1. Biotische Interaktionen
Obstbaumkrebs
- Neonectria ditissima
Die biologische Interaktion zwischen Organismen innerhalb eines Ökosystems wird von diversen Faktoren bestimmt. Am Beispiel der Pflanzenerkrankung des Obstbaumkrebses, welche vom Pathogen Neonectria ditissima verursacht wird, charakterisieren wir diese Prozesse. Genauer bestimmen wir Sekundärmetabolite die zur pathogenitätsassoziierten-, mutualistischen- oder antagonistischen- chemischen Kommunikation innerhalb der Wirtspflanze beitragen. Zum einen isolieren wir endophytische Organismen aus gesundem Pflanzenmaterial der Wirtspflanze und testen deren antagonistische Aktivität gegenüber dem vegetativen Wachstum von N. ditissima. Ein weiterer Aspekt ist die gezielte Erforschung phytotoxischer Subtanzen des Phytopathogens innerhalb eines Apfeltestsystems. Basierend auf Sequenzdaten des Genoms von N. ditissima und Etablierung der genetischen Manipulation ist es uns möglich die Biosynthesewege der Metabolite zu untersuchen.
Rebenpathogene Pilze
- Esca
Esca, Eutypa Dieback und Botryosphaeria Dieback sind drei ökonomisch relevante Stammkrankheiten an Weinpflanzen, an denen ein oder mehrere im Xylem-lebende Pilze beteiligt sind. Phaeomoniella chlamydospora, Phaeoacremonium minimum, Eutypa lata, Fomitiporia mediterranea und mehrere Mitglieder der Botryosphaeriaceae sind die wichtigsten Arten, die weltweit mit diesen Krankheiten in Verbindung gebracht werden. Wir untersuchen die Interaktionen der pathogenen Pilze und der Wirtspflanze. Außerdem suchen wir aktiv nach biologischen Fungiziden oder Antagonisten, um Lösungen zur Bekämpfung der Pathogene zu finden. (http://www.ibwf.de/index.php/fields-of-competence/plant-protection-research-development/pathogens-in-grapevine )
- Guignardia
Guignardia bidwellii ist der phytophatogenische Erreger der Schwarzfäule an Weinreben, welcher eine massive Bedrohung für den ökologischen Weinbau ist. Im 19. Jahrhundert wurde die Schwarzfäule aus Nordamerika nach Europa eingeschleppt und hat sich begünstigt durch den Klimawandel seit 2002 bis nach Deutschland ausgebreitet. Das Verständnis über die molekularen Mechanismen der Wirt/Pathogen-Interaktion ist aktuell limitiert, auch Genmanipulationen von G. bidwellii sind bisher noch nicht erfolgreich etabliert worden. Der Arbeitsgruppe ist es gelungen die phytotoxischen Dioxolanone Phenguignardic acid und Guignardic acid als potenzielle Virulenzfaktoren zu identifizieren und die Biosynthese von Phenguignardic acid aufzuklären.
- Roesleria
Roesleria subterranea ist ein phytopathogener Pilz, welcher verheerende Ernteverluste im Weinbau durch die Wurzelfäule verursachen kann. Bis dato ist wenig über die Wirt-Pathogen-Interaktion bekannt. Daher untersucht unsere Arbeitsgruppe vor allem den Sekundärmetabolismus des rebenpathogenen Pilzes, um so einen Einblick in den Infektionsprozess zu erhalten. Es wurde bereits das Genom von R. subterranea sequenziert und annotiert. Die Etablierung eines geeigneten Transformationssystems wird derzeit durchgeführt, um zukünftig Biosynthesewege des Pilzes aufklären und insbesondere Fungizid-Targets identifizieren zu können.
Rebenassoziierte Hefen
Nicht-Saccharomyces Hefen gewinnen zunehmende Bedeutung zur Herstellung von Weinen mit besonderer sensorischer Note. In diesem Zusammenhang untersuchen wir Hefen wie Metschnikowia oder Wickerhamomyces auf Bildung önologischer interessanter Enzyme. Neben der Mostvergärung spielen solche „wilden Hefen“ jedoch auch eine wichtige ökologische Rolle. Sie kolonisieren Oberflächen von Pflanzen (Blätter, Früchte) und bilden somit eine natürliche Barriere gegen pathogene Pilze wie Botrytis cinerea. Wir evaluieren daher die Eignung von Nicht-Saccharomyces Hefen als biologische Komponenten im Rahmen eines integrierten Pflanzenschutzes. Im Mittelpunkt unserer Forschungen steht die Aufklärung der antagonistischen Wirkprinzipien (Enzyme, Killertoxine, Sekundärmetabolite).
Getreidepathogene Pilze
- Magnaporthe oryzae (Rice blast disease)
Magnaporthe oryzae (Erreger der „Rice Blast Disease“) ist einer der wichtigsten Pflanzenpathogene weltweit. Der Pilz ist ein Modellorganismus in unserem Labor zur Erforschung von Pathogen/Wirt-Interaktionen. Wir interessieren uns für die pathogenitätsrelevante Differenzierung und die zugrundeliegenden physiologischen Prozesse und führen eine Stammsammlung von mittlerweile über 350 gezielt genetisch manipulierter M.oryzae-Stämmen (http://www.ibwf.de/index.php/fields-of-competence/plant-protection-research-development/molecular-basis-of-plant-microbe-interaction ).
