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 Gruppe Prof. Dr. Hänsch, Robert

Haensch

  Arbeitsgruppenleiter, Studiendekan Biologie
   
Raum: 109, Botanischer Garten
Tel.: +49 531 391 - 5867
Fax: +49 531 391 - 8208
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Themenkomplex 1: Die Entgiftung von Schwefeldioxid in Pflanzen

Schwefeldioxid (SO2) ist ein Umweltgas, welches einerseits natürliche Ursprünge wie Vulkanausbrüche oder heiße Quellen haben kann, andererseits aber ebenfalls durch den Menschen erzeugt wird (Verbrennung fossiler Brennstoffe). SO2erreicht das Zellinnere als Sulfit und bringt den Schwefelmetabolismus der Pflanzen aus dem Gleichgewicht bzw. führt im schlimmsten Fall zum Tod der gesamten Pflanze. Alle Pflanzen haben während der Evolution Schutzmechanismen entwickelt, um der toxischen Wirkung des SO2 zu entgehen. Ein wichtiges Enzym - welches 2001 in unserer Arbeitsgruppe entdeckt wurde - ist das Molybdoenzym Sulfitoxidase (SO).

 

(1) Untersuchungen an Modellorganismen im Labor

Die Untersuchung der SO erfolgt in Kooperation mit der Freiburger Gruppe von Prof. Rennenberg(Universität Freiburg) und den dort durchgeführten SO2-Begasungsexperimenten. Neben Erkenntnissen bezüglich der Enzyme des Schwefelmetabolismus wollen wir Aussagen über eine mögliche Regulation und Anpassung der SO-Aktivität erhalten. Dazu verwenden wir Arabidopsis thaliana und Pappel Wildtyp-Pflanzen, sowie SO knock out- und SO-überexprimierende Mutanten. Während Wildtyp-Pflanzen eine SO2-Begasung im Bereich von 1 ppm noch gut verkraften, sterben knock-out Mutanten innerhalb weniger Tage ab. In unseren Untersuchungen setzen wir dabei sowohl zellbiologische (Lokalisierung), biochemische (Enzymaktivitäten, Metabolom-Analysen), pflanzenphysiologische (Photosynthese-Messung) und molekularbiologische (Klonierung, Transkriptom-Untersuchungen) Arbeitstechniken ein, die z.T. auch rein Computer-basiert sein können.

 

Untersuchungen an Modellorganismen

 

(2) Freilandversuche

Der normale SO2-Gehalt der Außenluft schwankt in Mitteleuropa um Werte zwischen ein und drei ppb SO2. Wie sieht es mit Pflanzen aus, die in der Nähe von Vulkanen oder heißen Quellen wachsen und auch überleben: Haben diese Arten spezielle und vielleicht sogar dauerhafte Mechanismen zur Anpassung an den hohen SO2-Gehalt der Luft entwickelt? Zur Klärung dieser Frage haben wir Feldversuche in Island in der Nähe heißer Quellendurchgeführt und die dort geernteten Pflanzen hinsichtlich der Enzyme des Schwefelmetabolismus (SiR, SAT, OASTL) und mit besonderem Augenmerk auf die SO-Aktivität analysiert.

 

Freilandversuche

SO2 Messungen und Probennahme in Freilandversuchen (Island 2010)

 

Derzeitiger Erkenntnisstand

Unsere Untersuchungen belegen, dass Pflanzen neben der SO weitere Anpassungen an hohe SO2-Konzentrationen entwickelt habe. Eine wichtige Rolle spielen dabei die in der Abbildung gezeigten Punkte: (1) schnelles Schließen der Spaltöffnungen, (2) erste Entgiftung von Sulfit über eine apoplastische Peroxidase, (3) die Sulfitoxidase selbst, und (4) die weitere Verwertung des Sulfites durch Anpassung der gesamten Sulfatassimilation.

 

Regulation der SO2-Entgiftung in der Pflanze

Regulation der SO2-Entgiftung in der Pflanze (aus Hamisch et al. 2012)
 

Themenkomplex 2: Wer mit Wem? Lokalisierung und Interaktion im Proteinnetzwerk des Molybdän-Stoffwechsel.

In der Zellbiologie wird es auf Grund der zunehmenden Zahl von entdeckten Stoffwechselwegen und den daran beteiligten Proteinen immer wichtiger, die interaktiven Netzwerke zwischen den Einzelkomponenten zu analysieren und zu verstehen. Nur mit Hilfe von komplexen Netzwerkmodellen wird es in Zukunft möglich sein, die regulatorischen Prozesse innerhalb von Zellen ergründen und manipulieren zu können. Diese Netzwerkstudien bilden die Grundlage, um in Zukunft systembiologische Fragestellungen beantworten zu können.

 

Zu diesem Zweck führt unsere Arbeitsgruppe in vivo Lokalisierungs- und Interaktionsstudien in pflanzlichen Systemen durch. In unserem Forschungsgebiet rund um den Molybdänstoffwechsel haben wir in den letzten Jahren bereits viele Proteine lokalisieren können. Außerdem wurde vor kurzem ein Komplex aus Moco-Biosynthese Enzymen identifiziert sowie deren Interaktionsstärken zueinander quantifiziert (Kaufholdt et al., 2013).

 

Verschiedene Methoden stehen uns zur Verfügung, um weitere wichtige Erkenntnisse auf dem Weg zu einer vollständigen Interaktionsmatrix. Für die Lokalisierung nutzen wir mit Fluoreszenzproteinen fusionierte Proteinkonstrukte, die wir anschließend in vivo am konfokalen Laserscanning-Mikroskop in den verschiedenen Kompartimenten der Zellen nachweisen (Abb. 1). Bimolekulare Fluorescence Complementation sowie Floated Leaf Luciferase Complementation Imaging (Abb. 2) sind Split-Protein-Assays, mit denen wir Interaktionen und deren Interaktionsstärken in vivo bestimmen können. Die Transformation von Pflanzenmaterial erfolgt bei diesen Methoden entweder über Rhizobium tumefaciens Infiltration durch die Stomata oder durch ballistischen Gentransfer mit unserer Genkanone (Abb. 3). 

 

Abb. 1: Cytoplasmatische Lokalisierung des Molybdoenzyms

Abb. 1: Cytoplasmatische Lokalisierung des Molybdoenzyms Xanthindehydronase aus A. thaliana mittels C-terminal fusioniertem Fluoreszenzprotein
 

Abb. 2: Schematische Darstellung eines Split-Protein-Assays

Abb. 2: Schematische Darstellung eines Split-Protein-Assays am Beispiel Split-Luciferase. Gemessen wird die Lumineszenz der beiden fusionierten „Proteins of Interest“ gegen einen Negativkontrollansatz.
 

Abb3

Abb. 3: Particle Delivery System zum Beschuss pflanzlicher Zellen mit DNA-beladenen Gold-Kügelchen

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