Abgeschlossene Projekte (IPB als Koordinator)

Dürre ist der relevanteste Stressfaktor für Ertragseinbußen in der Landwirtschaft. Phytoeffektoren mit niedrigem Molekulargewicht sind in der Lage, die Reaktion der Pflanze auf Trockenstress günstig zu beeinflussen. In unserer bisherigen Forschung wurden erste Substanzklassen mit einer deutlich positiven Wirkung Pflanzen unter Trockenstreß identifiziert. Ziel unserer Arbeiten ist es, die molekularen Zielorte in der Pflanze zu identifizieren und die ersten Substanzen mit Potential als Entwicklungskandidaten zu entwickeln. Dazu wird die Struktur der bisherigen Treffer unter Verwendung von Instrumenten der medizinischen Chemie (Computermodelle und synthetische Derivate), der Analytik und der Pflanzenbiochemie optimiert, um Verbesserungen der Aktivität, Löslichkeit und Blattabsorption zu erreichen. Dazu nutzen wir sowohl in vitro-Targetenzym-Assays als auch verschiedene Trockenstresstests an ganzen Pflanzen. Messungen in Wurzel- und Sprossbereich werden zusätzliche Informationen über die Absorption und den Transport der Verbindungen liefern, ein Bereich, der in den Pflanzenwissenschaften weitgehend unerschlossen ist. Wir erwarten eine für die Pflanzenanwendung optimierte Leitverbindung, die für die Feldanwendung, Registrierung und Produktion entwickelt werden kann.

Die deutsche Landwirtschaft leidet unter den größten Ertragseinbußen aufgrund der verstärkten Trockenheit im Frühjahr und Sommer. Die Steigerung der Dürre-Resistenz der Pflanzen ist eine Strategie, dieser Herausforderung zu begegnen. Der Einsatz von sogenannten Phytoeffektoren, kleinen Molekülen, die die Reaktionen der Pflanze auf äußere Reize verändern, ist eine Möglichkeit, dies zu erreichen ohne das eine vom Verbraucher oft unerwünschte genetische Manipulation der Nahrungsmittelpflanze erforderlich wird. Die Wirkung ist zudem zeitlich und lokal kontrollierbar, auf verschiedene Nutzpflanzen anwendbar und es können die in der Landwirtschaft üblichen Methoden zur Ausbringung von Dünger und Pflanzenschutzmitteln verwendet werden. Die Entwicklung neuer Phytoeffektoren, die unseren Nutzpflanzen helfen, Perioden mit geringer Bodenfeuchtigkeit zu überstehen sind ein zunehmend wichtiger Schritt zur Verbesserung der Erträge, für den ein Milliarden-Euro-Markt erwartet wird.

Naturstoffe, die von Mikroorganismen, Pilzen und Pflanzen gebildet werden, gehören zu den wichtigsten Quellen für Medikamente wie Antibiotika und Krebsmittel, aber auch für Wirkstoffe im Pflanzenschutz und bei Tieren. Ausreichende Mengen dringend benötigter Naturstoffe oder ihrer Vorstufen herzustellen ist allerdings eine der größten Herausforderungen der modernen Biotechnologie. Im Leibniz Research Cluster "Bio/Synthetische multifunktionale Mikro-Produktionseinheiten" finden sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus fünf Leibniz-Instituten zusammen, um ihre Expertise auf unterschiedlichen Gebieten zu bündeln und an biotechnologischen Methoden für die Produktion von Wirkstoffen zu forschen. Die beiden lebenswissenschaftlichen Institute steuern Erkenntnisse zur Produktion der Katalysatoren und Synthesebausteine aus Mikroorganismen und Pflanzen bei. Die drei technologisch und materialwissenschaftlich ausgerichteten Institute schaffen hierzu die Grundlagen für eine neue Art der Prozessführung zur Herstellung und Analyse der Produkte, die lebende Zellen ersetzt. Der Leibniz Research Cluster wird bis 2020 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Initiative "Nächste Generation biotechnologischer Verfahren - Biotechnologie 2020+" mit 5,5 Millionen Euro gefördert, dem ein analoger Beitrag der Leibniz-Institute gegenübersteht. Die Forschung wird vor allem von fünf Nachwuchsgruppen in den einzelnen Instituten betrieben, die von jungen Wissenschaftlern geleitet werden.

