SCIENTIFIC REPORT 2011-2012 - Leibniz Institute of Plant Biochemistry - IPB Halle
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2011-2012
SCIENTIFIC REPORT
Leibniz Institute of Plant Biochemistry
JAHRESBERICHT
TABLE OF CONTENTS
Presentation of the Institute 4
Vorstellung des Instituts 7
Organigramm 11
Governing Bodies of the Institute 12
DEPARTMENT OF MOLECULAR SIGNAL PROCESSING 14
Professor Steffen Abel
Nutrient Sensing 16
Steffen Abel
Defense Metabolism 18
C. Douglas Grubb
Signal Integration 20
Luz Irina A. Calderón Villalobos
Auxin Signaling 22
Marcel Quint
Publications and Other Activities of the Department Molecular Signal Processing 24
DEPARTMENT OF BIOORGANIC CHEMISTRY 26
Professor Ludger Wessjohann
Natural Products 28
Norbert Arnold & Jürgen Schmidt
Chemoenzymatics 30
Ludger Wessjohann & Wolfgang Brandt
Synthesis 32
Ludger Wessjohann & Bernhard Westermann
Spectroscopy 34
Andrea Porzel & Jürgen Schmidt
Screening 36
Norbert Arnold & Bernhard Westermann
Computational Chemistry 38
Wolfgang Brandt & Andrea Porzel
Publications and Other Activities of the Department Bioorganic Chemistry 40
DEPARTMENT OF STRESS AND DEVELOPMENTAL BIOLOGY 44
Professor Dierk Scheel
Molecular Communication in Plant-Pathogen Interactions 46
Wolfgang Knogge
Cellular Signaling 48
Dierk Scheel & Justin Lee
Induced Pathogen Defense 50
Sabine Rosahl & Dierk Scheel
Bioinformatics & Mass Spectrometry 52
Steffen Neumann
Metabolite Profiling 54
Dierk Scheel
Publications and Other Activities of the Department Stress and Developmental Biology 56
2
DEPARTMENT OF CELL AND METABOLIC BIOLOGY 58
Professor Alain Tissier
Glandular Trichome and Isoprenoid Biosynthesis 60
Alain Tissier
Carotenoid Metabolism & Mycorrhiza 62
Michael H. Walter & Alain Tissier
Jasmonate Function & Mycorrhiza 64
Bettina Hause
Protein Biochemistry & Metabolite Profiling 66
Thomas Vogt
Publications and Other Activities of the Department Cell and Metabolic Biology 68
INDEPENDENT RESEARCH GROUPS 70
Ubiquitination in Immunity 70
Marco Trujillo
Protein Recognition and Degradation 72
Nico Dissmeyer
Proteome Analytics 74
Wolfgang Hoehenwarter
Publications and Other Activities of the Research Junior Groups 75
ABTEILUNG ADMINISTRATION UND INFRASTRUKTUR 76
Christiane Cyron
Mitarbeiter/innen der Abteilung 2011/2012 77
Personalübersicht 2011/2012 78
Budget 2011/2012 79
Drittmittel 2011/2012 80
Mitwirkung des IPB an nationalen und internationalen Forschungsnetzwerken 81
Gastwissenschaftler und Stipendiaten 82
PRESSE- UND ÖFFENTLICHKEITSARBEIT 84
Sylvia Pieplow
Medienpräsenz und Druckerzeugnisse 2011/2012 88
Impressionen und Impressum 92
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PRESENTATION OF THE INSTITUTE
Research at the Leibniz Institute of Plant
Dear Reader, Biochemistry (IPB) is focused on plant
It is easely forgotten: plants are not on- natural products, like secondary metabo-
ly the source of our daily food - they lites and hormones, and on the role
generate the oxygen we need and con- these play for plants in response to the
vert carbon dioxide into biomass - but environment. As a leading institution in
they are increasingly important sup- the field, the IPB is one of the few that
pliers of renewable raw materials and fully integrates biological and chemical
high value products, for linoleum and
expertise and provides the infrastruc-
rubber or drugs and pharmaceuticals,
ture required for a comprehensive study
to name a few. It is estimated that
some 70% of medicinal treatments, ba- of the interaction and function of small
sed on patient number, rely on plant- molecules in, from, and on plants. The in-
derived ingredients. stitute provides an excellent environ-
ment of international rank to its em-
The Halle region has become the cen- ployees and especially to young scholars
ter of plant research activities in Ger- and guest scientists from around the
many. A recent study estimated that world. The commitment to basic research
some 40% of the plant and bioecono- is the starting point for innovative, appli-
my activities in Germany are located cation-oriented research in the areas of
here. Some activities include the ScienceCampus Halle Plant-based bio-
plant and human health and nutrition,
economy (emphasis on food, high value plant products, and socio-econo-
and toward a plant-based bioeconomy.
mic aspects), the BioEconomy cluster in Merseburg (focus on wood), the
German Biomass Research Centre Leipzig (focus on bioenergy), the The IPB participates in national and in-
Agrochemical Institute Piesteritz (focus on fertilizers and agrochemi- ternational consortia, such as EU-funded
cals), the Interdisciplinary Center for Crop Research Halle, and recently projects and networks (ERA, COST), or
the German Centre for Integrative Biodiversity Research - iDiv Halle- in BMBF, DFG, or Leibniz initiatives.
Jena-Leipzig of the German Science Foundation. The Leibniz Institute of
Plant Biochemistry is an active partner in several of these consortia. Locally, the institute maintains a close re-
lationship with the Martin-Luther-Uni-
Our goal is to generate knowlegde and to deliver tools that improve versity Halle-Wittenberg, which is par-
plant productivity and utilization of their secondary metabolites, starting ticularly evident by joint appointments of
from basic research on molecular processes and small molecules in, on,
IPB-department heads who are also pro-
and around plants. Our approach to molecular plant research is unique
fessors at the university. The most rele-
in Germany because we unite the full range of disciplines under one
roof, from genetics to synthetic organic chemistry. vant platform of cooperation between
the university and regional Leibniz insti-
This biannual report summarizes results of the individual research tutes is the Science Campus Halle "Plant
groups and their projects. For the first time, this is presented with the Based Bioeconomy". The institute is also
new structure of the IPB completed, i.e. with the remodelled depart- active in the German Centre of Integra-
ments of Molecular Signal Processing, Metabolic and Cell Biology, Admi- ted Biodiversity Research (iDiv) Halle-
nistration and Infrastructure, and the new independent junior research Jena-Leipzig. Both initiatives became fully
groups and the central research group Proteome Analytics. They are all active during the reporting period.
