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2013-2014
Scientific Report
Leibniz Institute of Plant Biochemistry
Institutstagung in Wittenberg, März 2014
Table of Contents
A Word from the Managing Director
4
Department of Cell and Metabolic Biology
Presentation of the Institute
5
Professor Alain Tissier
Grußwort des Geschäftsführenden Direktors
8
Glandular Trichome and Isoprenoid Biosynthesis
Vorstellung des Instituts
9
Alain Tissier
Organigramm
13
Leitung und Gremien des Instituts
14
Department of Molecular Signal Processing
16
Professor Steffen Abel
Nutrient Sensing
20
22
Luz Irina A. Calderón Villalobos
Jasmonate Function & Mycorrhiza
Phenylpropanoid Metabolism & Protein Biochemistry
Synthetic Biology
Publications and other Activities of the Department of Cell and Metabolic Biology
Publications and other Activities of the Department of Molecular Signal Processing
26
Protein Recognition and Degradation
Department of Bioorganic Chemistry
28
Marcel Quint
Professor Ludger Wessjohann
30
32
Ludger Wessjohann & Wolfgang Brandt
Synthesis
34
Ludger Wessjohann & Bernhard Westermann
Spectroscopy
36
Andrea Porzel & Jürgen Schmidt
Screening
40
Wolfgang Brandt & Andrea Porzel
Publications and other Activities of the Department of Bioorganic Chemistry
42
Department of Stress and Developmental Biology
46
Professor Dierk Scheel
Molecular Communication in Plant-Pathogen Interactions
48
Wolfgang Knogge
Cellular Signaling
76
78
Interdepartmental Research Group
80
Wolfgang Hoehenwarter
Publications and other Activities of the Junior Research Groups
82
Publications of the Interdepartmental Research Group
83
Abteilung Administration und Infrastruktur
84
Christiane Cyron
86
Personalübersicht des IPB 2013 / 2014
87
Budget 2013 / 2014
88
Drittmittel 2013 / 2014
89
Nationale und internationale Forschungsverbünde und -netzwerke
90
Gastwissenschaftler/innen und Stipendiat(inn)en
94
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
96
Sylvia Pieplow
Medienpräsenz, Layout und Internet
99
50
Dierk Scheel & Justin Lee
Induced Pathogen Defense
74
Nico Dissmeyer
Mitarbeiter der Abteilung Administration und Infrastruktur 2013 / 2014
38
Norbert Arnold & Bernhard Westermann
Computational Chemistry
72
Marco Trujillo
Proteome Analytics
Norbert Arnold & Jürgen Schmidt
Chemoenzymatics
70
Independent Junior Research Groups
Ubiquitination in Immunity
Natural Products
68
Bettina Hause
24
Auxin Signaling
66
Alain Tissier & Michael H. Walter
Sylvestre Marillonnet
Selma Gago Zachert & Steffen Abel
Signal Integration
64
Thomas Vogt
18
Steffen Abel
Defense Metabolism
Carotenoid Metabolism & Mycorrhiza
62
52
Impressionen und Impressum
104
Sabine Rosahl & Dierk Scheel
Bioinformatics & Mass Spectrometry
54
Steffen Neumann
Metabolite Profiling in Arabidopsis and Crop Plants
56
Dierk Scheel
Publications and other Activities of the Department of Stress and Developmental Biology
2
58
3
A Word from the Managing Director
Presentation of the Institute
esearch at the Leibniz Institute of
R
ty Halle-Wittenberg (MLU) that is particu-
Leibniz Research Alliances, heading one
Plant Biochemistry is focused on
larly evident by the joint appointments
of them (Bioactives & Biotechnology).
plant natural products, like sec-
of the department heads of IPB who are
ondary metabolites and hormones, and
also professors at the university. The most
The bodies of the IPB are the Board of
on the role these play for plants in re-
relevant cooperation platform between
Trustees (Stiftungsrat), the Scientific Ad-
sponse to the environment. As a leading
the university and regional Leibniz insti-
visory Board (Wiss. Beirat), and the IPB
institution in the field, it is one of the few
tutes is the Science Campus Halle Plant
Board of Directors. The Managing Di-
establishment of two independent junior research
that fully integrate biological and chem-
Based Bioeconomy. The institute is also
rector (CEO) and the Administrative Head
groups, but above all our academic performance,
ical expertise and provide the infrastruc-
active in the German Centre of Integra-
(CFO), as part of the Directors Board, form
have been very positively recognized by our evalua-
ture required for a comprehensive study
ted Biodiversity Research (iDiv) Halle-
the Executive Board of the institute. The
tors and peers. Since any past performance only
of the interaction and function of small
Jena-Leipzig.
boards of directors and trustees can seek
Signal Processing and Cell and Metabolic Biology), a
reorganization of parts of the administration, and the
holds that much value as it contributes to improve-
Dear Reader,
"Omics" without end, one is inclined to think. The
comprehensive analysis of genes and transcriptomes now increasingly is followed by studies of proteomes and metabolomes. Recently, publications in
the latter two areas show a much faster growth than
genome analyzes. This might be because the characteristic of an organism - a plant in our case - for
human application ultimately lies in its proteins and
natural products (metabolites). Our institute is in an
excellent position to contribute to these exciting developments as it was one of the first, already some
fifteen years ago, to examine the secondary metabolome of plants.
ments now and in the future, I am particularly
Mission Statement
pleased that our scientific productivity was steadily
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 environment.
The resulting changes in gene expression and phenotype are analyzed in interdisciplinary approaches at the genome,
proteome and foremost at the metabolome level. The knowledge gained will pave the way to a plant-based bioeconomy:
it will facilitate sustainable crop production, innovative biotechnology and drug development to improve the nutrition
and health of humans, animals and plants.
improving in 2013 and 2014, despite the time burden
of the evaluation. This is exemplarily documented in
this booklet.
I thank all colleagues and staff of IPB, and the advisory and trustee board members for their help and encouragement, and of course the many alumni,
friends and cooperation partners of the Institute for
their support and trust in us, respectively. The high
molecules in, from and on plants. The in-
History and Organisation
advice on basic scientific issues from the
quality of our results is based on their commitment!
stitute provides an excellent environment
On 1 January 1958 Prof. Kurt Mothes foun-
Institutes Scientific Council (Wissen-
This is evidenced not only by the positive evaluation
of international rank to its employees and
ded the Centre for Biochemistry of Plants
schaftlicher Institutsrat, WIR) – consist-
result of the Leibniz Senate, but first and foremost it
especially to young scholars and guest
in Halle (Saale) within the German Aca-
ing of the heads of the research groups
is evidenced by our publications and by the excellent
scientists from around the world. The
demy of Sciences (East-Berlin). After re-
and representatives of postdoctoral and
commitment to basic research is the
unification of Germany, the academy in-
doctoral fellows. A works council supports
starting point for innovative, application-
stitutes underwent transformation, and
and voices employee issues.
oriented research in the areas of plant
the centre was reinstated as Institute of
and human health and nutrition, and
young scientists leaving the institute to pursue their
careers.
Plant Biochemistry (IPB) on 1 January
The IPB consists of four scientific depart-
toward a plant-based bioeconomy. The
1992. The Leibniz Institute of Plant Bio-
ments (Stress and Developmental Biolo-
learn more about their work. If you prefer, however,
IPB participates in national and interna-
chemistry since then is an independent
gy, Bioorganic Chemistry, Molecular Sig-
not to look at past achievements, but would like to
tional consortia, such as EU-funded pro-
non-profit research institute funded by
nal Processing, and Cell and Metabolic
learn more about our current excitement, do not he-
jects and networks (ERA, COST), or in
the Federal Government and the State of
Biology), and three extradepartmental
sitate to contact our researchers.
BMBF and DFG initiatives. It cofounded
Saxony-Anhalt with the legal status of a
research groups including two inde-
and actively participates in three Leibniz
foundation under public law. The IPB is
pendent junior research groups (Ubiqui-
research alliances and is a leading mem-
under protection and supervision of the
tination in Immunity and Protein Degra-
ber of the ScienceCampus Halle Plant
government of Saxony-Anhalt. It became
dation), and an administration and infra-
Based Bioeconomy (v.i. and www.science-
a member of what is now the Leibniz
structure department. The institute has
received the maximum possible extension of basic
campus-halle.de), combining eleven insti-
Association (http://www.leibniz-gemein-
some 190 employees with over 100 sci-
funding from federal and state governments.
tutions with over 2000 researchers of all
schaft.de/en/home/) that comprises 89
entists of some 20 different nationalities
areas of plant sciences and its applica-
research institutes and is one of the four
and over 50 PhD students.
tions.
major research organizations in Germa-
This was made possible by the excellent integration
of biological and chemical expertise and the systematic investment in an appropriate infrastructure
and informatics. Analogously, plant proteomics was
added to complete the picture. The results now help
us to understand plant performance and to improve,
This report provides you with the opportunity to
for example, the production of active ingredients.