Das Ziel dieses Projekts ist die Untersuchung der molekularen Hintergründe der Wirkung von Johanniskraut und anderen pflanzlichen Extrakten auf Alzheimer-Demenz und andere neurodegenerative Alterserkrankungen. Johanniskraut (Hypericum perforatum) enthält unter anderem Hyperforin und Hypericin. Diese Stoffe werden als wirksame Bestandteile für einige der gewünschten Wirkungen (z.B. gegen Depression) betrachtet, verursachen aber auch Nebenwirkungen und Medikamenteninteraktionen. Für die positive Wirkung auf Demenzkranke scheinen jedoch andere Substanzen verantwortlich zu sein. Das Projekt wird im Rahmen des Leibniz-Wettbewerbs von der Leibniz-Gemeinschaft für 3 Jahre gefördert.

Das Hauptziel der synthetischen Biologie in Pflanzen ist die Entwicklung von intelligenten Pflanzenlinien, die auf Schlüsselsignale reagieren und dabei landwirtschaftlich wertvolle Eigenschaften aufweisen, wie zum Beispiel eine verbesserte Stressresistenz oder die Biosynthese von hochwertigen Verbindungen. Das Ziel des SmartPlants Konsortiums unter der Koordination von Prof. Alain Tissier ist die Entwicklung von parallelen regulatorischen Netzwerken (PaRNets) basierend auf natürlichen Signalen der Pflanzen. Diese Signale sollen durch die Deregulierung von Biosynthesewegen zu einer erhöhten Produktion von hochwertigen und schützenden Verbindungen führen. Die gesamte Metabolic Engineering Strategie wird durch iterative Modellierungen unterstützt.

Isoprenoide sind Vorläufer vieler wichtiger Moleküle des Primär- und Sekundärstoffwechsels, z. B. verschiedener Hormone und Terpenoide. Pflanzliche Terpenoide werden beispielsweise als Pharmazeutika, Duft- und Aromastoffe, Insektizide oder Spezialchemikalien genutzt. Die verschiedenen Gewebe einer Pflanze produzieren oft sehr unterschiedliche Mengen dieser Stoffklassen, sogar innerhalb einer einzelnen Zelle. Glanduläre Trichome sind Zellen, die auf die Produktion von industriell relevanten Isoprenoiden spezialisiert sind, und eignen sich daher bestens für die Erforschung des Isoprenoidstoffwechsels. Mithilfe dieser Zellen will die Gruppe von Prof. Alain Tissier in den nächsten Jahren die genaue Lokalisation sowie den Transport von Isoprenoiden zwischen Zellkompartimenten erforschen, und zwar in Kultur-, Modell- und Wildpflanzen. Die angewandten Methoden sind u.a. Transkriptomik, Proteomik, Zellbiologie, Interaktomik, Genetik und Metabolomik.

Wurzeln haben die Fähigkeit unterschiedliche Signalstoffe ins Erdreich abzugeben, um nützliche Mikroorganismen anzuziehen und Schädlinge zu vertreiben. Die Zusammensetzung dieses Wurzelexudats ist hochkomplex und ändert sich unter verschiedenen Bedingungen. Das Vorhaben hat zum Ziel, Forschergruppen mit komplementärer Expertise in der Rhizosphärenbiologie strukturell und nachhaltig zu vernetzen. Die wissenschaftlichen Ziele beinhalten (1) eine umfassende Analyse der genetischen Variabilität pflanzlicher Wurzelexsudate, (2) die Analyse und Korrelation der Dynamik mikrobieller Rhizosphärenpopulationen in Bezug zu den genetisch determinierten Mustern von Wurzelexsudaten und (3) die Analyse der Modulation von Wurzelexsudatmustern durch Mikroorganismen und limitiertes Nährstoffangebot. Das IPB war Hauptantragsteller und Koordinator des Projekts und für die Durchführung von fünf Teilprojekten verantwortlich.