Forschung
Unsere Arbeitsgruppe untersucht die Biosynthese und Funktion von Membranlipiden, Speicherlipiden (Triacylglycerin) und Lipidvitaminen (Tocopherol/Vitamin E; Carotinoide/Provitamin A) in Modell- und Nutzpflanzen (Arabidopsis, Gerste, afrikanische Ölpalme) und in Cyanobakterien.
Professor Dr. Peter Dörmann
Biologische Membranen bilden die Barriere zwischen der Zelle und ihrer Umgebung und unterteilen eukaryontische Zellen in funktionelle Kompartimente. Pflanzen und viele Bakterien produzieren einen einzigartigen Satz von Glykolipiden, die sich von den Membranlipiden in Tieren unterscheiden.
Glykolipide sind in den Chloroplastenmembranen von Pflanzen reichlich vorhanden, wo sie die Phospholipide übertreffen. Die Thylakoidmembranen der Chloroplasten beherbergen die photosynthetischen Komplexe, die Licht in chemische Energie umwandeln. Wir interessieren uns für die Biosynthese des Glykolipids Digalactosyldiacylglycerin (DGDG), das von DGDG-Synthasen aus Monogalactosyldiacylglycerin (MGDG) hergestellt wird (Dörmann et al., 1999).
Arabidopsis thaliana enthält zwei DGDG-Synthasen, DGD1 und DGD2. Die entsprechenden Einzel- und Doppelmutanten sind in Abbildung 1 dargestellt (Kelly et al., 2003). Wir untersuchen die Biosynthese und Funktion von DGDG in Pflanzen.
Professor Dr. Peter Dörmann
Tocopherol (Vitamin E) ist ein Lipid-Antioxidans, das zum Abbau reaktiver Sauerstoffspezies in Pflanzen und Tieren beiträgt. Eine in unserem Labor identifizierte Tocopherol-Mangelmutante von Arabidopsis, die Vitamin-E-Mangelmutante 1 (vte1), ist fehlerhaft in der Tocopherol-Cyclase und völlig frei von Tocopherol (Porfirova et al., 2002).
Tocopherolmangel verursacht oxidativen Stress in den Thylakoidmembranen der Chloroplasten. Der Rückgang des Tocopherols kann durch Zeaxanthin ausgeglichen werden, ein Carotinoid mit antioxidativer Wirkung, das am Schutz der photosynthetischen Komplexe vor zu viel Licht beteiligt ist (Havaux et al., 2005). Tocopherol wird in den Chloroplasten der Pflanzen aus Phytyl-Diphosphat und Homogentisat synthetisiert.
In den letzten Jahren wurde deutlich, dass Phytol für die Tocopherolsynthese hauptsächlich aus dem Abbau von Chlorophyll und nicht aus der direkten Reduktion von Geranylgeranyldiphosphat aus dem MEP-Weg der Chloroplasten stammt. In Übereinstimmung mit diesem Szenario wurde das VTE5-Gen, das für Phytolkinase kodiert, bereits beschrieben. Wir identifizierten VTE6, ein weiteres an der Tocopherolsynthese beteiligtes Gen, das Phytylphosphat in Phytyldiphosphat umwandelt (vom Dorp et al., 2015).
Professor Dr. Peter Dörmann
Dieses Projekt wird gefördert durch die DFG
Die afrikanische Ölpalme (Elaeis guineensis) ist die wichtigste Ölpflanze der Welt. Das rohe Palmöl wird aus dem Mesokarpgewebe der Früchte gewonnen. Aufgrund des hohen Gehalts an Carotinen (Provitamin A) ist das Öl oxidationsanfällig und nur begrenzt haltbar. Das Palmöl enthält auch Tocochromanole (Vitamin E), ein natürliches Antioxidans, dessen Gehalt jedoch nicht ausreicht, um das Öl vor Oxidation zu schützen.
Gemeinsam mit unseren Kooperationspartnern in Ghana und Kamerun haben wir Populationen von Wildpalmen aus Westafrika auf Palmöle mit einer besseren Zusammensetzung von Provitamin A und Vitamin E untersucht. Ziel dieses Projekts ist es, Bäume zu identifizieren, die ein rohes Palmöl mit höherer Stabilität und längerer Haltbarkeit produzieren.
Die entsprechenden Merkmale können dann in Elite-Zuchtmaterial eingeführt werden, um Bäume zu erhalten, die ein Öl mit längerer Haltbarkeit produzieren, das zu entfernten Märkten transportiert und zur Bekämpfung des Vitamin-A-Mangels in Afrika eingesetzt werden kann.
