Jahrbuchbeiträge des MPIPZ

Pflanzenkrankheiten vermindern die Ernteerträge weltweit jedes Jahr um etwa 30%. Die Nutzung der Fähigkeit von Pflanzen, mikrobielle Infektionen abzuwehren, würde den Übergang zu einer nachhaltigen Landwirtschaft erleichtern. Jetzt gibt es bedeutende Fortschritte im Verständnis der Erkennung von Krankheitserregern durch Immunrezeptoren und darüber, wie diese Sensoren, sobald sie aktiviert sind, Abwehrprogramme mobilisieren. Die Entdeckung von Nukleotid-Signalmolekülen, die von Immunrezeptoren hergestellt werden, und deren Wirkung öffnet ungeahnte Perspektiven für den Pflanzenschutz.

Pflanzen bewohnen eine enorme Bandbreite an Lebensräumen. Das Erforschen, wie sie sich an bestimmte Umgebungen anpassen, liefert grundlegende biologische Erkenntnisse und Informationen, die dazu beitragen können, die Auswirkungen des Klimawandels auf natürliche und landwirtschaftliche Ökosysteme zu verringern. Wir untersuchen die Mechanismen der Anpassung in natürlichen Populationen der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Dieses System ist ideal, um die biochemischen und molekularen Grundlagen der Merkmalsvariation mit ihrem ökologischen und evolutionären Kontext zu verbinden.

Warum verstehen wir im Zeitalter von Big Data immer noch nicht, wie Zellen, molekular und physikalisch, sich zu Geweben entwickeln und Organismen bilden? Eine einfache Antwort liegt in der mehrstufigen Komplexität, denn: Morphologische Prozesse auf verschiedenen Ebenen der biologischen Organisation ergeben erst durch komplexe Rückkopplungsschleifen von Genaktivität, Wachstum und Mechanik die endgültige Form. Computer sind dazu in der Lage, um aus solchen Daten mechanistische Modelle zu entwickeln. Wir beschreiben zwei bahnbrechende Studien zur Pflanzenentwicklung und Artenvielfalt.

 

Hybridkulturen werden in der Landwirtschaft wegen ihres höheren Ertrags bevorzugt. Die Nachkommen einer Hybridpflanze sind jedoch aufgrund sexueller Fortpflanzung genetisch variabel. Deshalb müssen Pflanzenzüchter Jahr für Jahr neues hybrides Saatgut aufwändig erzeugen. Forschungen haben gezeigt, dass eine sexuelle Vermehrung vermieden werden kann, sodass klonale Samen entstehen, die den Hybridzustand aufrechterhalten. Hier fassen wir neue Ansätze zusammen, die bei Hybriden von Arabidopsis und Reis entwickelt wurden und eine Revolution in der Hybridzüchtung und Saatgutproduktion versprechen.

Pathogene Pilze und Eipilze (Oomyzeten), beides eukaryotische Mikroorganismen, sind für bis zu 10% aller Ernteausfälle verantwortlich. Bislang wurden hauptsächlich Pestizide, Züchtungen resistenter Pflanzen oder Manipulationen des pflanzlichen Immunsystems eingesetzt, um diese Krankheiten einzudämmen. Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass bakterielle Lebensgemeinschaften im Bereich der Wurzeln Pflanzen vor eukaryotischen Mikroorganismen schützen können. In Zukunft könnten gezielt zusammengestellte Bakteriengemeinschaften genutzt werden, um Pflanzen vor diesen Krankheitserregern zu schützen.

Die Regulation der Genexpression folgt komplexen und unterschiedlichen Steuerungsmechanismen. Einer davon ist das epigenetische Gedächtnis, das bestimmt, wie stark einzelne Gene ausgeprägt werden. In Pflanzen wurde nun nachgewiesen, dass zwei kurze DNA Sequenzen, bezeichnet als Teloboxen und RY-Motive, an diesem Prozess beteiligt sind. Die Sequenzen treten an Genen auf, die epigenetisch reguliert werden. Transkriptionsfaktoren, die diese Motive erkennen, binden auch an Bausteine der Polycomb-Gruppen, die die Verpackung von DNA verdichten und dazu beitragen, das „Gengedächtnis“ zu verfestigen.

Für die Erzeugung besserer Nutzpflanzen müssen Züchter die Fruchtbarkeit der Staubblätter, dem männlichen Blütenorgan, in dem der Pollen in den Staubbeuteln (Antheren) heranreift, kontrollieren können. Ideal wäre hierbei eine Handhabung über die Freisetzung des Pollens aus den Staubbeuteln. Dazu ist jedoch ein detailliertes Verständnis erforderlich, wie die Zellen der Antheren diese Freisetzung steuern. Bei Gerste wird das Öffnen der Antheren vermutlich durch das Phytohormon Auxin reguliert. Dazu erfordert dieser Prozess Enzyme, die spezielle Zellen voneinander trennen können.