under new leadership, and I thank the new colleagues, our staff, and the
members of our boards for their contribution, which has made this mas-
HISTORY AND ORGANISATION
sive restructuring affecting almost 2/3 of the Institute a success. This
On 1 January 1958, Prof. Kurt Mothes
change provides you with the opportunity to discover many new things
in this report. Enjoy! founded the Centre for Biochemistry of
Plants in Halle (Saale) within the German
Sincerely Academy of Sciences (East-Berlin). After
reunification of Germany, the academy
institutes were evaluated and the centre
was reinstated as Institute of Plant Bio-
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chemistry (IPB) on 1 January 1992. Since toral and doctoral fellows.The Personnel Molecular Signal Processing of Prof. Stef-
then, the Leibniz Institute of Plant Bio- Committee (Personalrat) represents and fen Abel became fully operational with its
chemistry is an independent non-profit supports the IPB employees issues. new four research groups. Thus, 2012
research institute funded by the Federal was the first year since 2007 with a com-
Government and the State of Saxony- The IPB consists of four scientific de- plete staff, and accordingly with a signifi-
Anhalt with the legal status of a founda- partments (Stress and Developmental cant increase in scientific output in both
tion under public law under supervision Biology, Bioorganic Chemistry, Molecular numbers and impact. Scientifically, this
of the government of Saxony-Anhalt. It Signal Processing, and Cell and Metabolic turnover led to a (re-)strengthening of
became a member of what is now the Biology), three extradepartmental re- the institutes plant hormone and ter-
Leibniz Association (www.leibniz-gemein- search units and the Administration and penoid research, and to a considerable
schaft.de) that comprises 86 research in- Infrastructure department. The institute extension of our plant protein expertise
stitutions and is one of the four major has about 180 employees with more from biotechnological production and
MISSION STATEMENT
Research at the Leibniz Institute of Plant Biochemistry (IPB) focuses on the chemical diversity, the biosynthesis, the
biological roles, and the mechanisms of action of plant and fungal natural products, with an emphasis on specialized
metabolites and signaling molecules. Our aim is to develop a comprehensive molecular understanding of the adaptive
and developmental processes, which plants evolved as a consequence of their dynamic interaction with the environ-
ment. The resulting changes in gene expression and phenotype are analyzed in interdisciplinary approaches at the ge-
nome, proteome and foremost at the metabolome level. The knowledge gained will pave the way to a plant-based bio-
economy: it will facilitate sustainable crop production, innovative biotechnology and drug development to improve the
nutrition and health of humans, animals and plants.
research organizations in Germany. The than 100 scientists, including ca. 50 PhD proteome analytics to ubiquitination and
IPB is a member of Section C (Life Scien- students, from over 20 different nationa- protein degradation. In addition to the
ces) that is dedicated to health and biodi- lities. scientific departments, also the adminis-
versity research. It participates in three tration was significantly restructured un-
Leibniz Research Networks, and spear- RECENT DEVELOPMENTS der its new head, Christiane Cyron. In
heads one of them (Bioactives & Biotech- The institute experienced considerable order to prepare the institute for future
nology). change in the reporting period. Prof. tasks, a structured energy and scientific
Alain Tissier restructured the new de- data management will be implemented,
The governing bodies of the IPB are the partment Cell and Metabolic Biology in addition to extra efforts improving the
Board of Trustees (Stiftungsrat), the Scien- (former department Secondary Metabo- proteomics and bio- and chemoinforma-
tific Advisory Board (Wissenschaftlicher lism, headed by Prof. Dieter Strack). tic capacities. With the inauguration of
Beirat), and the IPB Board of Directors. Three new extra-departmental research one of the most modern phytochamber
The Managing Director and the Adminis- groups were formed: two independent facilities of Europe, a major infrastruc-
trative Head as part of the Directors junior research groups commenced ture project and multimillion Euro in-
Board, form the Executive Board of the (Ubiquitination in Immunity, headed by Dr. vestment was successfully concluded.
institute. The boards of directors and Marco Trujillo and Protein Recognition and
trustees can seek advice on basic scien- Degradation, headed by Dr. Nico Diss- RESEARCH PROFILE
tific issues from the IPB Scientific Coun- meyer) and the platform proteome ana- The research activities of the institute
cil (Wissenschaftlicher Institutsrat, WIR) lytics was enhanced by a dedicated re- focus on analyses of natural products
– consisting of the heads of the research search group headed by Dr. Wolfgang (secondary metabolites), molecular inter-
groups and representatives of postdoc- Hoehenwarter. Also the department actions, and gene functions. These activi-
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PRESENTATION OF THE INSTITUTE
ties are linked with information techno- abiotic environmental factors. Cellular function analysis. Within the overall
logy (bioinformatics and computational and systemic signal networks are evalu- concept of functional genomic analysis,
chemistry). ated, adjusted and converted through based on transcriptome, proteome, and
gene expression patterns into corres- metabolome data, genes are identified
Plants and fungi developed during evolu- ponding physiological reactions, usually and characterized, which are essential
tion an enormous diversity of natural based on transiently and locally altered for biosynthesis and metabolism of natu-
products. This diversity is enlarged profiles of natural products. Molecular ral products and for plant development
through changes in the patterns of these interactions form the basis of these and adaptation on different environmen-
products during development and adap- expiring cellular functions. An interdisci- tal conditions. The use of mutants and
tation to environmental conditions. The plinary analysis of these interactions is transgenic plants allows not only the di-
knowledge of structure and function of therefore of central importance in the rect analysis of gene function, but also
natural products is an essential prerequi- research approaches of the institute. Re- the production of model plants with al-
site for understanding development and ceptor-ligand, enzyme-ligand and prote- tered profiles, novel health-related ingre-
adaptive processes and opens up new in-protein interactions form the molecu- dients, and new or improved adaptation
resources for use in crop production and lar basis for these processes and their to specific environmental conditions.
protection, for biotechnology and drug application in plant and drug research. Such plants will be beneficial for the sus-
development. With the progressive rea- From this perspective, mechanisms of in- tainable production of valuable sub-
lization of the benefits from plant ge- terorganismic communication between stances and biocatalysts, for use as bio-
nome research, this information is of fun- plants and pathogens and symbionts are logical test systems and for plant bree-
damental importance for functional ge- investigated and the organization of bio- ding.
nome analysis. synthetic pathways and signal transduc-
tion is analyzed. Linking the various data obtained from
The comprehensive analysis of plant and research activities on natural products,
fungal natural products is one of the Cooperations within the institute in- molecular interactions and gene function
key priorities of the IPB research pro- clude proteomic, metabolomic, screening analyses is only possible by applying in-
gram. Research on natural products in and informatics projects. Moreover, the formation technology (bioinformatics,
biological material is carried out via an application and development of modern computational chemistry). In particular,
interdepartmental network of modern cell biological methods supports the in- the metabolome and proteome analyses,
analytical techniques.This forms the basis terdepartmental work to analyze the dy- combinatorial libraries and bioactivity
for the discovery of new natural product namics of molecular interactions in the screens require the development of new
structures as well as studies of their bio- living organism. The chemical structures methods of data analysis, processing and
synthesis and biological function. Struc- of the interacting molecules are modified linking. The institute has therefore estab-
ture elucidation provides the basis for by, e.g., genetic engineering methods or lished informatics based research groups,
chemical synthesis and derivatization of chemical derivatization. The effects of fully integrated into the departments,
natural products and makes an impor- these changes can be monitored in ap- which are particularly committed to this
tant contribution to diversity and to in- propriate models and investigated by problem. This is, together with the new
crease successful approaches to discover screening methods to finally select mole- central data management, a platform that
their biological activities. The isolation of cules with desired properties (e.g. new expands the interdepartmental research
biosynthetic enzymes allows access to drugs, signal compounds, enzymes). This competence.The eventual goal of this ap-
the corresponding genes and thus to stu- forms the basis for the development of proach is the integral linkage and analysis
dy the regulation of biosynthetic path- new syntheses and selection processes of structurally diverse data sets, genera-
ways and the cellular and organismic or- as well as appropriate assay and analyti- ted within the different research areas,
ganization of its components. cal procedures, supported by visualiza- towards a better understanding of the
tion of the molecular interactions via biological system plant with its speciali-
The genetically determined plant deve- computer modeling. zed metabolites and interactions.
