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Forschungsgebiete

1. Charakterisierung von Proteinen der Sulfurtransferase-Rhodanese-Familie


Sulfurtransferasen sind eine Gruppe von Enzymen, die allen drei Domänen vorkommen. Sie katalysieren den Transfer eines Schwefel-Atoms von einem Donormolekül auf ein thiophiles Akzeptormolekül. Rhodanese, die am besten charakterisierte Sulfurtransferase, wird definiert über ihre in-vitro-Aktivität als Thiosulfat:Cyanid-Sulfurtransferase. Mehrere physiologische Funktionen werden für diese Enzyme diskutiert (Cyanidentgiftung, Bereitstellung von Eisen-Schwefel-Zentren, Transfer und Transport von reduziertem Schwefel in Seneszenzprozessen, Pathogenabwehr etc.). Ziel unserer Untersuchungen ist, die Funktion der einzelnen Sulfurtransferasen in der Pflanze aufzuklären. Es sollen möglichst alle in Arabidopsis vorkommenden Sulfurtransferasen enzymologisch charakterisiert werden. Für eine Funktionsaufklärung im Organismus sollen transgene Pflanzenlinien, T-DNA-Insertionsmutanten und die RNAi-Technik genutzt werden. Die Metabolitanalyse auf zellulärer Ebene kann hier ebenfalls neue Erkenntnisse bringen. Derzeit untersuchen wir die Interaktion von Sulfurtransferasen und Thioredoxinen. Erste Ergebnisse zeigen eine spezifische Interaktion bestimmter Proteinen aus beiden Gruppen und deuten auf eine Funktion der Sulfurtransferasen in der Redoxbalance in der Zelle hin.

2. Vorkommen und Funktion von Sulfotransferasen in Höheren Pflanzen


Sulfotransferasen sind eine Gruppe von Enzymen, die in Prokaryoten und Eukaryoten weit verbreitet sind. Die Proteine übertragen eine Sulfatgruppe von 3´-Phosphoadenosin 5´-phosphosulfat (PAPS) auf eine Hydroxylgruppe verschiedenster Substrate. Ihre Funktionen im Organismus sind vielfältig. In Tieren reichen sie von Entgiftungsfunktionen verschiedener Xenobiotika über Aufgaben im Steroidhormonstoffwechsel. Für Pflanzen werden Funktionen im Wachstum, der Entwicklung sowie der Anpassung an Stress vermutet. In Arabidopsis konnten 21 Gene identifiziert werden, die Ähnlichkeiten zu Sulfotransferase-Sequenzen aufweisen. Es gab Hinweise, dass drei der Genprodukte in die Glucosinolatbiosynthese involviert sind. Diese Hypothese konnte über Transkriptom- und Metabolomanalyse sowie in in-vitro Enzymtests bestätigt werden. Im weiteren Verlauf des Projektes sollen die Funktionen der anderen Sulfotransferasen mit ähnlichen Methoden analysiert werden.

3. Die Etablierung von bereits stresstoleranten Pflanzen als neue Nutzpflanzen mit verschiedenen Nutzungsformen


Die vorhandenen Anpassungsmechanismen der heutzutage angebauten Nutzpflanzen an den weltweiten Klimawandel scheinen nicht auszureichen. Eine Folge davon ist, dass die für den Anbau nutzbare Kulturfläche dramatisch abnimmt. Unser Ziel ist es, neue Pflanzenarten für den Anbau auf diesen, nicht mehr für die herkömmlichen Nutzpflanzen brauchbaren Flächen zu finden. Diese Arten, z.B. Lablab purpureus (L.) SWEET, sollen eine hohe Toleranz gegenüber abiotischen Stressfaktoren, im Besonderen eine hohe Toleranz in Bezug auf Trocken- und Salzstress, besitzen. Die Pflanzen sollen neben der Nutzung als Nahrungsquelle für Mensch oder Tier auch noch weitere Nutzungen ermöglichen, z.B. als Quelle von sekundären Pflanzenstoffen für biotechnologische und pharmazeutische Anwendungen oder als Nutraceutical.
Um diese Ziele zu erreichen identifizieren wir Arten, die eine hohe Toleranz gegenüber Trockenheit und Salz besitzen und ein hohe Kapazität als Nutzpflanze aufweisen. Dabei arbeiten wir mit unserem Partnerland Indien zusammen, um geeignete Pflanzen für die gemäßigten und subtropischen Zonen zu finden. Ein weiteres Ziel in diesem Zusammenhang ist es, ein System von Faktoren und Methoden zusammenzustellen, die es ermöglichen, geeignete stresstolerante Arten in möglichst kurzer und eindeutiger Form zu identifizieren. Dabei spielen sowohl klassische Methoden wie die Bestimmung der Wachstumsrate, aber auch neuere Methoden wie das PAM-Imaging oder Sonden zur Messung des Tugordrucks eine Rolle. Die Arten werden auch auf genetischer Ebene untersucht, z.B. durch amplified fragment length polymorphism (AFLP), um geeignete Ökotypen der jeweiligen Art zu ermitteln. Desweiteren werden von uns Inhaltstoffe analysiert.