Grenzschichten wurden bisher als physische Barrieren angesehen, die Pflanzengewebe trennen und so die Entwicklung funktionaler Organe ermöglichen. Neuere Studien haben jedoch ergeben, dass Grenzschichten, wie die zwischen dem Sprossmeristem und den Blattanlagen oder die zwischen Blattfiedern, auch als Ausgangspunkte für die Entstehung sekundärer Meristeme dienen und somit wesentlich zur Ausprägung der Pflanzenarchitektur beitragen. Interessanterweise wird die Etablierung von Grenzschichten während der Sprossverzweigung und der Fiederblattentwicklung durch homologe Gene reguliert.

In Pflanzen führt die Erkennung mikrobieller Moleküle dazu, ihr Immunsystem zum Schutz gegen Pathogene zu aktivieren. Mikroben wiederum haben Virulenzfaktoren entwickelt, die Teile der pflanzlichen Immunantwort einschränken können. Dies abzuwenden, bedarf einer Robustheit des Immunsystems. Jedoch: Da eine Überreaktion des Immunsystems die Fitness reduziert, darf das Immunsystem der Pflanze nicht nur robust, sondern muss auch regulierbar sein. Die Forschergruppe untersucht die Vereinbarkeit dieser beiden Eigenschaften unter Verwendung von molekularer Genetik und computerbasierter Modellierung.

Genetische Veränderungen können direkten Einfluss auf den Phänotyp eines Organismus haben. Solche Unterschiede können helfen, den ihnen zugrunde liegenden Genen eine Funktion zuzuweisen. Sie lassen sich in künstlich mutierten Organismen, aber auch zwischen unterschiedlichen Individuen einer Art oder zwischen verschiedenen Arten finden. Um solche Veränderungen aufzuspüren und um sie von genetischen Unterschieden, die sich nicht auf den Phänotyp auswirken, zu unterscheiden, wird in der Forschergruppe eine neue Art von Algorithmen entwickelt.

Um sich an wechselnde Umweltbedingungen anzupassen, müssen Pflanzen ihre metabolischen Funktionen regulieren können. Erst kürzlich wurde gezeigt, dass die reversible Acetylierung von Lysinresten in Proteinen, neben ihrer bisher bekannten Funktion in der Transkriptionsregulation, auch weitere, zusätzliche Funktionen im Metabolismus besitzt. Die Identifizierung der Acetylierungstellen innerhalb verschiedener Stoffwechselenzyme in Pflanzen ist ein erster Schritt zur Aufdeckung ihrer physiologischen Bedeutung.

Weil sie eine Gefahr für die Genomstabilität und damit die Lebensfähigkeit eines Organismus darstellt, werden potenziell mobile DNA-Elemente inaktiviert. In Pflanzen erfolgt dies unter anderem durch den Mechanismus der RNA-abhängige DNA-Methylierung. Neue Untersuchungen wiesen nun eine Sprossapikalmeristem spezifische Funktion dieses Mechanismus nach. Sie verstärkt die Inaktivierung in den frühen Phasen des vegetativen Wachstums, wirkt deren chemisch induzierter Aktivierung entgegen und stellt einen epigenetischen Kontrollpunkt beim Übergang von der vegetativen zur reproduktiven Phase dar.

Morphogenese und Wachstum sind Prozesse, die durch genetische und Signal-Netzwerke bestimmt werden. Obwohl bereits viele genetische Bestandteile identifiziert wurden, die die Form von Pflanzenorganen regulieren, bleibt noch unklar, wie diese die mechanischen Zelleigenschaften kontrollieren. Neuere Tierstudien zeigten, dass mechanische Kräfte auf genetische Programme zurückwirken können. Gibt es solche Rückwirkungen auch in Pflanzen? Welche Rolle spielt die Mechanik bei der Morphogenese? Zur Beantwortung dieser Fragen führen wir Physiker, Biologen und Experten für Rechenmodelle zusammen.

In Vielzellern liest die RNA-Polymerase II Gene und regulatorische RNAs von der DNA ab. Am C-terminalen Ende ihrer größten Untereinheit, RNAPII-CTD, gibt es mehrere Kopien eines sieben Aminosäuren langen Peptids, das in Arabidopsis an verschiedenen Stellen durch Proteinkinasen phosphoryliert wird. Neuere Untersuchungen zeigen, wie die Phosphorylierung der RNAPII-CTD durch TFIIH-assoziierte Proteinkinasen das Wachstum und die Entwicklung der Pflanze durch eine koordinierte Kontrolle von Transkription, Zellzyklus und der Verfügbarkeit von microRNAs und kleinen silencing siRNAs reguliert.