lopment and its modulation during adap-
tation to specific environmental condi- The close combination of chemical, bio-
tions rely on receptor-mediated percep- chemical, molecular and cell biological
tion of endogenous signals or biotic and approaches allows new access to gene
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VORSTELLUNG DES INSTITUTS
Im Mittelpunkt der Forschung am Leib-
niz-Institut für Pflanzenbiochemie (IPB)
steht die umfassende Analyse pflanzli- Liebe Leser,
cher und pilzlicher Naturstoffe, insbe- leicht wird vergessen: Pflanzen sind nicht nur die Grundlage unserer
sondere der sekundären Inhaltsstoffe Ernährung, sondern auch unserer Atemluft – sie produzieren lebens-
und Phytohormone, und deren Rolle für wichtigen Sauerstoff und verwandeln Kohlendioxid zu Biomasse. Nach
die Wechselwirkung von Pflanzen mit ih- wie vor (und wieder zunehmend) sind sie die wichtigsten Lieferanten
rer Umwelt. Das IPB verfolgt dazu eine von natürlichen Wertstoffen, wie Linoleum und Kautschuk. und bilden
besonders breit angelegte multidiszi- eine bedeutende Quelle für die medizinische Versorgung, welche, welt-
plinäre Strategie, welche chemische, phy- weit gesehen, zu etwa 70% pflanzenbasiert ist.
siologische, zellbiologische, biochemi-
Die Region um Halle ist inzwischen das Pflanzenforschungszentrum
sche, molekularbiologische und geneti-
Deutschlands. In einer Untersuchung wurde erhoben, dass etwa 40% der
sche Methoden umfasst, um so die Ana-
Pflanzen- und Bioökonomie-Aktivitäten Deutschlands hier angesiedelt
lyse, Bedeutung und Anwendung kleiner sind, so u.a. der Wissenschaftscampus Halle Pflanzenbasierte Bioökonomie
Moleküle aus, in und an Pflanzen zu er- (Schwerpunkte: Ernährung, Wertstoffe und sozioökonomische Aspekte),
forschen und die molekularen Interak- das BioEconomy-Cluster in Merseburg (Schwerpunkt: Holznutzung), das
tionen der komplexen biologischen Pro- Deutsche Biomasse-Forschungszentrum Leipzig (Schwerpunkt: Energie),
zesse von Pflanzen unter variierenden das Agrochemische Institut Piesteritz (Schwerpunkt: Dünger und
Umweltbedingungen zu erkunden. Dabei Agrochemie), das Interdisziplinäre Zentrum für Nutzpflanzenforschung
nimmt die Grundlagenforschung eine Halle, und jüngst das Deutsche Biodiversitätszentrum iDiv Halle-Jena-
zentrale Stellung ein. Sie ist Ausgangs- Leipzig der DFG.
punkt für innovative anwendungsorien-
Das Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie ist in einigen dieser Konsor-
tierte Forschungsprojekte zur pflanz-
tien aktiver Partner oder gar treibende Kraft. Unser Ziel ist dabei, aus-
lichen und humanen Gesundheit und Er-
gehend von der Grundlagenforschung zu molekularen Prozessen in und
nährung sowie für pflanzenbasierte um Pflanzen, Werkzeuge zu liefern, die eine bessere pflanzliche Produk-
Produkte und Prozesse der Bioökono- tion oder Nutzung pflanzlicher Sekundärstoffe ermöglichen. Unser An-
mie. Im Bereich der Pflanzenwissenschaf- satz ist in Deutschland einzigartig, indem sich das Institut im Rahmen sei-
ten zählt das IPB damit zu den führenden ner inhaltlichen Ausrichtung fachlich nicht auf einen engen Bereich fo-
Instituten. Es ist bestrebt, seinen Mitar- kussiert, sondern bewusst die ganze Breite der molekularen Pflanzenfor-
beitern und insbesondere den Nach- schung unter seinem Dach vereint, von den genetischen Grundlagen bis
wuchs- und Gastwissenschaftlern ein ex- zur Synthesechemie.
zellentes Umfeld von internationalem
Rang zu bieten. Das Institut engagiert In diesem Forschungsbericht werden die wichtigsten Projekte und Er-
gebnisse der einzelnen Arbeitsgruppen vorgestellt, erstmals komplett in
sich daher in nationalen und internatio-
den neuen Strukturen der Abteilungen Molekulare Signalverarbeitung,
nalen Konsortien, z.B. in EU-Projekten
Stoffwechsel- und Zellbiologie und Administration und Infrastruktur so-
und Netzwerken (COST, ERA-Net), wie der neuen abteilungsunabhängigen Nachwuchsgruppen und der AG
oder an Leibniz-, BMBF-, oder DFG-Ini- Proteomanalytik. Sie alle sind seit kurzem unter neuer Leitung aktiv. Ich
tiativen. danke daher den neuen Kollegen und allen Mitarbeitern, Beirats- und
Stiftungsratsmitgliedern für Ihren Einsatz, der diese massive Umstruktu-
Regional pflegt das Institut eine enge Be- rierung der letzten Jahre, die fast 2/3 des Instituts betraf, so erfolgreich
ziehung zur Martin-Luther-Universität ermöglicht hat. Ihnen als Leser bietet das die Gelegenheit, in diesem
Halle-Wittenberg. Dies kommt beson- Bericht viel Neues zu entdecken. Viel Spaß dabei!
ders durch gemeinsame Berufungen der
wissenschaftlichen Leitungspositionen Ihr
zum Ausdruck, wobei die Abteilungslei-
ter in Personalunion eine Professur an
der Universität einnehmen. Von beson-
derer Bedeutung für diese Kooperation
ist der 2011 erfolgreich gestartete Wis-
7
VORSTELLUNG DES INSTITUTS
senschaftscampus Pflanzenbasierte Bioöko- – bestehend aus den Leiterinnen und sich u.a. in einer besonders guten Publi-
nomie (www.sciencecampus-halle.de), Leitern der wissenschaftlichen Arbeits- kationsleistung wiederspiegelte. In der
der die einschlägigen Aktivitäten der Uni- gruppen und Vertretern der Postdokto- Administration gab es unter der neuen
versität und seiner An-Institute, des Inter- randen und Doktoranden – berät das Leitung von Frau Christiane Cyron eben-
disziplinären Zentrums für Nutzpflanzen- Direktorium und den Stiftungsrat in falls Umstrukturierungen, um das Institut
forschung (IZN) und des Agrochemi- grundsätzlichen wissenschaftlichen Fra- auf kommende Aufgaben vorzubereiten.
schen Instituts Piesteritz (AIP), sowie des gen. Der Personalrat vertritt die Arbeit- Zusätzlich zur bereits erwähnten Ver-
IPB und der lokalen Leibniz-Institute bün- nehmer des Institutes. stärkung von Proteomanalytik und Bioin-
delt. Ferner ist das IPB einer der institu- formatik wurden die Weichen für ein
tionellen Partner im Deutschen Zent- Das Institut besteht aus vier wissen- modernes Informations- und Datenma-
rum für integrative Biodiversitätsfor- schaftlichen Abteilungen: Stress- und nagement gestellt sowie die Grundlagen
schung iDiv (www.idiv-biodiversity.de), Entwicklungsbiologie (SEB), Natur- und für ein verbessertes Energiemanagement
welches 2012 nach einem bundesweitem Wirkstoffchemie (NWC), Molekulare gelegt. Als herausragende Infrastruktur-
Wettbewerb von der DFG dem Verbund Signalverarbeitung (MSV), und Stoffwech- maßnahme ist die erfolgreiche Inbetrieb-
aus Halle-Jena-Leipzig zugesprochen wur- sel- und Zellbiologie (SZB), sowie abtei- nahme eines hochmodernen Phytokam-
de. lungsunabhängigen Forschungsgruppen, mernhauses zu nennen.