Professor Dr. Peter Dörmann
Dieses Projekt wird gefördert durch die DFG
Cyanobakterien sind Bakterien, die wie Pflanzen und Algen Photosynthese betreiben. Als prokaryotische Zellen ist ihre Zellstruktur weniger komplex. Wir haben das erste Gen für die Synthese von Öl (Triacylglycerin) in Cyanobakterien identifiziert (Aizouq et al., 2020). Die Aufklärung des Biosyntheseweges für Triacylglycerin in Cyanobakterien ermöglicht neue Strategien für die biotechnologische Ölproduktion in Mikroorganismen.
Cyanobakterien können auf molekularer Ebene verändert werden, z. B. durch Transformation zur Erzeugung von Knock-out-Mutationen oder Überexpression von Genen. Cyanobakterien sind daher ideal für die biotechnologische Produktion von Öl als erneuerbare Ressource.
Professor Dr. Peter Dörmann
Dieses Projekt wird gefördert durch das BMBF
Alcanivorax borkumensis ist ein Meeresbakterium, das Kohlenwasserstoffe, die z. B. bei Erdölverschmutzungen in den Ozeanen freigesetzt werden, als einzige Kohlenstoffquelle nutzen kann. Das Bakterium produziert ein Tensid, d. h. ein Glycin-Glucolipid, das aus vier 3-Hydroxyfettsäuren besteht, die an eine Glucose in glykosidischer Bindung und an ein Glycin in Amidbindung gebunden sind (Cui et al., 2022).
Wir interessieren uns für die Biosynthese und die Funktion des A. borkumensis-Tensids bei der Verstoffwechselung von Kohlenwasserstoffen.
Professor Dr. Peter Dörmann
Dieses Projekt wird gefördert vom Exzellenzcluster 'PhenoRob'
Phosphat ist einer der wichtigsten Makronährstoffe für Pflanzen. Wir untersuchen die biochemischen und physiologischen Reaktionen von Gerste (Hordeum vulgare) auf Phosphatmangel. Zu diesem Zweck werden die Veränderungen der Stoffwechselprodukte in verschiedenen Pflanzenorganen aufgezeichnet.
Wir erzeugen Knock-out-Gerstenmutanten von Genen, die an der Phosphatsensierung beteiligt sind, und wir erzeugen transgene Gerstenpflanzen, die Reportergene exprimieren. Mit Hilfe dieser Linien werden neuronale Netze trainiert, um frühe Symptome von Phosphatmangel zu erkennen.
Professor Dr. Peter Dörmann und Priv.-Doz. Dr. Margot Schulz
Dieses Projekt wird gefördert durch das DFG Schwerpunktprogramm DECRyPT
Pflanzenspezifische (sekundäre) Metaboliten wie Benzoxazolinon (BOA), Gramin und Quercetin werden von verschiedenen Pflanzenarten, darunter Gerste (Hordeum vulgare) und Lotus japonicus, produziert.
Wir untersuchen den Einfluss dieser drei Metaboliten auf die Struktur der bakteriellen Gemeinschaft in landwirtschaftlich genutzten Böden. Der Eintrag von Pflanzenmetaboliten in den Boden verändert die Häufigkeit vieler Bakteriengattungen (Schütz et al., 2021). Mehr als 110 Bakterienstämme wurden nach der Behandlung mit den Pflanzenmetaboliten isoliert und kultiviert. Die Stämme wurden einzeln auf ihre Toleranz gegenüber BOA, Gramin oder Quercetin getestet.
Derzeit suchen wir nach bakteriellen Genen, die am Abbau der Metaboliten beteiligt sind, und wir untersuchen die Struktur der Abbauprodukte der Pflanzenmetaboliten einschließlich ihrer Auswirkungen auf Arabidopsis.
Dr. Georg Hölzl
Ähnlich wie Pflanzen können einige Bakterien ihre Membranlipidzusammensetzung ändern, indem sie unter Phosphatmangel Glykolipide und andere Nicht-Phosphat-Lipide produzieren. Diese Lipide umfassen Galaktolipide und Glucolipide, Betainlipide (DGTS, Diacylglyceroltrimethylhomoserin) und Ornithinlipid.
Wir haben neue Formen von Glykolipiden und Ornithinlipid in Agrobacterium tumefaciens (einem pflanzenpathogenen Bakterium, das zur Pflanzentransformation eingesetzt wird) (Geske et al., 2013; Semeniuk et al., 2014) und in Mesorhizobium loti (Knöllchenbakterium von Lotus japonicus) entdeckt. (Devers et al., 2011). Derzeit testen wir weitere Gene, die an der Regulation der Lipidsynthese in diesen beiden Bakterien beteiligt sind mit einer knock-out-Mutantenstrategie.