With these activities, our institute was evaluated in
2013 by the Senate of the Leibniz Association and
Thus the preceding and significant rejuvenation of
Scientifically yours,
ny. The IPB belongs to Section C - Life
Recent developments
Locally the institute keeps a close rela-
Sciences, dedicated to health and biodi-
Mid 2013 the institute was evaluated by
tionship with the Martin-Luther Universi-
versity research. It participates in three
an independent commission of the Leib-
the institute with two new departments (Molecular
4
5
niz Association, headed by Prof. Alexan-
Based Bioeconomy, of which the first ba-
Research on natural products in biologi-
plication and development of modern
function analysis. Within the overall con-
molecular interactions and gene func-
der Steinbüchel. Following its highly po-
sic funding period ended 2014. With
cal material is carried out via an interde-
cell biological methods supports the
cept of functional genomic analysis,
tion analyses is only possible by apply-
sitive recommendation, the senate of
fresh support from both Leibniz Associa-
partmental network of modern analytical
interdepartmental work to analyze the
based on transcriptome, proteome, and
ing information technology (bioinforma-
the Leibniz association, and following
tion and the state of Saxony-Anhalt also
techniques. This forms the basis for the
dynamics of molecular interactions in
metabolome data, genes are identified
tics, computational chemistry). In partic-
this the states and federal joint science
the foundation for the upcoming second
discovery of new natural product struc-
the living organism. The chemical struc-
and characterized, which are essential
ular, the metabolome and proteome ana-
conference, granted the IPB the maxi-
research period (to 2018) could be finan-
tures as well as studies of their biosyn-
tures of the interacting molecules are
for biosynthesis and metabolism of natu-
lyses and bioactivity screens require the
mum period of future support (7 years).
cially secured.
thesis and biological function. Structure
modified by, e.g., genetic engineering
ral products and for plant development
development of new methods of data
elucidation provides the basis for chemi-
methods or chemical derivatization. The
and adaptation on different environmen-
analysis, processing and linking. The in-
Apart from financial and strategic con-
cal synthesis and derivatization of natu-
effects of these changes can be moni-
tal conditions. The use of mutants, trans-
stitute has therefore established infor-
solidation, it is most of all the scientific
ral products and makes an important
tored in appropriate models and investi-
genic and transiently modified plants al-
matics based research groups, fully inte-
output of IPB that defines our success.
contribution to diversity and to increase
gated by screening methods to finally
lows not only the direct analysis of gene
grated into the departments, which are
high level development since the last evalua-
This considerably increased 2013 / 2014
successful approaches to discover their
select molecules with desired properties
function, but also the production of mo-
particularly committed to this problem.
tion is highly appreciated by the Federation (of
despite the time consuming evaluation
biological activities. The isolation of bio-
(e.g. new drugs, signal compounds, en-
del plants with altered profiles, novel
This is, together with the new central da-
Germany) and the State (of Saxony-Anhalt).
preparation. Over 200 articles have been
synthetic enzymes allows access to the
zymes). This forms the basis for the de-
health-related ingredients, and new or
ta management, a platform that expands
With its unique selling point, the interdisci-
published, almost exclusively in peer-re-
corresponding genes and thus to study
velopment of new syntheses and selec-
improved adaptation to specific environ-
the interdepartmental research compe-
plinary combination of basic research in molec-
viewed international journals, and many
the regulation of biosynthetic pathways
tion processes as well as appropriate as-
mental conditions. Such plants will be
tence. The eventual goal of this ap-
of them of high impact. Details can be
and the cellular and organismic organi-
say and analytical procedures, supported
beneficial for the sustainable production
proach is the integral linkage and analy-
found in the reports of the departments.
zation of its components.
by visualization of the molecular interac-
of valuable substances and biocatalysts,
sis of structurally diverse data sets, gen-
tions via computer modeling.
for use as biological test systems and for
erated within the different research
plant breeding.
areas, towards a better understanding of
The state and federal ministeries conclude:
“The positive overall assessment of IPB and its
ular plant biology and applied bioorganic chemistry, it makes important contributions of national and international relevance and with
Research Profile
The genetically determined plant devel-
high science political impact. In the national
The research activities of the institute fo-
opment and its modulation during adap-
The close combination of chemical, bio-
strategy towards a sustainable bioeconomy, the
cus on analyses of natural products (sec-
tation to specific environmental condi-
chemical, molecular and cell biological
Linking the various data obtained from
IPB occupies an important role.”
ondary metabolites), molecular interac-
tions rely on receptor-mediated percep-
approaches allows new access to gene
research activities on natural products,
tions, and gene functions. These activi-
tion of endogenous signals or biotic and
Research at IPB in the upcoming years
ties are linked with information technol-
abiotic environmental factors. Cellular
will concentrate on four major topics:
ogy (bioinformatics, computational chem-
and systemic signal networks are evalu-
istry).
ated, adjusted and converted through
Plants and fungi developed in the course
sponding physiological reactions, usu-
of evolution an enormous diversity of na-
ally based on transiently and locally al-
tural products. This diversity is enlarged
tered profiles of natural products. Mole-
through changes in the patterns of these
cular interactions form the basis of these
products during development and adap-
expiring cellular functions. An interdisci-
tation to environmental conditions. The
plinary analysis of these interactions is
knowledge of structure and function of
therefore of central importance in the
natural products is an essential prerequi-
research approaches of the institute. Re-
site for understanding development and
ceptor-ligand, enzyme-ligand and pro-
adaptation processes and opens up new
tein-protein interactions form the molec-
resources for use in crop production,
ular basis for these processes and their
This development is and will also be re-
crop protection, biotechnology and drug
application in drug research. From this
flected in changes in the research
development. With the progressive real-
perspective, mechanisms of interorgan-
groups (RGs), for which the new RG
ization of the profits from plant genome
ismic communication between plants
Synthetic Biology (head: Sylvestre Maril-
research, this information is of fundamen-
and pathogens and symbionts are inves-
lonet) in the department Cell and Meta-
tal importance for functional genome
tigated and the organization of biosyn-
bolic Biology is exemplary, or the call Dr.
analysis.
thetic pathways and signal transduction
• Biosynthesis and Biotechnology of
Plant Secondary Metabolites
• Signaling Molecules of Plants and
their Effects
• Plant Microbe Interactions and
Chemical Communication
Marcel Quint of Molecular Signal Pro-
6
cialized metabolites and interactions.
gene expression patterns into corre-
• Analysis, Chemistry and Biological
Activity of Natural Products
the biological system plant with its spe-
is analyzed.
cessing received for a professorship at
The comprehensive analysis of plant and
the MLU. The local integration and fund-
fungal natural products is one of the key
Cooperations within the institute include
ing of our research is strongly based on
priorities in the research program of the
proteomic, metabolomic, screening and
the success of the ScienceCampus Plant
Leibniz Institute of Plant Biochemistry.
informatics projects. Moreover, the ap-
7
Grußwort des Geschäftsführenden Direktors
Vorstellung des Instituts
m Mittelpunkt der Forschung am Leib-
Historisches und Organisation
tien, z.B. in EU-Projekten und Netzwerken
1958 gründete Kurt Mothes das Institut für
steht die umfassende Analyse pflanzli-
(COST, ERA-Net), oder in BMBF-, oder DFG-
Biochemie der Pflanzen unter dem Dach
auch von Außenstehenden als sehr erfolgreicher Pro-
I
nationalen und internationalen Konsor-
niz-Institut für Pflanzenbiochemie (IPB)
cher und pilzlicher Naturstoffe, insbeson-
Initiativen, vor allem aber innerhalb der
der Deutschen Akademie der Wissen-
zess gewürdigt worden. Da alle vergangenen Leistun-
dere der sekundären Inhaltsstoffe und
Leibniz-Gemeinschaft durch die aktive
schaften zu (Ost-) Berlin. Im Rahmen der
gen nur so viel Wert haben, wie sie zu Verbesserun-
Phytohormone, und deren Rolle für die
Gestaltung des WissenschaftsCampus
Umstrukturierung nach der Wende wurde
gen jetzt und in Zukunft beitragen, freut mich beson-
Wechselwirkung von Pflanzen mit ihrer
Halle Pflanzenbasierte Bioökonomie sowie
am 1. Januar 1992 das Institut für Pflanzen-
ders, dass unsere wissenschaftliche Produktivität,
Umwelt. Das IPB verfolgt dazu eine beson-
in drei Leibniz-Forschungsverbünden.
biochemie (IPB) in Halle (Saale) als ein vom
trotz der zeitlichen Belastung durch die Evaluierung,
2013 und 2014 stetig verbessert werden konnte. Das
gilt ebenso für das Serviceangebot der Abteilung
Leitbild
Administration und Infrastruktur. Das wird in diesem
Im Mittelpunkt der Forschung am Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie 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 Genexpression und die
phänotypischen Veränderungen werden in interdisziplinären Forschungsansätzen auf den Ebenen des Genoms, des Proteoms und insbesondere des Metaboloms untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse eröffnen neue Wege für eine pflanzenbasierte Bioökonomie. Sie dienen einer Ressourcen-schonenden Pflanzenproduktion, einer innovativen Biotechnologie und Wirkstoffentwicklung, und damit der Gesundheit und Ernährung von Mensch, Tier und Pflanze.
Heft exemplarisch dokumentiert.
Ich danke allen Kollegen und Mitarbeitern des IPB
sowie den Beirats- und Stiftungsratsmitgliedern für
Liebe Leser,
Omics und kein Ende, mag man denken. Den umfas1
senden Analysen der Gene und Transkriptome fol2
gen zunehmend Untersuchungen von Proteom und
3
ihren Einsatz, und natürlich den vielen Alumni, Freunden und Kooperationspartnern des Instituts für die
Unterstützung und das Vertrauen in unsere Partner-
Metabolom . Veröffentlichungen zu letzteren beiden
schaft. Die hohe Qualität unserer Ergebnisse basiert
Gebieten nehmen seit einiger Zeit wesentlich schnel-
auf ihrem Engagement, das Anerkennung nicht nur
ler zu als Genomanalysen, denn für das, was die Ei-
in einer Weiterförderung durch Bund und Land in der
genschaft einer Pflanze für den Menschen letztlich
Leibniz-Gemeinschaft erfährt, sondern zuvorderst
ders breit angelegte multidisziplinäre
Regional pflegt das Institut sehr enge
ausmacht, sind Proteine und Naturstoffe (Metaboli-
durch unsere Publikationen und die am Institut her-
Strategie, welche chemische, physiologi-
Beziehungen zur Martin-Luther-Univer-
nanziertes außeruniversitäres Forschungs-
ten) entscheidend. Und dafür ist unser Institut ausge-
vorragend und stark interdisziplinär ausgebildeten
sche, zellbiologische, biochemische, mo-
sität Halle-Wittenberg. Dies kommt be-
institut mit dem juristischen Status einer
zeichnet aufgestellt; denn bereits seit über fünfzehn
Nachwuchswissenschaftler.