darunter zwei unabhängigen Nach-
HISTORISCHES UND ORGANISATION wuchsgruppen (Proteinerkennung und FORSCHUNGSPROFIL
1958 gründete Kurt Mothes das Institut –abbau, und Ubiquitinierung in der Im- Pflanzen haben sich im Laufe der Evolu-
für Biochemie der Pflanzen unter dem munantwort) und der Abteilung Adminis- tion als Konsequenz ihrer sessilen Le-
Dach der Deutschen Akademie der Wis- tration und Infrastruktur (AdmIn). Das bensweise zu Spezialisten der flexiblen
senschaften zu (Ost-) Berlin. Im Rahmen IPB beschäftigt etwa 180 Angestellte; es Anpassung mit hoher Widerstandsfähig-
der Umstrukturierung nach der Wende sind über 100 Wissenschaftler aus etwa keit entwickelt. Die daraus resultierende
wurde am 1. Januar 1992 das Institut für 20 Nationalitäten und mehr als 50 Dok- Artenvielfalt spiegelt sich in einer enor-
Pflanzenbiochemie (IPB) in Halle (Saale) toranden in der Forschung aktiv. men chemischen Diversität pflanzlicher
als ein vom Bund und vom Land Sachsen- Naturstoffe wider. Die artspezifischen
Anhalt finanziertes außeruniversitäres AKTUELLE ENTWICKLUNGEN Muster dieser Naturstoffe erhalten eine
Forschungsinstitut mit dem juristischen Das Institut durchläuft seit 2009 eine zusätzliche Dimension der Komplexität
Status einer Stiftung des öffentlichen umfassende Erneuerungs- und Restruk- durch dynamische Veränderungen wäh-
Rechts des Landes Sachsen-Anhalt 1992 turierungsphase, die im Berichtszeitraum rend der pflanzlichen Entwicklung und
neu gegründet. Seitdem ist das Institut ihren Höhepunkt und vorläufigen Ab- Anpassung an fluktuierende Umwelt-
Mitglied der jetzigen Leibniz-Gemein- schluß fand. Dem erfolgreichen Neuauf- und Standortbedingungen. Neben einer
schaft (www.leibniz-gemeinschaft.de) mit bau der Abteilung Molekulare Signalver- Plastizität zielgerichteten Organwachs-
ihren 86 wissenschaftlichen Einrichtun- arbeitung durch Prof. Steffen Abel folgte tums reagieren Pflanzen auf Umweltver-
gen. Das IPB gehört zur Sektion C (Le- die Restrukturierung der Abteilung Stoff- änderungen und lokale Herausforderun-
benswissenschaften), welche die Kern- wechsel- und Zellbiologie durch Prof. gen mit einer flexiblen Umsteuerung ih-
themen Gesundheit und Biodiversität ab- Alain Tissier, der Ende 2010 Prof. Dieter res zentralen und peripheren Stoffwech-
deckt. Es ist an drei Leibniz-Forschungs- Strack (ehemalige Abteilung Sekundär- sels. Mit Hilfe niedermolekularer Subs-
verbünden beteiligt, von denen einer stoffwechsel) ablöste. Ferner wurden drei tanzen werden externe Ressourcen ma-
(Wirkstoffe und Biotechnologie) am IPB neue, abteilungsunabhängige Forschungs- ximal erschlossen, Krankheitserreger
koordiniert wird. gruppen gebildet: Zwei unabhängige und Fraßfeinde abgewehrt, oder es wird
Nachwuchsgruppen entstanden (Leiter: mit anderen Organismen chemisch kom-
Die Organe der Stiftung sind der Stif- Dr. Marco Trujillo, Dr. Nico Dissmeyer) muniziert. Pflanzliche Anpassungsreaktio-
tungsrat, der Wissenschaftliche Beirat und die Plattform Proteomanalytik wurde nen auf veränderte externe Bedingungen
und das Direktorium. Der Geschäftsfüh- durch eine eigene Gruppe unter der Lei- werden über die Einbindung multipler
rende Direktor und die Administrative tung von Dr. Wolfgang Hoehenwarter und hochkomplexer informationsverar-
Leiterin sind Teil des Direktoriums und verstärkt. Damit war 2012 das erste Jahr beitender molekularer Netzwerke regu-
bilden die Geschäftsführung des Instituts. seit 2007, in dem alle Abteilungen des IPB liert und auf zellulärer und systemischer
Der Wissenschaftliche Institutsrat (WIR) wieder vollumfänglich aktiv waren, was Ebene realisiert. Die Kenntnis von Struk-
8
tur, Synthese, Funktion und Wirkmecha- Forschungskonzept des Institutes, an den neuen Produkten erlauben. Im Umfeld
nismen biologisch aktiver Stoffwechsel- weitere Forschungsschwerpunkte asso- schwindender Ressourcen sowohl im
produkte und -intermediate ist daher Vo- ziiert sind. Zur umfassenden qualitativen Petroleumbereich als auch von natürli-
raussetzung für ein umfassendes Verständ- und quantitativen Erfassung von Natur- chen Quellen sind biotechnologische
nis pflanzlicher Diversität sowie von stoffen in biologischen Materialien und und dabei vor allem pflanzenbasierte Pro-
wachstums- und entwicklungsfördernden zur Aufklärung ihrer Struktur werden in duktionsprozesse der Schlüssel zu einer
Adaptationsprozessen. Dieser Erkenntnis- einem abteilungsübergreifenden Kompe- wissensbasierten Bioökonomie.
gewinn ermöglicht neue Wege zu einer tenzbereich moderne analytische Verfah-
nachhaltigen Pflanzenproduktion und zu ren eingesetzt und neu entwickelt. Dies Die genetisch determinierte pflanzliche
innovativen Biotechnologie- und Wirk- bildet die Grundlage zur Untersuchung Entwicklung und ihre Modulation im Kon-
LEITBILD
Im Mittelpunkt der Forschung am Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie (IPB) stehen die chemische Diversität und
Biosynthese sowie die biologischen Funktionen und Wirkmechanismen von pflanzlichen und pilzlichen Naturstoffen,
insbesondere von spezialisierten Stoffwechselprodukten und niedermolekularen Signalträgern. Ein Ziel ist es, zu einem
möglichst umfassenden Verständnis der Anpassungs- und Entwicklungsprozesse zu gelangen, die aus dem dynamischen
Wechselspiel von Pflanzen mit ihrer Umwelt resultieren. Die dadurch bedingte Umsteuerung pflanzlicher Genexpres-
sion und die phänotypischen Veränderungen werden in interdisziplinären Forschungsansätzen auf den Ebenen des Ge-
noms, des Proteoms und insbesondere des Metaboloms untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse eröffnen neue We-
ge für eine pflanzenbasierte Bioökonomie. Sie dienen einer ressourcen-schonenden Pflanzenproduktion, innovativen
Biotechnologie und Wirkstoffentwicklung, und damit der Gesundheit und Ernährung von Mensch, Tier und Pflanze.