- Zymoseptoria tritici (Septoria Leaf Blotch)
Ein weiterer Modellorganismus in unserer Gruppe ist einer der wichtigsten Schadpilze im Bereich des Getreideanbaus, Zymoseptoria tritici (teleomorph Mycosphaerella graminicola). Dieses Pathogen verursacht die sogenannte Septoria tritici - Blattdürrekrankheit, welche jährlich massive Ernteausfälle zur Folge hat. Wir verwenden eine Kombination aus Transkriptom-basierten (RNA-Seq), genomischen (NGS), molekularbiologischen (reverse und forward gentetics), zellbiologischen sowie bioinformatischen Methoden (Clustering-, Coexpressions- und Coregulationsanalysen), um die molekularen Mechanismen der dimorphen Transition vom hefeähnlichen Wachstum zum myzelartigen Wachstum in Z. tritici zu verstehen.
2. Netzwerke und Kommunikation
Eine große Herausforderung der Zellbiologie ist es, zu verstehen, wie Zellen Informationen aus ihrer Umwelt auswerten und integrieren, um ihre Physiologie anzupassen. Dabei ist es besonders wichtig, dass Stoffwechsel, Wachstum und Zellteilung aufeinander abgestimmt werden. Wir untersuchen am High Osmolarity Glycerol (HOG)-Signalweg im Modellorganismus Magnaporthe oryzae, wie eine Zelle Signale aus ihrer Umwelt wahrnimmt, prozessiert und infolgedessen ihren Stoffwechsel und ihr Wachstum anpassen kann (http://www.ibwf.de/index.php/fields-of-competence/plant-protection-research-development/molecular-basis-of-plant-microbe-interaction ).
3. Genregulation & Evolution
Rapid Evolution of Signaling Networks
Eine grundlegende Frage in der Biologie ist, wie sich Signalnetzwerke im Verlauf der Evolution entwickelt haben. In unserer Arbeitsgruppe wurde entdeckt, dass M. oryzae-Mutanten mit inaktivierter Osmoregulation innerhalb nur weniger Wochen Wachstum unter konstantem osmotischem Stress zu „angepassten“ Individuen führen, die unabhängig vom ursprünglichen Signalsystem wieder auf osmotischen Stress reagieren können. Die Grundlagen dieses Phänomens untersuchen wir in dem DFG-geförderten Projekt „Schnelle Evolution von Signalnetzwerken im pathogenen Pilz Magnaporthe oryzae“ (DFG Schwerpunkt SPP1819 https://dfg-spp1819.uni-hohenheim.de/131115 ).
4. Biologie des Alterns und Differenzierung
Alternatives Splicing
Aus ein und derselben DNA-Sequenz und dementsprechend ein und derselben prä-mRNA werden durch alternatives Spleißen mehrere verschiedene reife mRNA-Moleküle und durch deren Translation auch mehrere unterschiedliche Proteine gebildet. Fehlregulationen hierbei sind häufige Ursache von unterschiedlichen (auch altersbedingten) Krankheitsbildern. Wir erforschen grundlegende molekulare Mechanismen des alternativen Spleißens am Beispiel des Phosphotransferproteins MoYpd1p im Phosphorelaysystem des HOG-Signalwegs von M. oryzae, um das Verständnis solcher Fehlregulationen zu verbessern. (DFG Projekt https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/426554840 )
Genomische Instabilität
Wir erforschen die Genomvariabilität und Chromosomenstabilität von Zymoseptoria tritici. Das Weizenpathogen besitzt einen Satz von nicht-essentiellen Chromosomen, deren Anzahl unter den verschiedenen Feldisolaten variabel ist. Diese Chromosomen sind während der Meiose instabil, transkriptionell wenig aktiv und haben eine Anreicherung von repetitiven Elementen und Heterochromatin-assoziierten Histon-Modifizierungen. Ihre funktionelle Rolle und warum diese Chromosomen im Laufe der Evolution erhalten wurden ist bisher nicht bekannt. Wir verwenden vergleichende und populationsgenomische Ansätze, die auf computergestützten comparative genomics Methoden basieren, sowie reverse genetics Techniken zwecks Generierung von Chromosom-defizienten Mutantenstämmen.
5. Sekundärmetabolismus und Synthetische Biologie
Biosynthese und Regulation
Die Identifizierung von sekundären Stoffwechselprodukten, die biologische Prozesse beeinflussen können, z.B. Atmung oder Pilzsporenkeimung, ist ein weiterer Schwerpunkt unserer Forschung. Biologisch aktive Sekundärmetabolite werden als Wirkstoffe oder Leitstrukturen für landwirtschaftliche oder pharmazeutische Anwendungen (z.B. Penicillin, Strobilurin) genutzt, dienen aber auch als Testsubstanzen für die Grundlagenforschung (z.B. physiologische Studien). Um bioaktive Sekundärmetabolite zu untersuchen und zu isolieren, kommen verschiedene Testansätze zum Einsatz, um bestimmte Organismen oder molekulare Ziele zu adressieren. (http://www.ibwf.de/index.php/fields-of-competence/natural-product-research)
Wir erforschen die molekularen Regulationsmechanismen zur Biosynthese von Sekundärmetaboliten am Beispiel des phytotoxischen Sekundärmetaboliten Pyriculol, der bei der Pathogen/Wirt-Interaktion des phytopathogenen Pilzes Magnaporthe oryzae und seiner Wirtspflanze Reis eine Rolle spielt (http://www.ibwf.de/index.php/fields-of-competence/genetics-of-biosynthetic-pathways ).
Ebenfalls identifizieren wir von Z. tritici produzierte Sekundärmetaboliten, die für pathogene Entwicklung wichtig sind. Biosynthetische (Cluster) Gene und ihre transkriptionelle und epigenetische Regulationsmechanismen werden untersucht, um Wissen über die molekularen Grundlagen von Pflanzen/Pathogen-Wechselwirkungen zu gewinnen. Des Weiteren untersuchen wir metabolische Konversionsprozesse von Z. tritici, die zur Detoxifizierung von induzierten pflanzlichen Abwehrstoffen beitragen.