lekularbiologische und genetische Me-
sonders durch gemeinsame Berufungen
Stiftung des öffentlichen Rechts des Lan-
thoden sowie die zugehörige Informatik
der wissenschaftlichen Leitungsposi-
des Sachsen-Anhalt neu gegründet. Seit-
Jahren untersuchen wir als eines der ersten Institute
das Metabolom von Pflanzen mit Schwerpunkt auf
Ihnen als Leser bietet dieser Bericht die Gelegenheit,
umfasst, um so die Analyse, Bedeutung
tionen zum Ausdruck, wobei die Abtei-
dem ist das Institut Mitglied der jetzigen
den spezialisierten, analytisch besonders aufwändi-
mehr über ausgewählte Projekte dieser Mitarbeiter
und Anwendung kleiner Moleküle aus, in
lungsleiter in Personalunion eine Pro-
Leibniz-Gemeinschaft (www.leibniz-ge-
gen Sekundärstoffwechsel. Möglich wurde das durch
und Kooperationen zu erfahren. Wenn Sie ergänzend
und an Pflanzen zu erforschen und die
fessur an der Universität einnehmen. Das
meinschaft.de) mit ihren 89 wissen-
die ausgezeichnete Integration von biologischer und
zum Rückblick mehr über zukünftige Entwicklungen
molekularen Interaktionen der komplexen
Institut betreibt engagiert die Förderung
schaftlichen Einrichtungen. Das IPB ge-
chemischer Fachkenntnis am IPB und durch den kon-
erfahren möchten, scheuen Sie sich nicht, unsere
biologischen Prozesse von Pflanzen unter
des wissenschaftlichen Nachwuchses,
hört zur Sektion C: Lebenswissenschaf-
sequenten Aufbau entsprechender Infrastruktur und
Forscher anzusprechen.
variierenden Umweltbedingungen zu er-
zu dem neben den über 60 Doktoranden
ten, welche die Kernthemen Gesundheit
kunden. Dabei nimmt die Grundlagenfor-
und Postdoktoranden derzeit zwei ei-
und Biodiversität abdeckt. Es ist an drei
schung eine zentrale Stellung ein. Sie ist
genständige Nachwuchsgruppen (Habi-
Leibniz-Forschungsverbünden beteiligt,
um pflanzliche Leistung zu verstehen, zu verbessern,
Ausgangspunkt für innovative anwen-
litanden) zählen. Das wichtigste Element
wovon einer (Wirkstoffe und Biotechnolo-
und z.B. zur Herstellung von Wirkstoffen zu nutzen.
dungsorientierte Forschungsprojekte zur
dieser Zusammenarbeit ist der Wissen-
gie) am IPB koordiniert wird.
Mit diesen Aktivitäten wurde unser Institut 2013 vom
pflanzlichen und humanen Gesundheit
schaftsCampus Pflanzenbasierte Bioö-
Senat der Leibniz-Gemeinschaft evaluiert und erhielt
und Ernährung sowie für pflanzenbasierte
konomie (www. sciencecampus- halle.de).
Die Organe der Stiftung sind der Stif-
die maximale Verlängerung der gemeinsamen Basis-
Produkte und Prozesse der Bioökonomie.
Ferner ist das IPB einer der institu-
tungsrat, der Wissenschaftliche Beirat
Im Bereich der Pflanzenwissenschaften
tionellen Partner im Deutschen Zentrum
und das Direktorium. Der Geschäftsfüh-
zählt das IPB damit zu den führenden In-
für integrative Biodiversitätsforschung
rende Direktor und die Administrative Lei-
Informatik. Analoge Proteomuntersuchungen komplettieren das Bild, und die Ergebnisse nutzen wir,
Ihr
förderung durch Bund und Land. Damit sind die er-
1
heblichen Veränderungen der Vorjahre wie die Neu-
die wirklich abgelesenen Gene
2
die mit den abgelesenen Genen produzierten Eiweiße,
z.B. Enzyme als Biokatalysatoren
stituten. Es ist bestrebt, seinen Mitarbei-
(iDiv: www.idiv-biodiversity.de), welches
terin sind Teil des Direktoriums und bilden
die niedermolekularen chemischen Inhaltsstoffe
tern und insbesondere den Nachwuchs-
2012
bundesweitem
die Geschäftsführung des Instituts. Der
von zwei unabhängigen Nachwuchsgruppen, allem
(Metaboliten) in einem Organismus, gewöhnlich mit
und Gastwissenschaftlern ein exzellentes
Wettbewerb von der DFG dem Verbund
Wissenschaftliche Institutsrat (WIR) – be-
voran aber unsere wissenschaftlichen Leistungen
Hilfe der Enzyme in der Zelle produziert
Umfeld von internationalem Rang zu bie-
aus Halle-Jena-Leipzig zugesprochen
stehend aus den Leiterinnen und Leitern
ten. Das Institut engagiert sich daher in
wurde.
der wissenschaftlichen Arbeitsgruppen
orientierung von zwei Abteilungen (MSV und SZB)
und von Teilen der Verwaltung, sowie die Einrichtung
8
Bund und vom Land Sachsen-Anhalt fi-
3
nach
einem
9
und Vertretern der Postdoktoranden und
Doktoranden – berät das Direktorium und
• Analytik, Chemie und biologische
Wirkung von Naturstoffen
den Stiftungsrat in grundsätzlichen wissenschaftlichen Fragen. Der Personalrat
vertritt die Arbeitnehmer des Institutes.
pflanzlichen Entwicklung und Anpassung
an fluktuierende Umwelt- und Standortbedingungen. Neben einer Plastizität ziel-
• Biosynthese und Biotechnologie
pflanzlicher Sekundärstoffe
gerichteten Organwachstums reagieren
Pflanzen auf Umweltveränderungen und
Forschungsschwerpunkte - Unser Weg in die Zukunft
lokale Herausforderungen mit einer flexiDas Institut besteht aus vier wissenschaftlichen Abteilungen: Stress- und Entwick-
• Pflanzliche Signalmoleküle und ihre
Wirkung
lungsbiologie (SEB), Natur- und Wirkstoff-
blen Umsteuerung ihres zentralen und peripheren Stoffwechsels. Mit Hilfe niedermolekularer Substanzen werden externe
chemie (NWC), Molekulare Signalverar-
• Pflanze-Mikroben-Interaktion /
Ressourcen maximal erschlossen, Krank-
beitung (MSV), und Stoffwechsel- und
Chemische Kommunikation
heitserreger und Fraßfeinde abgewehrt,
Zellbiologie (SZB), sowie abteilungsunab-
oder es wird mit anderen Organismen
hängigen Forschungsgruppen, darunter
Dies findet seinen Wiederhall in Änderun-
zwei unabhängigen Nachwuchsgruppen
gen der Arbeitsgruppen, stellvertretend
passungsreaktionen auf veränderte exter-
(Proteinerkennung und –abbau, und Ubi-
sei hier die Einrichtung der neuen AG
ne Bedingungen werden über die Einbin-
quitinierung in der Immunantwort) und
Synthetische Biologie (Leiter: Sylvestre
dung multipler und hoch-komplexer infor-
der Abteilung Administration und Infra-
Marillonnet) in der Abteilung SZB ge-
mationsverarbeitender molekularer Netz-
struktur (AdmIn). Das IPB beschäftigt
nannt. Instrumental ist auch das Engage-
werke reguliert und auf zellulärer und sys-
etwa 190 Angestellte; es sind über 100
ment des IPB im Wissenschaftscampus.
temischer Ebene realisiert. Die Kenntnis
Wissenschaftler mit etwa 20 Nationalitä-
Dessen Basisförderung kann nach dem
von Struktur, Synthese, Funktion und
ten und mehr als 50 Doktoranden in der
Ende der ersten Förderperiode 2014
Wirkmechanismen biologisch aktiver
Forschung aktiv.
durch Bewilligungen im Rahmen des
Stoffwechselprodukte und -intermediate
neuen SAS-Verfahrens der Leibniz-Ge-
ist daher Voraussetzung für ein umfassen-
Aktuelle Entwicklungen
meinschaft und Zusagen des Landes
des Verständnis pflanzlicher Diversität so-
Mitte 2013 wurde das Institut von der un-
Sachsen-Anhalt nahtlos fortgeführt wer-
wie von wachstums- und entwicklungs-
abhängigen Evaluierungsgruppe unter
den (zweite Periode bis 2018).
fördernden Adaptationsprozessen. Dieser
der Leitung von Professor Alexander
chemisch kommuniziert. Pflanzliche An-
Erkenntnisgewinn ermöglicht neue Wege
Steinbüchel bewertet. Die Kommission
Nach der Etablierung von zwei neuen Ab-
zu einer nachhaltigen Pflanzenproduktion
und folgend der Senat der Leibniz-Ge-
teilungen in den Vorjahren, strategischer
und für innovative Biotechnologie- und
meinschaft haben sowohl die bisherigen
Fokussierung und Abschluss der Evaluie-
Wirkstoffentwicklungen als Grundlagen
Leistungen des Instituts als auch seine
rung konnte das IPB seine wissenschaft-
einer pflanzenbasierten Bioökonomie.
strategische Zukunftsplanung sehr positiv
liche Leistung 2013 und 2014 weiter stei-
bewertet. Daraufhin hat die Gemeinsame
gern. Arbeiten des Instituts wurden erst-
Der Forschungsauftrag des Leibniz-Insti-
Wissenschaftskonferenz von Bund und
mals in über 200 wissenschaftlichen Pu-
tutes für Pflanzenbiochemie, welcher im
Ländern mit Beschluss vom 20.03.2014
blikationen veröffentlicht, nahezu alle da-
Zuge des globalen Wandels an gesell-
die gemeinsame Förderung ohne Ein-
von in begutachteten Zeitschriften und
schaftlicher Relevanz gewinnt, wird in ei-
schränkung für weitere sieben Jahre (Ma-
Büchern renommierter Verlage, viele da-
ner einzigartigen Konstellation und Bün-
ximalzeit) beschlossen. Bund und Land
von in sehr guten und hochrangigen Zeit-
delung von chemischen und biologi-
stellen dazu fest:
schriften. Details finden sich in den Be-
schen Kompetenzen in vier wissenschaft-
richten der Abteilungen. Ferner gab es
lichen Abteilungen und Nachwuchsgrup-
„Die positive Gesamtwürdigung der Weiterent-
zwei Habilitationen, und Dr. Marcel Quint,
pen umgesetzt. Diese wissenschaftliche
wicklung des IPB auf hohem Niveau seit der
AG-Leiter in der Abteilung MSV erhielt
Expertise ermöglicht eine enge themati-
letzten Evaluierung werden von Bund und Sitz-
den Ruf auf eine Professur der Martin-Lu-
sche und kooperative Verknüpfung von
land sehr begrüßt. Mit seinem Alleinstellungs-
ther-Universität.