Die Methode des PAM-Imaging wird im Experiment der Woche Nr. 43 genauer erklärt:
http://www.uni-hannover.de/de/service/specials/experiment/archiv/

 

4. Halophyten als Biofilter und wertvolles Nebenprodukt in der marinen Aquakultur


Aufgrund ihrer besonderen physiologischen Eigenschaften und biochemischen Zusammensetzung sind Halophyten eine für verschiedene Studien und biologische Anwendungen interessante Pflanzengruppe. Unser Interesse gilt ihrem Potential als Biofilter, für die Phytoremediation und als Kulturpflanze. Durch ihre Fähigkeit an salzhaltigen Standorten zu wachsen sind sie für Recycling-Prozesse von hoch nährstoffhaltigen Abwässern aus der marinen Aquakultur einsetzbar. Eine aus verschiedenen Halophyten (inkl. Mangroven) bestehende biologische Filter-Kaskade könnte für die Reinigung des Wassers ebenso wie für die Phytoremediation von salzkontaminierten Gebieten eingesetzt werden. Das Potential verschiedener Halophyten im Hinblick auf Nährstoffaufnahme und Remediation wird in Labor- und Feldstudien untersucht. Um Ökotypen mit verschiedenen Eigenschaften und Ansprüchen zu unterscheiden wird eine Barcoding-Methode für Halophyten entwickelt. Außerdem werden mögliche Anwendungsgebiete ausgewählter Halophyten mit Filterkapazitäten in Betracht gezogen und untersucht. Neben der Verwendung als Nahrungs- und Futtermittelpflanze spielt hierbei das nutraceutische und biotechnologische Potential (Öle, Fette, Zucker, sekundäre Pflanzenstoffe) der Halophyten eine Rolle.

5. Genetische Charakterisierung von Seegräsern und Analyse ihrer Inhaltsstoffe


Seegräser sind Blütenpflanzen, die zu einer der vier Familien Cymodoceae, Hydrocaritaceae, Posidoniaceace oder Zosteraceae (Alismatales) gehören. Seegräser sind die einzigen Angiospermen, die in Meerwasser wachsen und die Gezeiten unbeschadet überstehen. Für diesen Lebensraum sind eine Reihe von spezifischen Adaptionen nötig, was diese Pflanzen zu einem außerordentlich interessanten Forschungsgebiet macht. Der Fokus unserer Untersuchungen liegt auf der genetischen Analyse, einerseits durch die Entwicklung eines DNA Barcoding der Seegräser mit Hilfe einer partiellen Sequenzierung von rbcL und matK geschieht, andererseits über AFLP-Analyse. Weiterhin sollen Gehalt und Zusammensetzung phenolischer Säuren über Verwandtschaftsverhältnisse geben (Chemotaxonomie). Durch die maritime Lebensweise gibt es in Seegräsern, wie auch in Makroalgen sulfatierte Polysaccharide, die den Organismus vor einem osmotischen Kollaps bewahren. Da ein Nachweis bislang nur in Seegräsern erfolgte und nicht in terrestrischen Blütenpflanzen, würde sich diese Stoffgruppe ebenfalls eignen, um über physiologische Eigenschaften Feinheiten der Phylogenie zu klären. Weiterhin stellt sich die Frage welches Enzym diesen Stoffwechselweg katalysiert, da die entsprechende Sulfotransferase bislang nicht nachgewiesen wurde.

6. Metabolische Regulation des Schwefelstoffwechsels in Raps-Pflanzen durch Gene der inneren Uhr und ihre Bedeutung für die Pathogenabwehr

Es gibt experimentelle Hinweise, zum Beispiel von Mikroarray-Experimenten an Arabidopsis-Pflanzen, dass einige Schlüsselenzyme im Schwefel-Metabolismus diurnal und/oder circadian geregelt sind. Mehrere schwefelhaltige Metabolite sind an Abwehrmechanismen gegenüber Pathogenen beteiligt und sind unter dem Begriff Schwefel-erhöhende Abwehr zusammengefasst (SED= sulfur enhanced defense). Wir analysieren, ob zusätzlich zu Genen, die am Schwefelmetabolismus beteiligt sind, auch die Gehalte von schwefelhaltigen Metaboliten wie Cystein, Glutathion und Sulfid über die circadiane Uhr geregelt sind. Diese Metabolite könnten rhythmisch in den Apoplasten oder über die Stomata freigesetzt werden und die Pflanzen gegen das Angreifen von Pathogenen schützen. Dazu werden verschiedene Brassica napus (Raps)- Sorten auf ihre Transkript- und Metabolitgehalte in einem Licht-/Dunkelrhythmus und unter freischwingenden Bedingungen analysiert. Gezielte Schwefeldüngung zu bestimmten Tageszeiten wird genutzt, um den Effekt auf die Pathogenabwehr zu erforschen. Ergebnisse aus den Untersuchungen sollen genutzt werden, um die Düngung von Agrarpflanzen zu optimieren und gegebenenfalls den Einsatz von Fungiziden/Pestiziden zu verringern.