastrukturgruppen

Pflanzenanbau und -transformation

Die Infrastrukturgruppe von Dr. Karin Köhl entwickelt und nutzt hoch-reproduzierbare und effiziente Pflanzenanbaumethoden in Klimakammer und Feld und führt Pflanzentransformationen als Service für das gesamte Institut durch. Die wissenschaftliche Arbeit beschäftigt sich mit pflanzlicher Stresstoleranz unter Feldbedingungen und die Entwicklung von Datenmanagementsystemen für Pflanzenbau und Phänotypisierung

Trockentolerante Kartoffeln

Kartoffel ist die 3.wichtigste Nahrungspflanze; 50 % des Ertrags wird in Entwicklungsländern produziert. Da Kartoffeln nicht trockentolerant sind, wird abnehmende Wasserverfügbarkeit infolge von Klimaveränderungen den Ertrag bis 2020 um bis zu 30 % verringern. Eine effiziente Züchtung trockentoleranter Sorten erfordert die Identifizierung von Toleranzmarkern für moderne Züchtungsstrategien (MAS, GWAS). Als Marker bezeichnet man Eigenschaften, die bei den gesuchten – in diesem Fall toleranten – Pflanzen sehr viel häufiger vorkommen als bei den übrigen Pflanzen.

<p>Abb. 1: Feldversuch mit 34 Kartoffelsorten, die bei optimaler (links) und reduzierter (rechts) Wasserversorgung auf einem leichten Sandboden im trockenen Frühsommer 2011 in Potsdam kultiviert wurden.</p> Bild vergrößern

Abb. 1: Feldversuch mit 34 Kartoffelsorten, die bei optimaler (links) und reduzierter (rechts) Wasserversorgung auf einem leichten Sandboden im trockenen Frühsommer 2011 in Potsdam kultiviert wurden.

Karin Köhl koordiniert die Projekte TROST und VALIDS Trost, in denen Wissenschaftler und Züchter zusammenarbeiten, um Markerkombinationen aus Stoffwechselprodukten (z.B. Zucker, Aminosäuren) und Transkripten (mehr Informationen) zu finden, mit denen Toleranz vorhergesagt werden kann. Die Trockentoleranz deutscher Stärkesorten wurde aus dem Knollenstärkeertrag in Stressversuchen an mehreren Feldstandorten ermittelt. Trockentoleranz variierte signifikant, war aber mit verringertem Ertrag bei guter Wasserversorgung verbunden (Sprenger et al., 2015). Die Toleranz kann standordunabhängig aus den Konzentrationen von Stoffwechselprodukten oder Transkripten vorhergesagt werden. Dieses Vorhersagemodell wird zurzeit validiert, indem die Toleranz von Linien ermittelt wird, die aus einer segregierenden Population mit Hilfe des Modells ausgewählt wurden.

Zusammen mit dem Internationalen Kartoffelforschungszentrum in Peru entwickeln wir morphologische Marker für Trockentoleranz, um den Engpass bei der Charakterisierung sehr großer Populationen für genomweite Assoziationsstudien zu überwinden. Wir messen morphologische Parameter kontinuierlich mit autonomen Laserscannern und identifizieren aus den Bilddaten abgeleitete Wachstumsparameter als Marker. Diese Marker werden an Trockenstandorten in Afrika geprüft und dann zur beschleunigten Entwicklung von toleranten Frühkartoffelsorten eingesetzt, um die Nahrungsmittelversorgung in Trockengebieten zu sichern.

Abb. 2: Bilderfassung einer Kartoffel-Segregationspopulation unter Kontroll- und Trockstressbedingungen mittels autonomer Laserscanner. Bild vergrößern
Abb. 2: Bilderfassung einer Kartoffel-Segregationspopulation unter Kontroll- und Trockstressbedingungen mittels autonomer Laserscanner. [weniger]

Phänotypisierung und Datenmanagement

Schnelle und reproduzierbare Erfassung von Pflanzenmerkmalen – ‚Phänotypisierung‘ – wird in der Grundlagenforschung ebenso benötigt wie in der angewandten Pflanzenzüchtung. Wir haben ein einfaches, preiswertes System (Phenotyper) entwickelt, das mobile Datenerfassungsgeräte für die Datenerfassung am Standort und open-source Software für das Datenmanagement verwendet (Köhl und Gremmels, 2015). Der Phenotyper liefert ein gut strukturiertes und flexibles System für die Datenerfassung  und eine Datenmanagementstruktur, die sichere Archivierung und effiziente, automatisierte Auswertung ermöglicht. Das System ist über die Internetseiten der Bioinformatics organization erhältlich (Bioinformatics: Phenotyper und Quellcode).

Die genetischen Ressourcen und die Pflanzenversuche des Instituts werden seit 2005 kontinuierlich mit dem Laborinformation-Managementsystems Nautilus © erfasst (Köhl et al., 2008). Das System zur Dokumentation von Methoden und Arbeitsabläufe im Transformationslabor (Köhl und Gremmels, 2010) wird seit 2009 verwendet.

Arabidopsis unter natürlichen Standortbedingungen

Untersuchungen an der Modellpflanzen Arabidopsis thaliana werden überwiegend konstanten Umweltbedingungen in Gewächshaus oder Klimakammer durchgeführt. Am natürlichen Standort sind die Pflanzen sich verändernden Umweltbedingungen unterworfen(s. Abb. 3 A und B) und zeitweilig mehreren Stressfaktoren gleichzeitig ausgesetzt. Die unter Feldbedingungen beobachteten Phänotypen unterscheiden sich daher stark von denen der Gewächshauspflanzen (Abb. 3 E und F). Mutanten, die sich im Gewächshaus nicht von nicht mutierten Linien unterscheiden, zeigen unter Feldbedingungen z.T. erheblich reduzierte Fitness. Wir haben daher Feldversuchssysteme für Arabidopsis entwickelt (Abb. 3 D) und betreiben eine Messstation zur Mikroklimaerfassung (C).

<p>Abb. 3. <strong>Arabidopsis am natürlichen Standort.</strong> Temperatur- (A) and Lichtintensitätsfluktuationen (B) am Standort während der Samenbildung bei <em>Arabidopsis thaliana</em>. Klimastation (C). Feldversuche mit Arabidopsis (D). Phänotyp von <em>Arabidopsis thaliana</em> im Gewächshaus (E) und am natürlichen Standort (F). Rotfärbung durch Anthozyanakkumulation bei Arabidopsisaccessionen nach kombiniertem Kälte- und Hochlichtstress. (G, H).</p> Bild vergrößern

Abb. 3. Arabidopsis am natürlichen Standort. Temperatur- (A) and Lichtintensitätsfluktuationen (B) am Standort während der Samenbildung bei Arabidopsis thaliana. Klimastation (C). Feldversuche mit Arabidopsis (D). Phänotyp von Arabidopsis thaliana im Gewächshaus (E) und am natürlichen Standort (F). Rotfärbung durch Anthozyanakkumulation bei Arabidopsisaccessionen nach kombiniertem Kälte- und Hochlichtstress. (G, H).

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