Neue Pflanzenkrankheiten bedrohen seit jeher die Welternährung. Zu den wichtigsten Schädlingsgruppen zählen biotrophe Krankeitserreger. Biotrophie entsteht durch Verlust wichtiger Stoffwechselgene, dem durch Unterdrückung der pflanzlichen Abwehr und dem daraus folgenden Zugang zu pflanzlichen Stoffwechselprodukten begegnet wird. Die erfolgreiche Wirtsbesiedlung setzt eine genetische Vielfalt und damit eine sexuelle Rekombination und Interaktion mit anderen Organismen voraus. Um die Entstehung neuer Krankheiten zu verstehen, werden solche Interaktionen im natürlichen Umfeld analysiert

Pflanzen zeigen eine erstaunliche Widerstandskraft gegenüber Infektionsversuchen von Krankheitserregern und werden in ihrer natürlichen Umgebung nur ausnahmsweise befallen. Untersuchungen an Arabidopsis haben einige grundlegende Prozesse aufgedeckt, mit denen Pflanzen bakterielle Attacken erkennen und abwehren. Jüngste Studien zeigen, dass es in den verschiedenen Teilen der Wirtszelle distinkte und verzweigte Immunreaktionen gibt, die für eine effektive Immunität strikt koordiniert werden müssen.

Viele Merkmale, die in der Pflanzenzüchtung eine wichtige Rolle spielen, sind komplex, das heißt, sie werden durch mehrere Gene sowie Umweltfaktoren kontrolliert. Eine Kenntnis dieser Gene ermöglicht die Frühdiagnose komplexer Merkmale und damit eine Steigerung der Effizienz und Präzision in der Züchtung neuer Sorten. Um solche Gene zu identifizieren, wurden am Institut Assoziationsstudien für komplexe Merkmale der Kartoffel durchgeführt. Es wurden hoch signifikante Assoziationen zwischen Kandidatengenen und Merkmalen wie der Resistenz gegen die Krautfäule gefunden.

Lebensfähige Pflanzensamen sind nicht immer in der Lage, sofort zu keimen und können zwischen einem schlafenden (Dormanz) und einem wachen Zustand wechseln. Dormanz verhindert eine Keimung unter umweltbedingt ungünstigen Bedingungen, jedoch die meisten unserer Kulturpflanzen haben diese Fähigkeit verloren. Die molekularen Mechanismen, die sich hinter der Dormanz verbergen, sind noch weitgehend unerforscht. Die Seed Dormancy Group hat Komponenten für diese Kontrolle dank Isolation von bestimmten Dormanz-Genen identifiziert.

Die meisten Merkmale, die die Fitness sowie den agronomischen Wert von Kulturpflanzen beeinflussen, sind so genannte quantitative Merkmale. Variation in solchen Merkmalen, die eine kontinuierliche Verteilung der Merkmalswerte zeigen, wird durch eine große Zahl an Genen verursacht. Das Verständnis der genetischen Architektur quantitativer Merkmale ist nicht nur für die Grundlagenforschung von Bedeutung, sondern hat auch beträchtliche praktische Bedeutung, da es die Züchtung neuer Sorten erleichtert.

Jede Zelle höherer Lebewesen enthält einen Zellkern, in dem das Erbgut verpackt vorliegt. Um Gene ablesen zu können, müssen Proteinkomplexe aktiv werden, um Abschnitte des Erbguts auszupacken. Andere Proteinkomplexe haben die Aufgabe, das Auspacken zu erschweren und so der Ausprägung der Gene entgegen zu wirken.

Die moderne Molekularbiologie bedient sich Hochdurchsatzmethoden, um beispielsweise Genomsequenzen zu bestimmen. Deren Auswertung und Interpretation erfordert immer mehr die Integration vielfältiger Datensätze. Standards für den Zugang zu biologischen Daten sowie Webservicetechnologien können das Auffinden und automatisierte Abfragen von Bioinformatikressourcen erleichtern.

Ein Netzwerk aus MIKC* MADS-Box-Proteinen reguliert wichtige Entwicklungsprozesse im Pollen der Blütenpflanze Arabidopsis thaliana. Die vergleichende Analyse der MIKC* Transkriptionsfaktor-Familie hinsichtlich funktioneller, evolutionärer und systembiologischer Aspekte ermöglicht vielleicht einen bedeutenden Fortschritt zum Verständnis der Gametophyten-Generation der Landpflanzen.

