AG Sophia Sonnewald

Suche


Molekulare Physiologie / Transkriptomik

Das Ziel der Forschungsarbeiten ist die Regulation des Source-Sink-Wechselspiels während pflanzlicher Entwicklungsvorgänge und nach Pathogenbefall zu verstehen. Dazu werden molekularbiologische, biochemische und Zell-biologische Techniken angewendet. Im Fokus unserer Arbeiten stehen die Kontrolle der Dormanz von Kartoffelknollen und die Umsteuerung des pflanzlichen Metabolismus durch phytopathogenen Bakterien. Das bessere Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen soll zu neuen Strategien führen, die Keimruhe und das Austreiben von Kartoffelknollen zu kontrollieren bzw. die agronomischen Eigenschaften von Kulturpflanzen zu verbessern.

Wissenschaftliche Projekte:

  • Regulation der Keimruhe und des Sprosswachstums von Kartoffelknollen
     
  • Interaktion von Bakterien und Pflanzen um die Regulation des Stoffwechsels und die Rolle von bakteriellen Typ 3- Effektoren zu studieren

Regulation von Dormanz und Keimung bei Kartoffelknollen

Nach der Ernte durchlaufen Kartoffelknollen eine Phase der Keimruhe (Dormanz), die mit dem sichtbaren Austreiben eines Keims endet. Während der Dormanz entwickelt sich die Kartoffelknolle von einem sink-Organ, das auf die Versorgung mit Nährstoffen von den oberirdischen Blättern angewiesen ist, in ein source-Organ, das den sich entwickelnden Spross versorgt und dessen Wachstum und Entwicklung unterstützt. Die Umwandlung von einem sink- in ein source-Organ ist ein komplexer Prozess, der transkriptionelle, metabolische und strukturelle Veränderungen einschließt. Eine ganz wichtige Rolle in diesem Prozess spielen die Phytohormone, die als Aktivatoren (z.B. Gibberelline (GA), Cytokinine) oder Inhibitoren (z.B. Abscisinsäure, Ethylen) wirken.
Ziel unserer Arbeiten ist die molekularen Mechanismen aufzuklären, die die Länge der Keimruhe kontrollieren und sowohl Schlüssel- als auch Markergene zu identifizieren, die die Induktion der Keimung anzeigen.
Die Reaktivierung der Meristemtätigkeit ist ein entscheidender Schritt bei der Wiederaufnahme der Zellteilungsaktivität, die letztlich zum Brechen der Keimruhe und zum Austreiben der Kartoffelknollen führt. (Meristeme sind Populationen teilungsfähiger, undifferenzierter Zellen an Spross- und Wurzelspitzen und die Quelle für das ständige Wachstum der Pflanzen). Um Gene zu identifizieren, die an der Regulation der Meristemaktivität in Kartoffeln beteiligt sind, führen wir eine vergleichende Analyse von Transkriptomprofilen durch, die mittels Mikroarrays von verschiedenen Entwicklungsstadien während der Entwicklung von Kartoffelknollen und anderen Organen und Geweben von Kartoffelpflanzen erhoben wurden. Kandidatengene werden mittels z.B. q-PCR überprüft und mit verschiedenen Techniken und durch deren modifizierte Expression in transgenen Pflanzen weiter analysiert.
Um die Rolle von Phytohormonen bei der Regulation der Dormanz bzw. der Keimung detaillierter zu untersuchen, wurde ein in vitro Keimungssystem entwickelt. Dazu werden die Augen von noch dormanten Knollen ausgestochen, mit entsprechenden Phytohormonen behandelt und anschließend das Keimungsverhalten in Petrischalen beobachtet. Das experimentelle System beruht auf der Erkenntnis, dass Zugabe von Gibberellinsäure (GA3) die Keimruhe brechen kann. Die Inkubation in GA3-haltiger Lösung erlaubt eine synchronisierte Induktion der Keimung, die gewöhnlich nach 3 Tagen einsetzt. Nach fünf Tagen sind 95% und mehr Augen gekeimt.
Weiterhin interessieren uns die strukturellen Veränderungen die während der Dormanz und bei Beginn der Keimung stattfinden. Diese schließen sehr wahrscheinlich Veränderungen in der Struktur von Plasmodesmata ein. Das sind Zell-zu-Zell Verbindungen, die den Austausch von Stoffen und Informationen ermöglichen. Es wird angenommen, dass die ruhenden, meristematischen Zellen durch Ablagerung von Kallose an den Plasmodesmata von den umgebenden, parenchymatischen Zellen isoliert sind und die Kallose abgebaut werden muss, bevor die Zell-zu-Zell Verbindungen wieder hergestellt werden können. Dies wird durch 1,3-β-Glucanasen katalysiert, an deren Charakterisierung wir arbeiten. Zudem verfolgen wir die strukturellen Veränderungen am Mikroskop unter Anwendung molekularer Marker.