Natur- und Wirkstoffchemie, Biochemie
merkmal, der interdisziplinären Kombination
und Pflanzenbiologie, die durch gemein-
Forschungsprofil
sam etablierte und genutzte technologi-
Pflanzen haben sich im Laufe der Evolu-
sche Plattformen und Datenbanken unter-
tion als Konsequenz ihrer sessilen Lebens-
stützt wird. So ist die umfassende Analyse
und Wirkstoffchemie, leistet es wichtige Beiträ-
weise zu Spezialisten der flexiblen Anpas-
pflanzlicher und pilzlicher Naturstoffe ein
ge, die von überregionaler Bedeutung und ho-
sung mit hoher Widerstandsfähigkeit ent-
zentraler Schwerpunkt im Forschungs-
her forschungspolitischer Relevanz sind. In der
wickelt. Die daraus resultierende Arten-
konzept des Institutes, an den weitere
nationalen Bioökonomiestrategie besetzt das
vielfalt spiegelt sich in einer enormen
Forschungsschwerpunkte assoziiert sind.
chemischen Diversität pflanzlicher Natur-
Zur umfassenden qualitativen und quanti-
stoffe wider. Die artspezifischen Muster
tativen Erfassung von Naturstoffen in bio-
Die Forschung des IPB wird sich dazu in
dieser Naturstoffe erhalten eine zusätzli-
logischen Materialien und zur Aufklärung
den nächsten Jahren auf folgende Haupt-
che Dimension der Komplexität durch dy-
ihrer Struktur werden in einem abtei-
themengebiete fokussieren:
namische Veränderungen während der
lungsübergreifenden Kompetenzbereich
von grundlagenorientierter molekularer Pflanzenbiologie und anwendungsorientierter Natur-
IPB eine wichtige Rolle.“
10
11
Institutsvorstellung und Organigramm
Foundation Council
Ministerialrat Thomas Reitmann
Senior Superior Counsellor
Public Relations
moderne analytische Verfahren einge-
kleinsäuren bilden funktionale Module für
kriptom-, Proteom- und Metabolom-Ana-
setzt und neu entwickelt. Dies bildet die
diese molekularen Prozesse als auch
lysen zur funktionellen Charakterisierung
Sylvia Pieplow
Grundlage zur Untersuchung der biologi-
geeignete Interventionsziele für die ange-
von Genen, die im Rahmen des Stoff-
Personal Assistant to the Managing Director
schen Funktionen von Naturstoffen und
wandte Wirkstoffforschung. Unter diesen
wechsels von Naturprodukten eine ent-
ihrer Biosynthese als auch für die Ent-
Aspekten werden die Mechanismen der
scheidende Rolle für die pflanzliche Ent-
deckung neuer Leitstrukturen. Die Struk-
chemischen Kommunikation untersucht,
wicklung und Anpassung spielen. Durch
turaufklärung, chemische Synthese und
insbesondere von Pflanzen mit pilzlichen
die zunehmende Zahl sequenzierter
Derivatisierung von Naturstoffen liefern
Symbionten oder Phytopathogenen, so-
pflanzlicher Genome und Transkriptome
einen wichtigen Beitrag zur Aufklärung ih-
wie die Organisation von Signaltransduk-
gewinnen systembiologische Ansätze für
rer biologischen Aktivität, Erweiterung ih-
tions-, Biosynthese-, Transport- und Ab-
die Analyse metabolischer und regulatori-
rer strukturellen Diversität und Entwick-
bauwegen. Dabei kommen umfassende
scher Netzwerke an Bedeutung.
lung von Wirkstoffen. Die Charakterisie-
Transkriptom-, Proteom- und Metabolom-
rung von Enzymen und regulatorischen
Analysen zum Einsatz, die zunehmend
12
Scientific Advisory Board
Superior Counsellor
Prof. Tina Romeis
Chairwoman
Prof. Norbert Sewald
Board of Directors
Funding and Cooperation
Vice-Chairman
Prof. Ludger Wessjohann
Managing Director
Dr. Daniela Geisler
Christiane Cyron
Head of Administration
Prof. Steffen Abel
Prof. Dierk Scheel
Prof. Alain Tissier
Die Speicherung, Auswertung und Ver-
Proteinen sowie ihren kodierenden Genen
gewebe- und zellspezifische Profilände-
knüpfung der in den Forschungsschwer-
ermöglicht das Studium der zellulären,
rungen quantifizieren und katalogisieren.
punkten - Naturstoffe und deren Biotech-
gewebespezifischen und systemischen
Darüber hinaus erlaubt die Anwendung
nologie, Signalmoleküle und molekulare
Organisation von Biosynthesewegen und
und Entwicklung moderner zellbiologi-
und organismische Interaktionen - gene-
deren Kontrollebenen und damit der
scher Methoden im Rahmen abteilungs-
rierten enormen Datenmengen ist nur mit-
pflanzlichen Produktions- und Speicher-
übergreifender technologischer Plattfor-
tels einer integrierten Bio- und Chemoin-
prozesse. Diese Erkenntnisse sind die
men und Kooperationen die Analyse der
formatik möglich. Insbesondere die Meta-
Grundlage der Entwicklung von Biokataly-
Dynamik molekularer Interaktionen im le-
bolom- und Proteomanalysen erfordern
satoren, die umweltfreundlichere, nach-
benden Organismus. Die chemische
neue Methoden zur Metabolitenidentifika-
haltigere Prozesse aber auch den Zugang
Struktur miteinander in Wechselwirkung
tion, der Datenauswertung und –verarbei-
zu völlig neuen Produkten erlauben. Im
tretender Moleküle wird durch gentech-
tung und die Verknüpfung mit den um-
Umfeld schwindender Ressourcen sind
nische Verfahren, gerichtete Evolution
fangreichen Datensätzen der Sequenz-
biotechnologische und dabei vor allem
und chemische Derivatisierung modi-
und Expressions- und Wirkprofilanalysen.
pflanzenbasierte Produktionsprozesse
fiziert, so dass die Effekte der Verände-
Die Informatik ermöglicht die Entschlüsse-
der Schlüssel zu einer wissensbasierten
rung an geeigneten Modellen oder in
lung von Zusammenhängen als auch die
Bioökonomie.
Screeningverfahren untersucht werden
Vorhersage von Eigenschaften aus in ihrer
können und schließlich Moleküle mit den
Struktur zum Teil völlig unterschiedlichen
Die genetisch determinierte pflanzliche
gewünschten Eigenschaften (z.B. Wirk-
Datensätzen und damit ein besseres Ver-
Entwicklung und ihre Modulation im Kon-
stoffe, Signalträger, Enzyme) selektiert
ständnis des biologischen Systems Pflan-
text einer Anpassung an Umwelt- und
werden. Die Grundlage dafür bildet die
ze. Auf der reduktionistischen Erkenntnis-
Standortbedingungen beruhen auf der
Entwicklung neuer Synthese- und Selek-
ebene bilden detaillierte biochemische
rezeptorvermittelten Perzeption von abio-
tionsprozesse sowie geeigneter Assay-
Untersuchungen der Genprodukte, Struk-
tischen und biotischen Parametern und
und Analyseverfahren, die durch die Visu-
tur-Funktions-Analysen sowie molekulare
auf der Generierung Stimulus-spezifi-
alisierung molekularer Wechselwirkungen
Interaktionsstudien die Voraussetzung für
scher endogener Signale. Der Informa-
mittels Computational Modeling unter-
ein umfassendes molekulares Verständnis
tionsgehalt chemischer Signalträger wird
stützt werden.
Administration and Infrastructure
Christiane Cyron
interpretiert und mittels veränderter Gen-
Die enge Kombination naturstoffchemi-
forschung. Der Einsatz von spezifischen
expressionsmuster in die entsprechen-
scher, biochemischer, molekularbiologi-
Allelen, relevanten Mutanten und transge-
den physiologischen Anpassungsreaktio-
scher, genetischer und zellbiologischer
nen Pflanzen ermöglicht nicht nur die bio-
nen gezielt umgewandelt, die in der Regel
Forschungsansätze ermöglicht eine funk-
logische Analyse der Genfunktion, son-
auf transient und lokal veränderten
tionsbasierte Genidentifizierung sowie
dern auch die Erzeugung von Modellpflan-
Profilen von spezifischen Stoffwechsel-
neue experimentelle Zugänge zur Gen-
zen mit verändertem Naturstoffprofil, neu-
produkten basieren. Für diese Prozesse
funktionsanalyse. Genetische Ansätze in
en gesundheitsrelevanten Inhaltsstoffen
bilden vielfältige molekulare Interaktionen
Modell- und Nutzpflanzen, wie z.B. Muta-
oder verbesserter Anpassung an be-
die Grundlage. Ihre interdisziplinäre
genese, Analyse der natürlichen Variabili-
stimmte Standorte und Umweltsituatio-
Analyse ist deshalb von zentraler Bedeu-
tät oder Methoden der chemischen Gene-
nen. Solche experimentellen Pflanzen sind
tung für das Forschungskonzept des
tik, beschleunigen die Identifizierung un-
als biologische Testsysteme für die Züch-
Institutes. Die Interaktionen von Proteinen
bekannter Gene und informativer Allele
tung ressourcenschonender Nutzpflanzen
mit niedermolekularen Liganden oder
mit essentiellen als auch quantitativ abge-
unverzichtbar und für die nachhaltige Pro-
zwischen Makromolekülen sowie kovalen-
stuften Funktionen im pflanzlichen Stoff-
duktion wertvoller Naturstoffe und Biokata-
te Modifikationen von Proteinen und Nu-
wechsel. Im Gesamtkonzept folgen Trans-
lysatoren von hoher Anwendungsrelevanz.