stoffentwicklungen als Grundlagen einer der biologischen Funktionen von Natur- text einer Anpassung an Umwelt- und
pflanzenbasierten Bioökonomie. stoffen und ihrer Biosynthese als auch Standortbedingungen beruhen auf der re-
für die Entdeckung neuer Leitstrukturen. zeptorvermittelten Perzeption von abio-
Der Forschungsauftrag des Leibniz-Insti- Die Strukturaufklärung, chemische Syn- tischen und biotischen Parametern und
tutes für Pflanzenbiochemie, welcher im these und Derivatisierung von Natur- auf der Generierung stimulus-spezifi-
Zuge des globalen Wandels an gesell- stoffen liefern einen wichtigen Beitrag scher endogener Signale. Der Informa-
schaftlicher Relevanz gewinnt, wird in ei- zur Aufklärung ihrer biologischen Aktivi- tionsgehalt chemischer Signalträger wird
ner einzigartigen Konstellation und Bün- tät, Erweiterung ihrer strukturellen Di- über zelluläre und systemische Netzwer-
delung von chemischen und biologischen versität und Entwicklung von Wirkstof- ke interpretiert und mittels veränderter
Kompetenzen in vier wissenschaftlichen fen. Die Charakterisierung von Enzymen Genexpressionsmuster in die entspre-
Abteilungen und in Nachwuchsgruppen und regulatorischen Proteinen sowie ih- chenden physiologischen Anpassungsre-
umgesetzt. Diese wissenschaftliche Ex- ren kodierenden Genen ermöglicht das aktionen gezielt umgewandelt, die in der
pertise ermöglicht eine enge thematische Studium der zellulären, gewebespezifi- Regel auf transient und lokal veränder-
und kooperative Verknüpfung von Natur- schen und systemischen Organisation ten Profilen von spezifischen Stoffwech-
und Wirkstoffchemie, Biochemie und von Biosynthesewegen und deren Kon- selprodukten basieren. Für diese Prozes-
Pflanzenbiologie, die durch gemeinsam trollebenen und damit der pflanzlichen se bilden vielfältige molekulare Inter-
etablierte und genutzte technologische Produktions- und Speicherprozesse. Die- aktionen die Grundlage. Ihre interdiszi-
Plattformen und Datenbanken unter- se Erkenntnisse sind die Grundlage der plinäre Analyse ist deshalb von zentraler
stützt wird. So ist die umfassende Ana- Entwicklung von Biokatalysatoren, die Bedeutung für das Forschungskonzept
lyse pflanzlicher und pilzlicher Natur- umweltfreundlichere, nachhaltigere Pro- des Institutes. Die Interaktionen von Pro-
stoffe ein zentraler Schwerpunkt im zesse aber auch den Zugang zu völlig teinen mit niedermolekularen Liganden
9
VORSTELLUNG DES INSTITUTS UND ORGANIGRAMM
oder zwischen Makromolekülen sowie schungsschwerpunkt des Institutes bil- Gen-, Protein- und Metabolitenfunktio-
kovalente Modifikationen von Proteinen det. Genetische Ansätze in Modell- und nen und somit für eine gezielte Wirk-
und Nukleinsäuren bilden funktionale Nutzpflanzen, wie z. B. Mutagenese, Ana- stoffforschung. Der Einsatz von spezifi-
Module für diese molekularen Prozesse lyse der natürlichen Variabilität oder Me- schen Allelen, relevanten Mutanten und
als auch geeignete Interventionsziele für thoden der chemischen Genetik, be- transgenen Pflanzen ermöglicht nicht nur
die angewandte Wirkstoffforschung. Un- schleunigen die Identifizierung unbe- die biologische Analyse der Genfunktion,
ter diesen Aspekten werden die Mecha- kannter Gene und informativer Allele sondern auch die Erzeugung von Modell-
nismen der chemischen Kommunikation mit essentiellen als auch quantitativ ab- pflanzen mit verändertem Naturstoff-
untersucht, insbesondere von Pflanzen gestuften Funktionen im pflanzlichen profil, neuen gesundheitsrelevanten In-
mit pilzlichen Symbionten oder Phytopa- Stoffwechsel. Im Gesamtkonzept folgen haltsstoffen oder verbesserter Anpas-
thogenen, sowie die Organisation von Transkriptom-, Proteom- und Metabo- sung an bestimmte Standorte und Um-
Signaltransduktions-, Biosynthese-, Trans- lom-Analyse zur funktionellen Charakte- weltsituationen. Solche experimentellen
port- und Abbauwegen. Dabei kommen risierung von Genen, die im Rahmen des Pflanzen sind als biologische Testsysteme
unter anderem umfassende Transkrip- Stoffwechsels von Naturprodukten eine für die Züchtung ressourcenschonender
tom-, Proteom- und Metabolomanalysen entscheidende Rolle für die pflanzliche Nutzpflanzen unverzichtbar und für die
zum Einsatz, die zunehmend gewebe- Entwicklung und Anpassung spielen. nachhaltige Produktion wertvoller Na-
und zellspezifische Profiländerungen Durch die zunehmende Zahl sequenzier- turstoffe und Biokatalysatoren von ho-
quantifizieren und katalogisieren. Darüber ter pflanzlicher Genome und Transkrip- her Anwendungsrelevanz.
hinaus erlaubt die Anwendung und Ent- tome gewinnen systembiologische An-
wicklung moderner zellbiologischer Me- sätze für die Analyse metabolischer und
thoden im Rahmen abteilungsübergrei- regulatorischer Netzwerke an Bedeu-
fender technologischer Plattformen und tung.
Kooperationen die Analyse der Dynamik
molekularer Interaktionen im lebenden Die Speicherung, Auswertung und Ver-
Organismus. Die chemische Struktur mit- knüpfung der in den drei Forschungs-
einander in Wechselwirkung tretender schwerpunkten - Naturstoffe, molekula-
Moleküle wird durch gentechnische Ver- re Interaktionen, Genfunktionsanalyse -
fahren, gerichtete Evolution und chemi- generierten enormen Datenmengen ist
sche Derivatisierung modifiziert, sodass nur mittels einer integrierten Bio- und
die Effekte der Veränderung an geeigne- Chemoinformatik möglich. Insbesondere
ten Modellen oder in Screeningverfahren die Metabolom- und Proteomanalysen
untersucht werden können und schließ- erfordern neue Methoden zur Metaboli-
lich Moleküle mit den gewünschten Ei- tenidentifikation, der Datenauswertung
genschaften (z.B. Wirkstoffe, Signalträger, und –verarbeitung und die Verknüpfung
Enzyme) selektiert werden. Die Grund- mit den umfangreichen Datensätzen der
lage dafür bildet die Entwicklung neuer Sequenz-, Expressions- und Wirkprofil-
Synthese- und Selektionsprozesse sowie analysen. Die Informatik ermöglicht die
geeigneter Assay- und Analyseverfahren, Entschlüsselung von Zusammenhängen
die durch die Visualisierung molekularer als auch die Vorhersage von Eigenschaf-
Wechselwirkungen mittels Modeling un- ten aus in ihrer Struktur zum Teil völlig
terstützt werden. unterschiedlichen Datensätzen und da-
mit ein besseres Verständnis des biologi-
Die enge Kombination naturstoffchemi- schen Systems Pflanze. Auf der reduktio-
scher, biochemischer, molekularbiologi- nistischen Erkenntnisebene bilden detail-
scher, genetischer und zellbiologischer lierte biochemische Untersuchungen der
Forschungsansätze ermöglicht eine funk- Genprodukte, Struktur-Funktions-Analy-
tionsbasierte Genidentifizierung sowie sen sowie molekulare Interaktionsstu-
neue experimentelle Zugänge zur Gen- dien die Voraussetzung für ein umfas-
funktionsanalyse, die den dritten For- sendes molekulares Verständnis der
10Foundation Council
Ministerialrat Thomas Reitmann
Senior Superior Counsellor
Public Relations Dr. Henk van Liempt Scientific Advisory Board
Superior Counsellor
Prof. Sabine L. Flitsch
Sylvia Pieplow Chairwoman
Personal Assistant to the Managing Director
Prof. Andreas Schaller
Board of Directors Vice-Chairman
Prof. Ludger Wessjohann
Managing Director
Christiane Cyron
Head of Administration
Prof. Steffen Abel
Prof. Dierk Scheel
Prof. Alain Tissier
Administration and Infrastructure Human Resources Chemical Store
Finance and Accounting Technical Equipment and IT Support
Christiane Cyron Purchasing Gardening Services
Information and Documentation Buildings and Facility Management
Molecular Bioorganic Stress and Cell and Independent
Signal Processing Chemistry Developmental Biology Metabolic Biology Research Groups
Prof. Steffen Abel Prof. Ludger Wessjohann Prof. Dierk Scheel Prof. Alain Tissier
Molecular Communi-
Natural Products Glandular Trichome and Ubiquitination
Nutrient Sensing cation in Plant-Pathogen
Norbert Arnold & Isoprenoid Biosynthesis in Immunity
Steffen Abel Interactions
Jürgen Schmidt Alain Tissier Marco Trujillo
Wolfgang Knogge
Carotenoid Metabolism
Chemoenzymatics Cellular Signaling Protein Recognition
Defense Metabolism & Mycorrhiza
Ludger Wessjohann & Dierk Scheel & and Degradation
C. Douglas Grubb Michael H. Walter &
Wolfgang Brandt Justin Lee Nico Dissmeyer
Alain Tissier
Induced
Synthesis Jasmonate Function &
Signal Integration Pathogen Defense