Der Klimawandel bedroht die weltweite Agrarproduktion und stellt eine Herausforderung für die Züchtungsforschung dar. Gerste ist durch ihre genetische Vielfalt und Toleranz gegenüber abiotischem Stress ein Modell für die Erforschung der genetischen Strategien zur Anpassung an Trockenstress. Erforscht wird beispielsweise die genetische Regulation des Blühzeitpunkts in Abhängigkeit von verschiedenen Umweltbedingungen. In trockenen Umwelten spielt die genaue Anpassung des Entwicklungszyklus an die saisonalen Klimaveränderungen eine wesentliche Rolle für die Ertragsleistung.

Die Kulturgerste ist die viertwichtigste Getreideart der Welt. Sie ist vor etwa 10000 Jahren aus Wildgersten hervorgegangen. Untersucht wird die genetische Diversität zwischen Kultur- und Wildgersten mit neuen Werkzeugen der Genomforschung. Die neuen Erkenntnisse werden zum einen in der modernen Pflanzenzüchtung umgesetzt und sie helfen zugleich, die genetische Regulation der Wachstums- und Entwicklungsprozesse einer Nutzpflanze aufzuklären.

Pflanzen synthetisieren viele sekundäre Inhaltsstoffe, die sich von Phenylalanin ableiten und Schutzfunktionen gegen widrige Umweltbedingungen erfüllen. Mit dem Ziel, die Ursachen für diese Produktvielfalt zu verstehen, wurde für ein Schlüsselenzym des Phenylpropanoidstoffwechsels der Mechanismus der Substratselektion aufgeklärt. Dadurch ergeben sich Möglichkeiten, durch biotechnologische Anwendung Eigenschaften von Pflanzen gezielt zu verändern.

Die Aktivität von Enzymen kann in lebenden Organismen durch activity-based profiling untersucht werden. Diese Methode nutzt kleine markierte Moleküle, die je nach Aktivität der Enzyme mit diesen reagieren und eine kovalente Bindung eingehen. Die Plant Chemetics Gruppe entwickelt diese neue Technologie weiter und wendet sie und andere neuartige chemische Werkzeuge an, um die Dynamik von Enzymaktivitäten im Verlauf der Pflanze-Pathogen-Wechselwirkung zu untersuchen.

Die Architektur von Pflanzen zeigt eine enorme Variabilität. Diese Formenvielfalt ist in hohem Maße auf Modifikationen in den Verzweigungsmustern des Sprosses und der Blütenstände zurückzuführen. Seitentriebe entstehen aus sekundären Meristemen, die in den Achseln von Blättern angelegt werden. In der Tomate und in Arabidopsis kodiert das Gen LATERAL SUPPRESSOR (Ls/LAS) einen Transkriptionsfaktor, der die Anlage von Achselmeristemen in der vegetativen Entwicklungsphase kontrolliert. Das Gen wird in der Blattachsel exprimiert und bewirkt die Kompetenz der Gründerzellen, eine Meristemanlage zu bilden. Transkriptionsfaktoren der MYB-Klasse werden in Abschnitten der Sprossachse ebenfalls für die Bildung von Achselmeristemen benötigt. Zusätzlich beeinflusst der differenzielle Austrieb der Achselknospen die Sprossarchitektur. Hier konnte gezeigt werden, dass neben den klassischen Pflanzenhormonen Auxin und Cytokinin ein neues Signalmolekül, das in der Wurzel gebildet wird, den Austrieb der Achselknospen reguliert.

Die Arabidopsis Mutante roxy1 bildet eine reduzierte Anzahl von Petalen, die im Differenzierungsverlauf dann noch weitere Defekte zeigen. Molekulare Analysen zeigten, dass das ROXY1 Gen ein Glutaredoxin (GRX) kodiert. GRX sind kleine, weit verbreitete Oxidoreduktasen, die in E. coli, Hefe und dem Menschen intensiv untersucht wurden und die Cysteine in konservierten Motiven reduzieren und oxidieren können. GRX sind in unterschiedliche Prozesse involviert und üben insbesondere bei der Abwehr von oxidativem Stress eine wichtige Funktion aus. Die Untersuchung von ROXY1 zeigte erstmalig, dass pflanzliche GRX an der Blütenentwicklung beteiligt sind. ROXY1 verändert wahrscheinlich Proteine, die für eine normale Petalen-Organogenese notwendig sind. Überraschenderweise gehört ROXY1 zu einer neuen Unterklasse der GRX, dem CC-Typ, der ausschließlich in Landpflanzen vorkommt. Das Vorhandensein einer großen Anzahl von CC-Typ GRX in Angiospermen (Bedecktsamern) deutet darauf hin, dass ihre Fähigkeit, Proteine zu verändern, in Prozesse integriert wurde, die dazu beigetragen haben, dass sich die komplexen Blüten der höheren Landpflanzen entwickelten. Die weitere Analyse von ROXY1 und anderen Mitgliedern der CC-Typ-Gruppe zielt darauf ab, mehr über ihre Zielgene zu erfahren und darüber Aufschluss zu bekommen, ob und wie Redoxregulierung und Blütenentwicklung miteinander verknüpft sind.