Human Resources
Finance and Accounting
Purchasing
Information and Documentation
Chemical Store
Technical Equipment and IT Support
Gardening Services
Buildings and Facility Management
Molecular
Signal Processing
Bioorganic
Chemistry
Stress and
Developmental Biology
Cell and
Metabolic Biology
Prof. Steffen Abel
Prof. Dierk Scheel
Prof. Alain Tissier
Nutrient Sensing
Steffen Abel
Natural Products
Norbert Arnold &
Jürgen Schmidt
Molecular Communication in Plant-Pathogen
Interactions
Wolfgang Knogge
Glandular Trichome and
Isoprenoid Biosynthesis
Alain Tissier
Ubiquitination
in Immunity
Marco Trujillo
Defense Metabolism
Selma Gago Zachert &
Steffen Abel
Chemoenzymatics
Ludger Wessjohann &
Wolfgang Brandt
Cellular Signaling
Dierk Scheel &
Justin Lee
Carotenoid Metabolism
& Mycorrhiza
Michael H. Walter &
Alain Tissier
Protein Recognition
and Degradation
Nico Dissmeyer
Signal Integration
Luz Irina Calderón Villalobos
Synthesis
Ludger Wessjohann &
Bernhard Westermann
Induced
Pathogen Defense
Dierk Scheel &
Sabine Rosahl
Jasmonate Function &
Mycorrhiza
Bettina Hause
Auxin Signaling
Marcel Quint
Spectroscopy
Andrea Porzel &
Jürgen Schmidt
Bioinformatics &
Mass Spectrometry
Steffen Neumann
Phenylpropanoid
Metabolism &
Protein Biochemistry
Thomas Vogt
Screening
Norbert Arnold &
Bernhard Westermann
Metabolite Profiling
Dierk Scheel
Synthetic Biology
Sylvestre Marillonnet
der Gen-, Protein- und Metabolitenfunktionen und somit für eine gezielte Wirkstoff-
über zelluläre und systemische Netzwerke
Dr. Henk van Liempt
Computational
Chemistry
Wolfgang Brandt &
Andrea Porzel
Independent
Research Groups
Proteome Analytics
Wolfgang Hoehenwarter
Stand: 07. 10. 2014
13
Leitung und Gremien des Instituts
Geschäftsleitung und Direktorium
Wissenschaftlicher Beirat 2013 - 2014
Prof. Sabine Flitsch
Geschäftsführender Direktor
Vorsitzende des Wissenschaftlichen Beirats (bis Dezember 2013)
Leiter der Abteilung Natur- und Wirkstoffchemie
Manchester Interdisciplinary Biocentre (MIB)
Christiane Cyron
Prof. Andreas Schaller
Administrative Leiterin
Stellvertretender Vorsitzender (bis Dezember 2013)
Leiterin der Abteilung Administration und Infrastruktur
Universität Hohenheim
Prof. Steffen Abel
Prof. Tina Romeis
Leiter der Abteilung Molekulare Signalverarbeitung
Vorsitzende des Wissenschaftlichen Beirats (ab Januar 2014)
Freie Universität Berlin
Prof. Dierk Scheel
Leiter der Abteilung Stress- und Entwicklungsbiologie
Stellvertretender Vorsitzender (ab Januar 2014)
Prof. Alain Tissier
Universität Bielefeld
Leiter der Abteilung Stoffwechsel- und Zellbiologie
Prof. Axel Brakhage
Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie e.V. Hans-Knöll-Institut (HKI), Jena
Stiftungsrat
Ministerialrat Thomas Reitmann
Vorsitzender des Stiftungsrats
Ministerium für Wissenschaft und Wirtschaft des Landes Sachsen-Anhalt
Prof. François Buscot
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH (UFZ), Halle
Prof. Jonathan Gershenzon (bis Dezember 2013)
Max-Planck-Institut für Chemische Ökologie, Jena
Dr. Henk van Liempt
Stellvertretender Vorsitzender, Vertreter des Bundes
Prof. Bernhard Hauer
Bundesministerium für Bildung und Forschung
Universität Stuttgart
Gisela Liepelt
Prof. Thisbe Lindhorst
Ministerium für Wissenschaft und Wirtschaft des Landes Sachsen-Anhalt
Universität Kiel
Prof. Birgit Dräger
Prof. Rainer Metternich (bis Dezember 2013)
Prorektorin für Struktur und Finanzen der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
Small Molecule Research (SMR), Basel, Scjweiz
Vertreterin des Rektors
Prof. Michael Metzlaff
Prof. Sabine Flitsch
Bayer AG, Leverkusen
Vorsitzende des Wissenschaftlichen Beirats (bis Dezember 2013)
Prof. Martin Parniske
Prof. Andreas Schaller
Universität München (LMU)
Stellvertretender Vorsitzender des Wissenschaftlichen Beirats (bis Dezember 2013)
Prof. Dorothea Tholl
Prof. Tina Romeis
Virginia Tech, Blacksburg, USA
Vorsitzende des Wissenschaftlichen Beirats
Prof. Nicolaus von Wirén
Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK), Gatersleben
Stellvertretender Vorsitzender des Wissenschaftlichen Beirats
14
15
Department of Molecular Signal Processing
Abteilung Molekulare Signalverarbeitung
Head: Professor Steffen Abel
Leiter: Professor Steffen Abel
Secretary: Alexandra Herrmann
Sekretariat: Alexandra Herrmann
he unifying theme of our department is to understand how
T
characterization of UGT74 glucosyltransferases and on the iden-
plants perceive and respond to environmental change, a
tification of regulatory genes of the glucosinolate pathway. Since
as übergreifende Forschungsthema unserer Abteilung
sense long non-coding RNAs (NAT-lncRNAs) in den Mittelpunkt
Umweltbedingungen reagieren und sich optimal anpas-
dieser AG gerückt (Projektgruppe RNA Biology).
ted control of gene expression, in particular of multigene fami-
D
besondere von Multigenfamilien, durch sogenannte natural anti-
besteht darin, zu ergründen, wie Pflanzen auf veränderte
topic of heightened importance for basic and translational
the departure of Dr. Grubb in fall 2013, research on RNA-media-
plant research. Plants evolved to masters of resilience as a con-
sen. Diese Thematik ist von hohem Interesse für die Grundlagen-
sequence of their sessile lifestyle and implement unique adap-
lies, by natural antisense long non-coding RNAs (project group
forschung sowie die angewandten Pflanzenwissenschaften. Als
Schwerpunkt der AG Signalintegration bildeten die Mechanis-
tive strategies for survival. They respond to local challenge or
on RNA biology) has become a major thrust of this working group.
Konsequenz ihrer Sessilität haben Pflanzen sich zu Spezialisten
men der Perzeption kleiner Signalmoleküle über ternäre Ligand-
der Anpassung und Widerstandsfähigkeit entwickelt. So rea-
Korezeptor-Komplexe. Die Bildung solcher Komplexe wird über
opportunity with directional growth for stress evasion or habitat
exploration, and with the synthesis of bioactive chemicals for
The Signal Integration group studied the mechanisms of how
gieren diese auf lokale Veränderungen mit gerichtetem Wachs-
unterschiedliche Signalwege gesteuert und führt zur kontrollier-
communication and self-defense. An array of chemical media-
small molecules are perceived via the assembly of ternary ligand
tum, um günstigere Areale zu erreichen oder unvorteilhafte Be-
ten, ubiquitinabhängigen Proteolyse spezifischer Zielproteine,
tors and their processing networks govern post-embryonic plant
co-receptor complexes. Such complexes integrate multiple sig-
dingungen zu meiden. Darüber hinaus reagieren Pflanzen mit
die oft als Regulatoren der Genexpression fungieren. Ausgangs-
development and fine-tune plant growth and metabolism as in-
naling inputs and subsequently control ubiquitin-mediated de-
einer profunden Anpassung ihres Stoffwechsels, um chemisch
punkt für diese Arbeiten sind Struktur-Funktions-Analysen des F-
formed by local cues. We
gradation of select target
effizienter zu kommunizieren und sich wirksamer gegen Fraß-
Box-Protein (TIR1/AFB)-Auxin-AUX/IAA-Korezeptorsystems, wel-
are interested in exploring
proteins, which often are
feinde oder Krankheitserreger zu schützen. Pflanzliche Reaktio-
ches die Auxin-abhängige Genexpression über den Abbau von
how plants monitor and
key regulators of primary
nen auf die Umwelt werden oft über die Einbindung hormonaler
AUX/IAA-Repressoren reguliert.
perceive external parame-
gene expression. The stu-
Module der Signaltransduktion gesteuert und auf zellulärer und
ters, transmit and inte-
dy of structure-function re-
organismischer Ebene realisiert. Das Hauptinteresse der Abtei-
Die AG Auxin-Signaltransduktion verfolgte zwei Forschungs-
grate information about
lationships of F-Box pro-
lung besteht in der prinzipiellen Fragestellung, wie Pflanzen
richtungen. Genetische Arbeiten über Auxin-regulierte Sig-
their surroundings, and
tein (TIR1/AFB):auxin:AUX/
abiotische und biotische Parameter wahrnehmen, den Informa-
nalnetzwerke der vergangenen Jahre wurden um Studien erwei-
deploy appropriate meta-
IAA co-receptor complexes
tionsgehalt dieser interpretieren und über biochemische Signal-
tert, welche die molekularen Anpassungsmechanismen von Mo-
bolic and developmental
has been used as a para-
wege prozessieren, um adäquat auf Umweltveränderungen mit
dell- und Nutzpflanzen an moderat erhöhte Umgebungstempe-
responses to shifting abi-
digm and starting point
spezifischer Anpassung ihres Stoffwechsels sowie Wachstums-
raturen untersuchen (Projektgruppe Temperatur Sensing). Wei-
otic conditions and co-
for this line of investiga-
verhaltens reagieren zu können. Dieses Ziel wurde während der
tere Arbeiten in einem zweiten Schwerpunkt haben umfassende
evolving biotic stressors
tion.