Ludger Wessjohann & Mycorrhiza
Luz Irina Calderón Villalobos Dierk Scheel &
Bernhard Westermann Bettina Hause
Sabine Rosahl
Spectroscopy Bioinformatics & Protein Biochemistry &
Auxin Signaling Proteome Analytics
Andrea Porzel & Mass Spectrometry Metabolite Profiling
Marcel Quint Wolfgang Hoehenwarter
Jürgen Schmidt Steffen Neumann Thomas Vogt
Screening
Metabolite Profiling Synthetic Biology
Norbert Arnold &
Dierk Scheel Sylvestre Marillonnet
Bernhard Westermann
Computational
Chemistry
Wolfgang Brandt & Stand: 25. 03. 2013
Andrea Porzel Änderungen vorbehalten
11GOVERNING BODIES OF THE INSTITUTE
BOARD OF DIRECTORS
Prof. Ludger Wessjohann
Managing Director
Head of the Department Bioorganic Chemistry
Christiane Cyron
Head of Administration and Infrastructure (since October 2011)
Lothar Franzen
Head of Administration and Technical Services (until September 2011)
Prof. Steffen Abel
Head of the Department Molecular Signal Processing
Prof. Dierk Scheel
Head of the Department Stress and Developmental Biology
Prof. Alain Tissier
Head of the Department Cell and Metoblic Biology
BOARD OF TRUSTEES
Ministerialrat Thomas Reitmann
Chairman of the Board of Trustees
Ministry of Education and Cultural Affairs of the State of Saxony Anhalt
Dr. Henk van Liempt
Vice Chairman of the Board of Trustees
Federal Ministry of Education and Research
Prof. Birgit Dräger
Prorector for Structure and Finances of the University of Halle
Prof. Sabine Flitsch
Chairwoman of Scientific Advisory Board
Manchester Interdisciplinary Biocentre (MIB)
Prof. Andreas Schaller
Vice Chairman of Scientific Advisory Board
University of Hohenheim
Prof. Lutz Heide
University of Tübingen
12SCIENTIFIC ADVISORY BOARD
Prof. Sabine Flitsch
Chairwoman of Scientific Advisory Board
Manchester Interdisciplinary Biocentre (MIB)
Prof. Andreas Schaller
Vice Chairman of Scientific Advisory Board
University of Hohenheim
Prof. Raoul J. Bino (until December 2012)
University of Wageningen
Prof. Axel Brakhage
Leibniz Institute for Natural Products Research and Infection Biology (HKI)
Prof. Francois Buscot
Helmholtz Centre for Environmental Research, Halle
Prof. Jonathan Gershenzon
Max Planck Institute for Chemical Ecology, Jena
Prof. Bernhard Hauer
University of Stuttgart
Prof. Rainer Metternich
Global Head of Small Molecule Research (SMR)
Prof. Martin Parniske
University of Munich
Prof. Tina Romeis
Freie Universität Berlin
Prof. Norbert Sewald
University of Bielefeld
Prof. Nicolaus von Wirén
Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research, Gatersleben
13DEPARTMENT OF MOLECULAR SIGNAL PROCESSING
Head: Professor Steffen Abel
Secretary: Alexandra Herrmann
he Department of Molecular Signal The research group Nutrient Sensing The perception of small molecules in sig-
T Processing was founded in summer
2009 and went into full operation upon
investigates how external availability of
phosphate, which is the second most
naling pathways via ternary ligand co-re-
ceptor complexes, which control the de-
establishment of its fourth research group limiting macronutrient in many ecosys- gradation of select target proteins, is the
early in 2011. The general theme of the tems, is locally sensed at root tips and focus of the research group Signal Integra-
new department is to investigate how how the environmental signal is trans- tion. The study of structure-function rela-
plants perceive, respond and adapt to mitted to adjust root system architec- tionships of F-Box protein (TIR1/ AFB):
environmental change at the molecular ture via altered root meristem activity. auxin:AUX/IAA co-receptors has been
and systems level. This topic is of impor- Recent work identified the first molecu- used as a paradigm and starting point for
tance not only for basic plant research, lar components of a phosphate sensing this line of investigation. The co-receptor
but also in view of the world’s challenge pathway that fine-tunes root growth and system regulates auxin-dependent prima-
to guarantee future food security in the development via the regulation of cell ry gene activation by rapid removal of
context of global climate change. division and differentiation in the root AUX/IAA repressor proteins. Recent
stem cell niche. Characterization of the work showed that the protein families of
As a consequence of their sessile lifestyle, identified proteins revealed the impor- TIR1/AFB and AUX/IAA components al-
plants evolved into masters of resilience, tance of cell-to-cell communication in low for a combinatorial formation of co-
which deploy unique adaptive strategies root meristems during the adaptive receptor complexes that bind various au-
for survival. They respond to local chal- growth response. Our results further xinic compounds with strikingly different
lenge or opportunity with directional highlight complex antagonistic interac- affinities. A multitude of co-receptors may
growth for stress evasion or habitat ex- tions between external phosphate and thus sense auxin in a highly differential and
ploration, and with the synthesis of an iron bioavailability in the regulation of dynamic fashion. Current and future re-
arsenal of bioactive chemicals for commu- root meristem activity, which will be a search will expand to include and search
nication and self-defense. An array of hor- major focus of future research. for additional F-Box protein co-receptor
mones as well as signaling molecules and pairs with putative or unknown ligands
their interconnected networks govern Activities of the research group Defense and target protein components.
plant development and adjust plant Metabolism center on the biosynthesis
growth and metabolism to its circum- and regulation of defense compounds, The former independent junior research
stance. We are particularly interested in such as glucosinolates and camalexin, in group Auxin Signaling was integrated into
exploring how plants monitor and per- species of the order of Brassicales. Inte- the department in 2012. It complements
ceive external parameters, transmit and restingly, certain derivatives of these and strengthens the departmental re-
integrate information about their environ- compound classes assume additional search profile as an independent unit. This
ment, and deploy appropriate metabolic roles as intermediates in tryptophan- group methodically employs natural varia-
and developmental responses to shifting dependent auxin metabolism or as sig- tion in the gene pool of the model plant
abiotic conditions as well as co-evolving naling molecules in defense response to Arabidopsis thaliana to study auxin-regula-
biotic stressors.This ambitious goal is pur- pathogens. Recent studies explored in ted signaling pathways and to unravel the
sued by interactive research in several great detail the kinetic properties and evolution of such networks. In addition,
work and project groups. Major directions structure-function-relationships of glu- population genetics, QTL analysis, and
of research include three integrated pro- cosyltransferase UGT74B1, which acts in chemical mutagenesis have been used to
gram areas: (i) perception of environmen- glucosinolate biosynthesis, as well as the dissect the molecular mechanisms under-
tal parameters such as mineral nutrient role of members of the entire UGT74 lying the adaptive response of Arabidopsis
availability or moderate temperature clade in this pathway. Other work stu- to moderate increases in ambient tem-
changes; (ii) reprogramming of metabo- died the metabolic crosstalk between perature. Other important efforts deve-
lism in response to biotic challenge; and glucosinolate metabolism and auxin ho- loped a so-called phylotranscriptomic ap-
(iii) signal integration during the percep- meostasis. Mutational identification and proach by combining the information
tion of plant hormones, small molecules, characterization of Arabidopsis genes that gleaned from phylogenetic and transcrip-
and calcium. In addition, the study of che- modulate profiles of glucosinolate con- tomic studies to understand complex
mical plant-rhizosphere interactions is an tent and composition continue to be ma- molecular processes in an evolutionary
area of interdepartmental research. jor a thrust of this group. context, such as plant embryogenesis.