Dr. Georg Hölzl und Professor Dr. Peter Dörmann
Pflanzenöle sind eine wichtige Kohlenstoff- und Energiequelle für die menschliche Ernährung und enthalten viele wichtige Lipide wie Vitamine und essenzielle Fettsäuren. Raps (Brassica napus), ein naher Verwandter von Arabidopsis thaliana, ist die wichtigste Ölpflanze in Mitteleuropa. Weitere Ölpflanzen, z. B. Camelina sativa, gewinnen als erneuerbare Ressource immer mehr an Bedeutung.
Pflanzenöl wird für die menschliche Ernährung, für industrielle Anwendungen (Schmierstoffe, Oberflächenveredelung) sowie als Biokraftstoff/Jetfuel für die Auto- und Flugzeugindustrie verwendet. Camelina-Samen enthalten beträchtliche Mengen an Glucosinolaten, spezialisierte (sekundäre) Pflanzenstoffe, die in der Lebens- und Futtermittelindustrie unerwünscht sind.
Durch Genom-Editierung (CRISPR-Cas9) mehrerer an der Glucosinolat-Synthese beteiligter Loci haben wir Camelina-Mutantenlinien erzeugt, denen es an der Glucosinolat-Produktion mangelt und die eine bessere Qualität für die Lebens- und Futtermittelproduktion aufweisen (Hölzl and Dörmann, 2023).
Dr. Katharina Gutbrod
Fettsäure-Phytylester sind Lipide, die in den Chloroplasten bei Stress gebildet werden. Wie Tocopherol werden Fettsäure-Phytylester aus Phytol, einem vom Chlorophyll stammenden langkettigen Alkohol, synthetisiert (Ischebeck et al., 2006). Fettsäure-Phytylester reichern sich nur bei Stress und Seneszenz in Pflanzen an und speichern Fettsäuren und Phytol vorübergehend (Lippold et al., 2012). Zwei Enzyme, PES1 und PES2, tragen zur Fettsäure-Phytylester-Synthese in Arabidopsis bei.
Wir untersuchen die Rolle dieser beiden Enzyme für die Synthese von Phytylestern und anderen neutralen Lipiden in Chloroplasten.
Pflanzenbiochemie und molekulare Allelopathie
Priv.-Doz. Dr. Margot Schulz
BOA/MBOA stellen Verbindungen dar, die von den Benzoxazinonen DIBOA/DIMBOA, Sekundärprodukten mehrerer Getreidesorten wie Mais oder Roggen und einigen anderen Spezies abgeleitet sind. Die Ausgangsstoffe können aktiv durch Wurzelausscheidungen oder durch verrottende Pflanzen in die Umwelt freigesetzt werden. Die meisten Verbindungen sind bioaktiv. Sie können nach der Aufnahme von Pflanzen modifiziert werden und werden von Mikroorganismen, die Boden und Wurzel besiedeln, umgewandelt und abgebaut, die Produkte können das pflanzliche Transkriptom und Abwehrstrategien beeinflussen.
Priv.-Doz. Dr. Margot Schulz
Da man davon ausgeht, dass die Allelopathie zur Nachhaltigkeit von Agrarökosystemen beiträgt, werden Methoden zur allelopathischen Unkrautbekämpfung und die Untersuchung positiver allelopathischer Wechselwirkungen zwischen Arten für den Einsatz in landwirtschaftlichen Anbausystemen erforscht.
Roggenmulch: In Zusammenarbeit mit dem Institut für Agronomie, Pflanzenphysiologie und Feldkulturen der Università Cattolica del Sacro Cuore wird derzeit die Bedeutung der BOA-Entgiftung für das Überleben unempfindlicher Unkräuter in einer mit dieser allelopathischen Chemikalie angereicherten Umgebung untersucht. Die Entgiftungsstrategien erklären, warum Mulche geeigneter Roggensorten, die Benzoxazinoide und Flavonoide enthalten, selektiv zur Unkrautbekämpfung im ökologischen Landbau eingesetzt werden können.
Terpenoide zur Förderung des Pflanzenwachstums. In einem weiteren Ansatz wird die Verwendung natürlicher Mischungen von flüchtigen Stoffen und definierten Monoterpenen zur dosisabhängigen Wachstumsförderung von Kohlsämlingen im Vergleich zur Modell-Brassicacea Arabidopsis thaliana untersucht. Die Untersuchungen werden in Kooperation mit Prof. Andreas Ulbrich, Hochschule Osnabrück, durchgeführt.