vergangenen zwei Jahre in vier Arbeitsgruppen und assoziierten
Datensätze aus phylogenetischen Studien und globalen Genex-
Projektgruppen interaktiv verfolgt. Besondere Schwerpunkte
pressionanalysen kombiniert, um in einem Phylotranscriptomics-
for optimal growth. During
the past two years, we pur-
Research interests of the
bildeten Untersuchungen zu Mechanismen der Perzeption von
Ansatz komplexe molekulare Entwicklungsprozesse, wie z. B. die
sued this common goal in
Auxin Signaling group
abiotischen Faktoren, wie z.B. Nährstoffverfügbarkeit oder Erhö-
Embryogenese, aus einer Evolutionsperspektive zu beschreiben
four research groups and
pursued two lines of inves-
hung der Umgebungstemperatur, zur Organisation und Regula-
(Projektgruppe Phylotranscriptomics).
associated project groups.
tigation. Recent work on
tion des Abwehrstoffwechsels, sowie zur Signalintegration in der
Major directions of re-
auxin-regulated signaling
pflanzlichen Hormonwirkung. Chemische Wechselwirkungen
Höhepunkte der Abteilung MSV (2013-2014): Marcel Quint
search comprised three
pathways has given way to
zwischen Wurzelsystem und Rhizosphäre bildeten einen weite-
(Auxin-Signaltransduktion) wurde Ende 2014 zum Universitäts-
integrated program areas:
the exploration of how
ren Fokus.
Professor (W3) an die Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
(i) perception of environ-
plants sense and adapt to
small ambient temperature changes (project group on tempera-
Die AG Nährstoffperzeption untersuchte, wie die biologische
einem Projekt in die letzte vierjährige Förderungsphase des SFB
differentials; (ii) reprogramming of metabolism in response to
ture sensing). As a second research focus, the establishment of
Verfügbarkeit von Nährstoffen, insbesondere von Phosphat und
648 aufgenommen. Selma Gago Zachert (Abwehrstoffwechsel)
biotic challenge; and (iii) signal integration during the perception
phylotranscriptomic approaches in Arabidopsis has successfully
Eisen, die Wurzelentwicklung lokal über die Zellteilung und -dif-
wurde als neue Projektleiterin in den GRK 1594 aufgenommen.
of small molecules, with an emphasis on plant-rhizosphere inter-
been employed to understand complex molecular processes in
ferenzierung in den Meristemen sowie über die Ausscheidung
Luz Irina Calderón Villalobos wurde für das Young Leaders in
actions.
an evolutionary context, such as plant embryogenesis and other
von niedermolekularen Exsudaten in die Rhizosphäre beinflusst
Science Mentoring-Program der Schering Foundation ausge-
major transitions during plant development (project group on
(Projektgruppen Phosphat Sensing und Metabolit Profiling). Die
wählt. Carolin Delker und Selma Gago Zachert hatten sich erfolg-
phylotranscriptomics).
Projektgruppe Calcium Sensing bearbeitete eine neue Klasse
reich für das Leibniz-Mentoring-Program für junge Wissenschaft-
calmodulin-regulierter Proteine, die an Mikrotubuli binden und
lerinnen beworben.
The Nutrient Sensing group investigated how bioavailabilities of
immobile nutrients, in particular phosphate and iron, inform root
16
berufen. Katharina Bürstenbinder (Calcium Sensing) wurde mit
mental parameters such as nutrient availability or temperature
development via altered root meristem activity and modify chem-
Departmental Highlights (2013-2014): In fall 2014, Marcel Quint
als sogenannte Plattform-Proteine zelluläre Transportprozesse
ical interactions in the rhizosphere via root exudates (project
(Auxin Signaling) was offered the position University Professor
steuern und verschiedene Signalwege integrieren.
groups on phosphate sensing and metabolite profiling). The as-
(W3) at the Martin Luther University Halle-Wittenberg. Katharina
sociated project group on calcium sensing studied a novel class
Bürstenbinder (Calcium Sensing) joined the SFB 648 during its fi-
Die AG Abwehrstoffwechsel widmete sich der Biosynthese von
of calmodulin-regulated and microtubule-associated proteins that
nal funding cycle. Selma Gago Zachert (Defense Metabolism) joined
Abwehrmetaboliten (Glukosinolate) und deren Regulation in Ara-
function as scaffolds in cellular signaling and trafficking.
the GRK 1594 as a full member. Luz Irina Calderón Villalobos (Sig-
bidopsis. Hierbei haben sich die Arbeiten auf die Charakteri-
nal Integration) was elected into the Young Leaders in Science
sierung von UGT74 Glukosyltransferasen und die Identifizierung
Activities of the research group Defense Metabolism centered
Management Program (Schering Foundation). Carolin Delker and
von regulatorischen Genen des Glukosinolatbiosyntheseweges
on the biosynthesis and regulation of defense compounds (glu-
Selma Gago Zachert were admitted into the Leibniz-Mentoring
konzentriert. Seit dem Weggang von Dr. Grubb im Herbst 2013,
cosinolates) in Arabidopsis. Research activities focused on the
Program.
sind Forschungsarbeiten zur Regulation der Genexpression, ins-
17
Collaborators
Henrik Buschmann
University of Osnabrück, Germany
Thierry Desnos, Laurent Nussaume
CEA Cadarache, France
Geert De Jaeger
VIB-University of Ghent, Belgium
Christiane Gatz, Volker Lipka
Nutrient Sensing
movement of the SHORT-ROOT (SHR)
Fe availability. The analysis of endoge-
University of Göttingen, Germany
transcription factor. Thus, antagonistic in-
nous and exuded organic acids also sug-
Gerd Hause
teractions of Pi and Fe availability adjust
gests their contribution to cell specific Fe
University of Halle, Germany
Head: Steffen Abel
primary root growth rate via meristem-
deposition after Pi deprivation.
Katie L. Moore
specific callose deposition, which is likely
Our group pursues two directions of re-
triggered by LPR1-dependent ROS forma-
Calcium Sensing
tion and redox signaling (Fig. 2).
Calcium is a general second messenger
bules. Our extensive reverse genetic ana-
search. First, we wish to understand how
in plants. Generation of stimulus-depen-
lysis of the entire IQD gene family sug-
interactions of two immobile mineral nu-
dent Ca2+ signatures, decoding of the en-
gests roles for the control of plant deve-
2+
trients, phosphate and iron, inform root
crypted information by Ca sensors such
lopment and stress responses. We further
development via adjusting root meristem
as calmodulin (CaM), and specific cellular
showed that CaM binding and, with a few
activity and chemically modify the rhizo-
responses are integral signal transduction
exceptions, microtubule association as
sphere via altered root exudation. A se-
modules. We previously identified a novel
well as nuclear targeting are general pro-
cond focus investigates the functions of a
class of 33 CaM-binding proteins in Arabi-
perties of IQD proteins. Likewise, mem-
novel class of proteins that link intracellu-
dopsis, which are characterized by a
bers of distinct phylogenetic clades of the
lar calcium sensing to microtubule-asso-
plant-specific domain of multiple CaM re-
Arabidopsis IQD family interact with
ciated processes.
cruitment motifs, called IQ67 domain
KLCR1 and other KLCRs. The prospect ari-
(IQD). A detailed analysis of the founding
ses that IQD proteins provide an assort-
Phosphate Sensing
member, IQD1, which we identified in a
ment of microtubule-associated scaffolds
Inorganic phosphate (Pi) constitutes a
screen for altered glucosinolate accumu-
that integrate signaling pathways (Ca2+-
major nexus in metabolism, and its avail-
lation, confirmed IQ67-dependent CaM
dependent CaM binding, multiple phos-
interaction and revealed subcellular loca-
phorylation events) to regulate transport
lization to the cell nucleus (including nu-
of specific cargo along microtubule tracks
cleolus) and cytoskeleton (microtubules).
via kinesin motor proteins. Because IQD1
Fig. 2: Model of local Pi sensing in
the Arabidopsis root meristem. The
ability directly impacts bioenergetics and
plant performance. Pi immobility and re-
PDR2-LPR1 module regulates Pi- and
Fe-dependent ROS formation and
sultant Pi limitation are caused by complex soil chemistries involving Fe and other
transition metals. To cope with low Pi availability, plants activate a set of adaptive
responses that reprioritize internal Pi allocation and maximize external Pi acquisition. Such countermeasures include re-
Fig. 1: Redesign of Arabidopsis root system architecture in response to Pi
limitation.
callose deposition in the stem cell
niche, which impacts symplastic
A yeast two-hybrid screen identified kine-
interacts with nucleic acids, IQD proteins
sin light chain-related 1 (KLCR1) as an in-
may further facilitate subcellular RNA lo-
communication (e.g., SHR movement).
teractor, which we confirmed in planta by
calization as one mechanism to control
IQD1-dependent recruitment to microtu-
gene expression (Fig. 3).