14ABTEILUNG MOLEKULARE SIGNALVERARBEITUNG
Leiter: Professor Steffen Abel
Sekretariat: Alexandra Herrmann
er Mitte 2009 begonnene Aufbau Besondere Schwerpunkte bilden hierbei bidopsismutanten mit veränderter Gluko-
D der Abteilung Molekulare Signalver-
arbeitung wurde Anfang 2011 mit der
Untersuchungen zu Mechanismen der
Perzeption von abiotischen Faktoren, wie
sinolatakkumulation bleibt ein wichtiger
Schwerpunkt dieser Gruppe.
Etablierung einer vierten Arbeitsgruppe z.B. mineralische Nährstoffverfügbarkeit
abgeschlossen. Das übergreifende For- oder moderate Erhöhung der Umge- Die Perzeption kleiner Signalmoleküle
schungsthema der neuen Abteilung be- bungstemperatur, zur Organisation und über ternäre Ligand-Korezeptor-Komple-
steht darin, zu untersuchen, wie Pflanzen Regulation des Abwehrstoffwechsels, und xe, gekoppelt an die kontrollierte Proteo-
molekular und systemisch auf veränderte zur Signalintegration in der pflanzlichen lyse spezifischer Zielproteine, ist Schwer-
Umweltbedingungen reagieren und sich Hormonwirkung. Chemische Wechselwir- punkt der Arbeitsgruppe Signalintegration.
optimal anpassen. Diese Thematik ist kungen zwischen Wurzelsystem und Rhi- Ausgangspunkt sind Struktur-Funktions-
nicht nur von grundlegendem Interesse zosphäre bilden einen weiteren Fokus. Analysen des F-Box-Protein (TIR1/AFB):
für die Pflanzenbiologie sondern auch von Auxin: AUX/IAA Korezeptorsystems, wel-
gesellschaftlicher Relevanz hinsichtlich zu- Arbeiten zur Nährstoffperzeption untersu- ches die auxin-abhängige Genexpression
künftiger Ertragssicherung und Qualitäts- chen, wie die biologische Verfügbarkeit von über den Abbau von AUX/IAA Repres-
verbesserung von Nutzpflanzen, insbeson- Phosphat die Wurzelentwicklung lokal soren reguliert. Es konnte gezeigt werden,
dere im Kontext des globalen Klimawan- über die Zellteilung und -differenzierung in dass die Kombination multipler TIR1/AFB
dels. den Meristemen beinflusst und wie hier- und AUX/IAA Proteine die Bildung von
durch die Architektur des Wurzelsystems Korezeptor-Komplexen mit sehr unter-
Als Konsequenz ihrer sessilen Lebenswei- gezielt an das Nährstoffangebot der Rhi- schiedlichen Affinitäten für verschiedene
se haben Pflanzen sich zu Spezialisten der zosphäre anpasst wird. Bei diesen Arbeiten Auxine erlaubt, die ein dynamisch-diffe-
Anpassung und Widerstandsfähigkeit ent- wurden erste molekulare Komponenten renzielle Auxinperzeption ermöglichen.
wickelt. So reagieren diese auf lokale Ver- eines phosphatgesteuerten Signalweges Diese Arbeiten werden auf F-Box-Protein
änderungen in ihrer Umgebung mit ge- identifiziert, der die Wurzelentwicklung Korezeptor-Komplexe mit z.T. noch unbe-
richtetem Organwachstum, um günstigere über die Aktivität der Stammzellnische kannten Liganden und Zielproteinen er-
Areale zu erreichen oder unvorteilhafte reguliert. Eine Charakterisierung dieser weitert.
Bedingungen zu vermeiden. Darüber hi- Proteine hebt die Bedeutung der interzel-
naus reagieren Pflanzen mit einer profun- lulären Kommunikation in diesem Prozess Die vormals unabhängige Nachwuchs-
den Anpassung ihres allgemeinen als auch hervor und lässt auf komplexe Wechsel- gruppe Auxinsignaltransduktion wurde An-
spezialisierten Stoffwechsels, um chemisch wirkungen zwischen Phosphatperzeption fang 2012 integriert, um als eigenständige
effizienter zu kommunizieren und sich und biologischer Eisenverfügbarkeit schlie- Arbeitsgruppe das Forschungsprofil der
wirksamer gegen Fraßfeinde oder Krank- ßen. Abteilung zu schärfen. Diese Gruppe nutzt
heitserreger schützen zu können. Pflanz- systematisch die natürlich vorkommende
liche Reaktionen auf die Umwelt werden Die Arbeitsgruppe Abwehrstoffwechsel genetische Variation im Genpool von Ara-
oft über die Einbindung hormonaler und widmet sich der Biosynthese von Ab- bidopsis thaliana, um auxinregulierte Sig-
anderer Module der Signaltransduktion wehrmetaboliten (Glukosinolate, Phytoa- nalwege und Netzwerke sowie deren evo-
gesteuert und auf zellulärer sowie syste- lexine) und deren Regulation. Bestimmte lutive Entstehung zu untersuchen. Ein ähn-
mischer Ebene realisiert. Das Hauptinte- Abkömmlinge dieser Stoffklassen üben licher populationsgenetischer Ansatz als
resse der Abteilung besteht in der Bear- auch Funktionen als Signalträger in der auch chemische Mutagenese wurde ange-
beitung der prinzipiellen Fragestellung, wie Pathogenabwehr aus oder bilden Zwi- wandt, um die Perzeptionsmechanismen
pflanzliche Organismen auf molekularer schenstufen im Tryptophan-abhängigen und Signaltransduktionswege zu verste-
und zellulärer Ebene abiotische und bio- Auxinstoffwechsel. Relevante Arbeiten hen, die für eine pflanzliche Anpassung an
tische Parameter wahrnehmen, den Infor- konzentrierten sich auf eine detaillierte moderat erhöhte Umgebungstempera-
mationsgehalt dieser interpretieren und kinetische Charakterisierung als auch turen von Bedeutung sind. Weitere Arbei-
über biochemische Signalwege prozessie- Struktur-Funktions-Analysen der UGT74B1 ten haben umfassende Datensätze aus
ren, um letztendlich adäquat auf Umwelt- Glukosyltransferase sowie der gesamten phylogenetischen Studien und globalen
veränderungen mit spezifischer Anpassung UGT74 Familie. Untersuchungen zu me- Genexpressionanalysen kombiniert, um in
ihres Stoffwechsels sowie Wachstumsver- tabolischen Verknüpfungen zwischen Glu- einem Phylotranscriptomics-Ansatz kom-
haltens zu reagieren. Dieses weitreichen- kosinolatstoffwechsel und Auxinhomöos- plexe molekulare Entwicklungsprozesse,
de Ziel wird in mehreren Arbeits- und tase bilden einen zweiten Fokus. Die Iden- wie z. B. die Embryogenese, aus einer Evo-
Projektgruppen interaktiv verfolgt. tifizierung und Charakterisierung von Ara- lutionspersepektive zu beschreiben.