Interaktion von Bakterien und Pflanzen

Die erfolgreiche Ausbreitung von pathogenen Bakterien in Pflanzen ist vom Typ 3 Sekretionssystem (T3SS) abhängig, dass ca. 20-40 bakterielle Effektormoleküle in die pflanzliche Zelle injiziert. In den letzten Jahren haben verschiedene genetische Verfahren sowie die Verfügbarkeit von Sequenzinformationen und bioinformatischen Analysemethoden zur Identifizierung einer Vielzahl von bakteriellen Effektoren geführt. Allerdings ist über ihre Funktionsweise und ihre Bedeutung für die erfolgreiche Vermehrung der Bakterien bisher wenig bekannt. Es wird angenommen, dass bakterielle Effektorproteine die pflanzliche Abwehr unterdrücken und pflanzliche Stoffwechsel- und Signalwege manipulieren, um das Wachstum der Bakterien zu ermöglichen. Während erste Untersuchungen die Annahme unterstützen, dass bakterielle Effektorproteine die pflanzliche Abwehr unterdrücken, ist bisher unklar, wie diese Proteine den pflanzlichen Stoffwechsel umsteuern, um die Nährstoffversorgung der Bakterien zu gewährleisten.
Die kompatible Interaktion zwischen dem gram-negativen Bakterium Xanthomonas campestris pv. vesicatoria (Xcv) und Paprika- (Capsicum annuum) bzw. Tomatenpflanzen (Solanum esculentum) wird von uns als Modell benutzt, um die Regulation des pflanzlichen Metabolismus durch bakterielle Pathogene zu studieren. Dabei wurden Veränderungen in der Expression und Aktivität der Zellwand-gebundenen Invertase (cw-Inv) als molekularer Marker für Veränderungen im Stoffwechsel detektiert. Die Expression der cw-Inv führt zu einer lokalen Erhöhung der Zuckergehalte, die den Bakterien als C-Quelle dienen aber gleichzeitig zu einer Verstärkung der pflanzlichen Abwehr führen kann. In Experimenten mit Xcv Mutanten, die kein funktionsfähiges T3SS ausbilden können, konnten wir zeigen, dass Typ 3 Effektoren an der Unterdrückung der cw-Inv und der Expression von Abwehrgenen beteiligt sind.
Xcv transloziert ca. 30 Effektorproteine in pflanzliche Wirtszellen. Um Effektormoleküle zu identifizieren, die an der Suppression der cw- Invertase beteiligt sind, erzeugen wir Xcv Mutanten–Stämme, in denen die Expression einzelner Effektoren gestört ist und benutzen diese für Infektionsstudien. Neben dem Einfluss auf cw-Inv studieren wir auch den Effekt auf andere Parameter, wie die bakterielle Virulenz oder die Photosyntheseleistung. In bisherigen Studien konnten wir sechs Effektoren identifizieren, die an der Regulation der cw-Inv beteiligt sind und konzentrieren uns in jetzigen Arbeiten darauf aufzuklären, wie diese den Stoffwechsel in Pflanzen umsteuern. Dazu setzten wir Zell-biologische Techniken ein, bestimmen die metabolischen und transkriptionellen Veränderungen, sind auf der Suche nach interagierenden Wirtsproteinen und wollen von den Typ 3-Effektoren mit bisher unbekannter Funktion die Struktur aufklären.