Metabolite Profiling
programming of metabolism to maintain
Pi homeostasis and redesigning of root
sory mechanisms monitoring external Pi
players in local Pi sensing and functionally
Within the collaborative network Chemi-
system architecture to accelerate soil ex-
and interpreting the environmental signal
interact to adjust root meristem mainte-
cal Communication in the Rhizosphere,
ploration. When challenged by low Pi,
in Pi rescue efforts remain to be explored.
nance to Pi availability. While PDR2 en-
we developed several targeted and untar-
codes the single orphan P5-type ATPase,
geted profiling methods for polar and
plants attenuate primary root extension,
promote lateral root development, and
We have taken genetic approaches in Ara-
we demonstrated that LPR1 encodes a
apolar metabolites using GC-MS and LC-
stimulate root hair formation, which are
bidopsis to dissect Pi sensing and identi-
cell wall-targeted ferroxidase. The PDR2-
MS to monitor changes in the chemical
thought to maximize Pi interception in
fied a set of Pi-DEFICIENCY RESPONSE
LPR1 module mediates cell-specific Fe de-
composition of root exudates and roots.
topsoil (Fig. 1). We and others showed that
genes (PDR1-PDR4), which we character-
position in cell walls of the apical root me-
We observed profound genotype depen-
external Pi status is sensed at root tips to
ized together with two LOW-Pi-ROOT genes
ristem. Fe accumulation coincides with
dent chemical alterations in exudate and
locally adjust root growth. While the phy-
(LPR1, LPR2) previously isolated by our
sites of callose deposition, which interferes
root composition upon Pi deprivation.
siological and biochemical responses to
collaborators (T. Desnos / L. Nussaume).
with symplastic communication in the
These changes primarily affect couma-
Pi limitation are well understood, the sen-
We showed that PDR2 and LPR1 are key
stem cell niche, as indicated by impaired
rines, which might be involved in cell specific Fe accumulation as these com-
Fig. 3: Model of IQD1 function as a scaffold protein in cellular signaling and trafficking.
pounds play important roles in controlling
Group Members
Laura Bertermann
Stefanie Kümmel
Paul Pflug
Janine Teller
Research Assistant
Bachelor Student
PhD Student
Master Student
Katharina Bürstenbinder
Pratibha Kumari
Romina Plötner
Domenika Thieme
Postdoctoral Scientist
PhD Student
Bachelor & Master Student
Technician
Ranju Chutia
Dipannita Mitra
Jakob Quegwer
Theresa Toev
PhD Student & Scholarship Holder
Master & PhD Student
PhD Student
Kristin Eismann
Jens Müller
Anne Rehkamp
Annika Wieghaus
Technician
Bachelor Student
Master Student
Marcus Heisters
Birgit Ortel
Ahmed Romel
Jörg Ziegler
PhD Student
Technician
PhD Student
Anshu Khatri
Sophie Perthel
Gina Stamm
Master Student
Master Student
Technician
18
University of Oxford
ie physikochemischen Eigenschaften von Phosphat (Pi) schränken dessen biologische Verfügbarkeit für Pflanzen im
Boden erheblich ein. Pflanzen reagieren auf Pi-Mangel mit einer Umprogrammierung des Stoffwechsels und Anpas-
D
sung der Wurzelsystemarchitektur, um Pi-Ressourcen effizienter zu nutzen und zu erschliessen. Wir identifizierten
erste molekulare Komponenten eines Pi-abhängigen Signalweges in Arabidopsis, der die Aktivität von Wurzelmeristemen an
die lokale Pi-Verfügbarkeit anpasst. Ein wichtiges Modul in diesem Prozess bilden eine ER-lokalisierte P5-ATPase und sekretierte Ferroxidase. Diese regulieren die interzelluläre Kommunikation durch Plasmodesmata in der Stammzellnische der
Wurzel über eine Pi- und Fe-abhängige, zellspezifische Bildung von Callose und somit das Wurzelwachstum. Weitere genetische und biochemische Arbeiten widmeten sich der funktionellen Charakterisierung von calmodulin-bindenden PlattformProteinen, die mit dem Zytoskelett (Mikrotubuli) assoziiert sind.
19
Defense Metabolism
tent and composition (gcc). A screen of T-
Heads: Selma Gago Zachert & Steffen Abel
identification of IQD1 (see page 19). Re-
DNA activation-tagged lines led to the
cently, we identified the GCC8 locus,
which is a major modifier of glucosinolate
accumulation because gcc8 loss-of-func-
Two directions of research are at the cen-
tion alleles reduces total glucosinolate
ter of our group. First, we have a long-
content to less than 15% of wild type levels.
standing interest in glucosinolate metabolism and its control. Second, inspired
RNA Biology
by the identification of genes encoding
We are interested in the role of natural an-
natural antisense long non-coding RNAs,
tisense, long (>200 nt) non-coding RNAs
which overlap with genes involved in glu-
(NAT-lncRNAs) in gene expression control.
cosinolate biosynthesis and its regulation,
The production of complementary RNAs
we initiated research to explore the role of
during the transcription of opposite genes
regulatory RNAs in gene expression.
produces dsRNA, which induces the silencing machinery and production of
Fig. 2: NAT-lncRNAs and nat-siRNAs regulate gene expression in transient expression assays (tobacco leaves). (a) Expression of N-terminal GFP-tagged UGT73C6. The construct of the primary
target was co-expressed with an unrelated sequence (λ DNA sequence, left) or with the NATlncRNA (NAT1-UGT73C6, right). (b) Expression of N-terminal YFP-tagged UGT73C5. The construct of the secondary target was co-expressed with an unrelated sequence (λ DNA sequence,
left) or with the NAT-lncRNA (NAT1-UGT73C6, right). (c) Expression of N-terminal GFP-tagged
UGT74E2. The construct expressing the secondary target was co-expressed with the primary
Glucosinolate Metabolism
small RNAs. Such nat-siRNAs derived
Glucosinolates are a small class of amino
from overlapping regions of protein-cod-
acid-derived secondary metabolites (>100
ing transcripts are involved in salt-stress
compounds) with a central role in the de-
response, defense against bacteria, hor-
fense of cruciferous plants against pests
mone regulation and plant reproduction.
and pathogens, including the model plant
We identified several NAT-lncRNA encod-
which we also observed for highly similar
mic extracts of evacuolated tobacco BY2
Arabidopsis thaliana. We continued sev-
ing genes that overlap with members of
secondary target genes (Fig. 2). To obtain
protoplasts. We expect to identify Dicer
eral lines of investigation to expand our
Arabidopsis multigene families, including
information about the cellular processes
and AGO proteins involved in dsRNA pro-
work on glucosinolate biosynthesis and
the Family 1 UGTs, the IQD family of cal-
that are regulated by NAT-lncRNAs, we
cessing and RISC-mediated cleavage of
its regulation. We previously demon-
modulin-binding proteins (see page 19),
established stable Arabidopsis lines to
target RNAs, respectively. Additionally,
strated that glucosyltransferase UGT74B1
and the families of Auxin Response Fac-
study the phenotypic effects of 35S::NAT-
this system will allow us to identify siRNA
is the major enzyme catalyzing the penul-
tors (ARFs) and AUX/IAA proteins. Given
lncRNA overexpression or NAT-lncRNA
that mediate efficient target down-regula-
timate step in glucosinolate biosynthesis.
the sequence conservation among family
down-regulation by artificial micro RNAs
tion. Our findings will be validated in vivo
Structure-function analysis of recombi-
members, NAT-lncRNAs may regulate not
(amiRNAs) that specifically target the se-
using available silencing mutants of A.
nant mutant UGT74B1 variants revealed a
only the expression of overlapping genes
lected NAT-lncRNA. To obtain information
thaliana.
general kinetic mechanism by which this
(primary targets) but also the expression
about spatio-temporal expression pat-
enzyme escapes product inhibition, which
of closely related genes (secondary tar-
terns, we generated transgenic Arabidop-
is observed both in vitro and in vivo.
gets). Additionally, NAT-lncRNAs may con-
sis lines harbouring NAT-lncRNA promot-
Collaborators
trol gene expression by direct interaction
er::GUS reporter constructs and com-
José M. Alonso
Ricardo Flores Pedauyé
Because ugt74b1 loss-of-function lines ac-
with factors involved in chromatin modifi-
pared patterns of NAT-lncRNA expression
cumulate significant quantities of both in-
cation and epigenetic silencing.
with the expression of potential primary
North Carolina State
University, USA
Polytechnic University of
Valencia, Spain
Sven Behrens,
Milton Stubbs
John M. McDowell
dolylic and aliphatic glucosinolates (~50%),
vitro activity screen of recombinant Arabi-
signal.
and secondary target genes.
we conducted a nearly comprehensive in
dopsis Family 1 UGTs, which implicated
target construct (35S::UGT74D1) together with an unrelated sequence (λ DNA sequence, left) or
with the NAT-lncRNA (NAT-UGT74D1, right). Down-regulation is visualized as a decreased GFP
We initiated studies to address the role of
Fig. 1: Morphological phenotypes of UGT74 knock-out alleles in the ugt74b1 null
background.
other members of the UGT74 clade as
candidate glucosyltransferases in glucosi-
synthesis, which therefore points a role of
nolate synthesis. Systematic genetic and
yet additional UGTs in the pathway. Inte-
biochemical analysis of this clade re-
restingly, loss of UGT74B1 and UGT74C1
We previously conducted several forward
vealed that UGT74C1 plays a special role
causes seedling lethality, presumably due
genetic screens to isolate Arabidopsis
in the aliphatic branch of glucosinolate
to auxin overproduction and/or accumu-
mutants with altered glucosinolate con-
lation of toxic intermediates (Fig. 1).