15NUTRIENT SENSING
Head: Steffen Abel
Phosphate Sensing While the physiological and biochemical tants (pdr1-pdr4), which display hypersen-
About 30 elements are required for responses to Pi shortage are well under- sitive inhibition of primary root growth in
optimal plant growth, and P is the second stood, the sensory mechanisms monito- response to Pi deprivation, leading to a
most limiting nutrient for biomass pro- ring external Pi availability and interpre- truncated root system. A second set of
duction (after N). Inorganic phosphate ting the environmental signal in Pi rescue mutants, named low phosphate root (lpr1,
(Pi), its esters and anhydrides constitute efforts are largely unknown. lpr2), have been isolated in the collabo-
major nodes in bioenergetics and meta- rating Desnos/Nussaume group and
bolism. Thus, Pi nutrition directly impacts Our group has taken various approaches show an insensitive, long root phenotype
plant productivity. To cope with inade- in Arabidopsis thaliana to dissect Pi sen- in low Pi. Our phenotypic studies re-
quate Pi bioavailability, which is a com- sing. We have isolated and characterized vealed a Pi-sensitive checkpoint in root
mon situation in many ecosystems and a a collection of Pi-deficiency-response mu- development that adjusts stem cell iden-
result of complex soil chemistries, such
as interactions with transition metals like high Pi low Pi
Fe, plants activate a set of adaptive re-
sponses that reprioritize internal Pi allo-
cation and maximize external Pi acquisi-
tion. Such countermeasures include re-
programming of metabolism to maintain
intracellular Pi homeostasis and redesig-
ning of root system architecture to acce-
lerate soil exploration.
When facing Pi deficiency, plants adjust
root development to optimize intercep-
tion of the nutrient, which becomes
more limiting with increasing soil depth.
Thus, Pi shortage stimulates formation of
a shallow root system and expansion of
root surface area by attenuating primary
root extension rate, promoting develop-
ment of lateral roots, and intensifying Fig. 1: Arabidopsis root system architecture and CYCB1::GUS expression in roots of plants
root hair formation (Fig. 1). Physiologi- grown in high and low Pi medium. The reporter gene is expressed at the G2/M phase of the cell
cycle. Pi limitation causes a reduction of primary root meristem size (blue bars), increased of
cal and molecular studies indicate that
lateral root formation, and development of longer root hairs at higher density.
external Pi status is sensed locally at
root tips to adjust meristem activity.
GROUP MEMBERS
Katharina Ahmed Romel
Bürstenbinder PhD Student
Postdoctoral Position Gina Stamm
Kristin Eismann Bachelor Student
Technician Janine Teller
Anshu Khatri Bachelor Student
Master Student Domenika Thieme
Jens Müller Technician
Postdoctoral Position Theresa Toev
Katja Niemann PhD Student
Bachelor Student/Technician Annika Wieghaus
Jakob Quegwer Student Assistant
Master Student Jörg Ziegler
Silke Richter Postdoctoral Position
Postdoctoral Position
Fig. 2: Model of local and systemic Pi sensing in Arabidopsis.
16Fig. 3: Subcellular localization of GFP-tag-
ged IQD1 in tobacco leaf cells. Green
fluorescence of the IQD1 reporter is
detected on the microtubular network and
in the cell nucleus (inset). Chloroplasts are
revealed by their red autofluorescence.
tity and meristem activity in response to Because the ER-localized PDR2-LPR1
local Pi availability. Genetic analyses indi- module likely affects the secretory path-
cate that genes of both mutant collec- way, a role of root exudation for exter-
tions functionally interact in a common nal Pi sensing is currently studied in a
pathway to regulate cell-to-cell commu- project within the center grant Chemical
nication via extensive cell wall modifica- Communication in the Rhizosphere. In col-
tion of cells in the stem cell niche, which laboration with the biological IPB de-
is dependent on dynamic changes in Fe partments, we have developed protocols
uptake and tissue-specific Fe distribution for sterile hydroponic growth of Arabi-
in root meristems (Fig. 2). dopsis plants and (non)-targeted meta-
bolite analysis of root exudates.
Core components of this pathway are
PDR2, the P5-type ATPase in Arabidop- Calcium Sensing
sis, and the multicopper oxidases (MCO) Calcium signaling plays a prominent role
LPR1 and LPR2. These proteins of un- for coordinating numerous developmen-
known specificities are expressed in the tal processes and responses to the envi-
distal root meristem and targeted to the ronment. Generation of stimulus-depen-
endoplasmatic reticulum (ER). Conside- dent calcium signatures, decoding of the
ring the epistatic relationship between encrypted information, and specific cellu-
recessive pdr2 and lpr mutations and the lar responses are integral modules. We
respective phenotypes, PDR2 likely re- previously identified a novel class of pu-
stricts LPR function, either by negatively tative calmodulin (CaM) target proteins
regulating LPR biogenesis or by remo- in Arabidopsis, the 33-member IQD fa-
ving /inactivating products generated by mily, which is characterized by the pre-
their associated MCO activity. Our re- sence of a conserved, plant-specific do-
sults indicate that partially antagonistic main of multiple CaM recruitment mo-
interactions between Pi and Fe availabili- tifs, the IQ67 domain. Our extensive re-
ty mediate local Pi sensing. Pi depriva- verse genetic analysis of the entire fami-
tion causes elevated Fe tissue content ly implicates IQD proteins in the regula-
and alters the expression of genes with tion of plant development and various
roles in Fe transport and homeostasis. stress responses. We showed that select
We observed that the pdr2 mutation IQDs interact with CaMs in vitro and in
sensitizes root meristem activity not on- vivo (yeast, tobacco), and mapped the
ly to the inhibitory effect of decreasing CaM interacting region to the IQ67
Pi, but also to increasing external Fe, domain. A genetic screen identified kine-
which is counteracted by loss of LPR sin light chain-related 1 as an interacting
genes. Although the substrate specificity protein, which we confirmed in planta. COLLABORATORS
of LPR1 remains to be established, it is Because IQD proteins localize to micro- Thierry Desnos, Laurent Nussaume
tempting to speculate that PDR2 /LPR1- tubules and the cell nucleus (Fig. 3), the Centres de Recherche du Commissariat à l'Energie Atomique et
aux Energies Alternatives Cadarache, France
dependent Fe transport and Fe-mediated prospect arises that IQDs provide CaM-
Geert De Jaeger
redox signaling modulates root meris- regulated scaffolds for facilitating trans- VIB-University of Ghent, Belgium
tem activity in response to Pi deficiency port of specific cargo along microtubular Gerd Hause
via cell-to-cell signaling in the root stem tracks via kinesin motor proteins during University of Halle, Germany
cell niche. adaptive responses to the environment.
D
ie biologische Verfügbarkeit von Phosphat (Pi) ist wegen dessen physiko-chemischer Eigenschaften erheblich
eingeschränkt. Pflanzen reagieren auf Pi-Mangel mit einer Umprogrammierung des Stoffwechsels, um den
Pi-Haushalt effizienter zu gestalten, als auch mit einer Veränderung der Wurzelarchitektur, um externe Pi-
Ressourcen besser zu erschließen. Wir haben einen genetischen Ansatz im Modellsystem Arabidopsis gewählt, um
erste molekulare Komponenten eines Pi-abhängigen Signalweges zu identifizieren, der die Aktivität von Wurzelme-
ristemen an die lokale Pi-Verfügbarkeit im Nährmedium anpasst. Ein wichtiges Modul in diesem Prozess bilden die
P5-ATPase PDR2 und die LPR1 Oxidase, welche über Pi- und Fe-abhängige Zellwandmodifizierungen die interzellu-
läre Kommunikation in der Stammzellnische regulieren. Weitere genetische und biochemische Arbeiten haben sich
der funktionellen Charakterisierung von calmodulin-bindenden IQD Proteinen gewidmet.
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