Pflanzen-Mutanten, denen das so genannte Mlo-Protein fehlt, sind hochresistent gegen Mehltaupilze. Vermutlich benutzt der Pilz die Anwesenheit dieses Proteins, um pflanzliche Abwehrmechanismen zu unterdrücken.

Unser langfristiges Ziel ist es, die genetischen Unterschiede, die sich auf wichtige Merkmale wie Samenruhe und Pflanzenwachstum auswirken, bei Wildformen von Arabidopsis zu bestimmen. Genauere Informationen über die genetischen Unterschiede werden dazu beitragen, die Ursachen für die Anpassung bestimmter Varianten an spezifische Umweltbedingungen herauszufinden und die Kenntnisse der genetischen Grundlagen dieser Merkmale in der Pflanzenzüchtung zu nutzen.

Proteinmodifikatoren sind kleine Proteine, welche in der Zelle an andere Proteine angeheftet werden. Die daraus resultierende Veränderung der Substratproteine kann deren Funktionszustand beeinflussen und dadurch in den zellulären Informationstransfer eingebunden werden. Die Modifikationsreaktionen können dabei pflanzliche Entwicklungsprozesse steuern. Dies gilt unter anderem für Vorgänge wie die Blütenbildung, bei welcher ein Zusammenspiel des genetischen Programms mit Umwelteinflüssen nötig ist, um Zeitpunkt und Ablauf optimal zu gestalten.

Vor mehr als zehn Jahren wurden sie entdeckt, die MADS-box-Gene. Sie sind essentiell bei der Blütenbildung Höherer Pflanzen. Die Forschung an den MADS-box-Genen trug viel zum Verstehen der komplexen Mechanismen bei der Blütenbildung und der Entstehung der einzelnen Blütenorgane bei. Noch nicht ganz aufgeklärt sind jedoch die Prozesse auf molekularer Ebene, die bei der Gewebedifferenzierung in den Blütenorganen ablaufen. Besonders die Entwicklung der Geschlechtszellen, die Sporogenese, in den "Geschlechtsorganen" der Blüte ist noch unklar. Damit sind die Fruchtblätter, aus denen sich nach der Befruchtung die Früchte entwickeln, und den Staubblättern, die Pollen produzieren, gemeint. Bei der Untersuchung der MADS-box-Gene fanden wir eine neue pflanzenspezifische Gruppe von Eiweißen (Transkritionsfaktoren). Einer dieser Transkriptionsfaktoren kontrolliert und steuert den Prozess der Sporogenense. Die weitere Analyse der molekularen Zusammenhänge und des Zusammenspiels dieses Transkriptionsfaktors mit anderen Molekülen und Vorgängen bei der Blütenbildung, wird zu einem besseren Verständnis des komplexen Prozesses der sexuellen Fortpflanzung von Pflanzen führen.

Genetische Variabilität und Umweltfaktoren bestimmen die Erscheinungsform von Individuen einer Art. Die Möglichkeiten, genetische Variabilität auf der Ebene der DNA zu identifizieren, die Verfügbarkeit von teilweiser oder sogar vollständiger DNA-Sequenzinformation verschiedenster Organismen und das Wissen um die Funktionsweise vieler Gene ermöglichen es, die molekularen Grundlagen komplexer Eigenschaften von Mensch, Tier oder Pflanze zu erforschen. Das Wissen um die molekularen Grundlagen komplexer Eigenschaften von Nutzpflanzen kann zur effizienten Auslese neuer, an die menschlichen Bedürfnisse besser angepasster Sorten beitragen. In einem Pilotexperiment wurde eine Beziehung zwischen der Widerstandsfähigkeit von Kartoffelsorten im Feld gegen die Kraut- und Knollenfäule und DNA-Varianten in einem bestimmten Abschnitt des Erbguts der Kartoffel (Solanum tuberosum) gefunden.