Virginia Polytechnic Institute
and State University, USA
NAT-lncRNAs in planta and performed
We are collaborating with the group of
Christian Breuer
M. Soledade C. Pedras
transient expression assays in tobacco
Prof. Sven-Eric Behrens (University of Hal-
University of Saskatchewan,
Canada
leaves. As expected, co-expression of
le) to investigate the mechanisms of NAT-
University of Cologne,
Germany
NAT-lncRNA constructs and target genes
lncRNA mediated regulation of gene ex-
encoding GFP-tagged proteins induces
pression. We are using the recently estab-
down-regulation of the primary targets,
lished experimental system of cytoplas-
Paula Duque
Gulbenkian Institute of
Science, Portugal
ie Forschungsgruppe Abwehrstoffwechsel befasste sich mit zwei Themenkomplexen. Wir haben erfogreich unsere
Arbeiten zur Glukosinolatbiosynthese und dessen Regulation fortgesetzt. Hierbei fokussierten wir uns auf den vor-
D
Group Members
Katja Baumann-Kaschig
Michael André Fritz
Kalidoss Ramamoorthy
Mathias Schuppe
Technician
Master Student
PhD Student
Master Student
Tebbe de Vries
Susanne Höpfner
Claudia Schramm
Katja Seidel
Bachelor Student
Guest Scientist
Master Student
Kristin Eismann
Shiv Kumar Meena
Melvin Schubert
Technician
Bachelor & Master Student
20
letzten Schritt des Biosyntheseweges, der durch Glukosyltransferasen katalysiert wird. Das kinetische Verhalten des
von uns identifizierten Enyzms UGT74B1 wurde über Struktur-Funktions-Analysen detailliert untersucht. Des weiteren haben
wir eine zweite Glukosyltransferase in der Glukosinolatbiosynthese, UGT74C1, identifiziert und eingehend analysiert. Ein genetischer Ansatz führte zur molekularen Identifizierung des GCC8-Locus, der für die allgemeine Glukosinolatakkumulation
bedeutend ist. Das zweite Hauptprojekt untersucht die Rolle von sogennanten natural antisense long non-coding RNAs für
die Regulation der Genexpression ausgewählter Multigenfamilien. Erste Ergebnisse wurden für verschiedene Mitglieder der
Family 1 UGT Glukosyltransferasen erzielt.
21
Collaborators
Jochen Balbach, Ingo Heilmann,
Milton Stubbs
Mark Estelle
Signal Integration
University of California, USA
Jürgen Kleine-Vehn
Head: Luz Irina A. Calderón Villalobos
Our general research plan is designed to
address small molecule–mediated ubiqui-
characterize small molecule perception
tylation.
through protein stability mechanisms,
University of Natural Resources and Life
Sciences, Vienna, Austria
Jennifer Nemhauser, Ningh Zheng
University of Washington, USA
and, in the long term, to uncover roles for
Dr. Luz Irina A. Calderón Villalobos is a fel-
The Signal Integration Group is interested
small molecule interactions in specific
low of the Young Leaders in Science,
Umeå University, Sweden
in the mechanism of small molecule per-
plant responses and developmental
Management Program from the Ernst
Matias Zurbriggen
events. To evaluate the mechanisms of
Schering Foundation, Germany (2014/
University of Freiburg, Germany
FBP-target systems, we are deepening
2015).
ception in plants that depends on signalmediated interactions followed by ubiquitin-mediated protein degradation.
An ultimate cellular switching on/off mechanism comprises the irreversible ubiquitin-mediated proteolysis of proteins,
which guides numerous unidirectionally
processes, such as hormone signaling,
cell cycle or circadian rhythm. An E1-E2E3 enzymatic cascade, mediates the formation of ubiquitin chains covalently attached to targets for degradation. Ubiquitin chains of four or more moieties, linked
through either Lys48 or Lys11 of ubiquitin,
direct protein targets to the proteasome,
in which degradation of ubiquitylated
proteins takes place. Multiple monoubiquitins and other, non-Lys-linked ubiquitin
chains have also been implicated in protein degradation, and the study of alternative degradation signals is a rapidly ad-
A
Fig. 1: A small
molecule enhancing protein-protein interactions
for subsequent ubiquitylation and
degradation of targets.
A. Auxin binding
pocket zoom in
depicts the empty
groove during
basal interactions
of the FBP TIR1 and
the degron of its
target for degradation AUX/IAA.
Stéphanie Robert
our biochemical studies of the auxin receptor. Specifically, we are combining
proteomics with biophysics, protein biochemistry together with structure-function analyses to elucidate the dynamics of
receptor assembly and ubiquitination of
targets. Thus, we have recently identified
key features in the degradation targets
B
that modulate the sensing properties of
the hormone co-receptors. By reconstituting SCF-dependent ubiquitination of
targets, we are also integrating informa-
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tion on protein-small molecule binding,
complex formation dynamics and turnover of targets to rebuild the initial steps of
the auxin signaling cascade. Furthermore,
B. Auxin acts as
molecular glue filling the gap between TIR1 and the
degron of targets.
as phosphoinositides have been shown to
constitute FBPs structural cofactors, we
are addressing their role on degron recognition and hormone sensing.
vancing field. It is estimated that >80% of
cellular proteins undergo ubiquitin-mediated proteolysis, and the specific selection of targets by E3 ubiquitin ligases in
response to specific stimuli is a crucial
factor in cell regulation. Modular E3s from
C. Model for auxin
co-receptor formation and target
poly-ubiquitylation
and degradation.
With our research on small molecule coreceptors in plant biology, we envision
moving from a reductionist approach to
C
establishing a platform for a systematic
analysis of how intracellular signals are
the Cullin-RING ligase (CRL) type, specifi-
perceived and processed by the ubiquitin
cally SCFs, carry an interchangeable Fare subject to specific and global regula-
ceptor system. Since they belong to mul-
tended our international and local coope-
and directly interacts with the target for
tion, their critical tuning occurs at the
ti-protein families, distinct TIR1/AFB-
ration network, and we are part of the Eu-
degradation. Although SCF complexes
level of target recruitment.
AUX/IAA co-receptor pairs can form vari-
ropean COST Proteostasis Initiative. Addi-
ous auxin sensors differentially perceptive
tionally, we collaborate successfully with
Auxin is a morphogen in plants, and auxin
to auxin. An inositol phosphate (InsP6)
the proteomics platform, and chemical
Group Members
perception and signaling are absolutely
molecule was interestingly also identified
and physics groups at the IPB and MLU to
Gideon Christ
dependent on ubiquitin-mediated prote-
near the TIR1-auxin-AUX/IAA interface ap-
Bachelor Student
olysis. TIR1/AFBs F-Box Proteins catalyze
parently contributing as cofactor for pro-
Dinesh Dhurvas Chandrasekaran
the turnover of AUX/IAAs in response to
per hormone perception.
auxin. AUX/IAAs carry an auxin-interact-
Samuel Grimm
ing degron domain, and directly repress
An FBP-target module for perception of
transcription factors such that auxin-de-
small molecules has a tremendous im-
PhD Student
pendent degradation of AUX/IAAs allows
pact on our understanding of how to
Esmeralda Martí Sanchis
transcriptional activation of auxin respon-
modulate protein-protein interactions.
Research Assistant
sive genes. Groundbreaking findings
The fact that FBPs can respond to signals
Annabel Josephine Wanka
around the mechanism for TIR1-AUX/IAA
to recruit targets, specifically through a
Student Assistant
interaction constitute the basis for the
combination of degrons and non-peptide
Verona Wilde
Signal Integration Group. We revealed
hormones or small molecules is fascinat-
that TIR1/AFB1-5 and their targets for de-
ing and its potential has yet to be fully
gradation, AUX/IAAs, form an auxin co-re-
realized.
Bachelor Student
Antje Hellmuth
Technician
Martin Winkler
Master Student
22
proteasome system. Thereby, we have ex-
Box protein (FBP) subunit that precisely
Fig. 2: Modular Aux/IAAs transcriptional repressors are regulated via ubiquitylation and degradation through a canonical degron (yellow and sequence
logo) and influenced by degron flanking regions. DIII-IV is essential for oligomerization and our structural-functional analyses unraveled a β-grasp fold
(PDB 2M1M, cyan and magenta)
ie AG Signalintegration untersucht einen bemerkenswerten Mechanismus der Perzeption kleiner Moleküle in Pflanzen,
der erstmals mit der Strukturaufklärung des Auxinrezeptors entdeckt wurde und potenziell weit verbreitet ist. Dieser
Mechanismus beruht auf signalvermittelten Interaktionen, denen gezielter Proteinabbau folgt.
D
In eukaryotischen Zellen wird das abzubauende Zielprotein selektiv mit einer Polyubiquitinkette für den proteasomalen Abbau markiert. Den E3-Ligasen vom SCF-Typ verleiht das F-Box-Protein (FBP) durch direkte Interaktion mit dem Zielprotein Spezifität. Die
Mehrzahl der etwa 700 FBPs in Arabidopsis ist noch nicht funktionell charakterisiert. Zudem kodieren etwa 5% des ArabidopsisGenoms Komponenten des Ubiquitin-Proteasom-Systems (UPS), wobei Mutationen in Elementen des UPS die pflanzliche Entwicklung beeinträchtigen. Unsere Forschung konzentriert sich darauf, sowohl die Kontrollmechanismen der Proteinstabilität, als auch
FBP-Protein-Interaktionen und Interaktionen von FBP mit niedermolekularen Liganden und ihren Interaktionsnetzwerken zu untersuchen, um schließlich ihre Rolle in physiologischen Prozessen und in der pflanzlichen Entwicklung zu verstehen.
23
Auxin Signaling
transcriptomics and phylogenetics, for
Head: Marcel Quint
whole genome transcriptional informa-
Collaborators
tion to address evolutionary questions.
Leonie Bentsink, Wilco Lighterink
Korbinian Schneeberger
As a proof-of-concept, we applied this
Wageningen University, Netherlands
MPI for Plant Breeding Research, Cologne, Germany
approach to a transcriptional series that
Seth Davis
Bernd Weisshaar
University of York, Great Britain
University of Bielefeld, Germany
William M. Gray
Frank Wellmer
University of Minnesota, USA
University of Dublin,Trinity College, Irland
Ivo Grosse, Klaus Pillen
Gane Ka-Shu Wong
University of Alberta, Canada
plant genomes. We are now able to use
Our group has two general areas of
controlling expression of the basic-helix-
netics enabled us to clone and transge-
covers A. thaliana embryogenesis from
interest: Plant growth and development
loop-helix transcription factor PHYTO-
nically complement a quantitative trait
the zygote to the mature embryo a few
and molecular evolution. The current
CHROME INTERACTING FACTOR 4 (PIF4).
locus for thermomorphogenesis in A.
years ago. We found that, from an evolu-
projects address either one of these as-
The downstream mechanisms through
thaliana seedlings. We found that a sin-
tionary perspective, the transcriptomes
pects separately or try to combine deve-
which PIF4 regulates ambient tempera-
gle nucleotide polymorphism in the cir-
of early and late embryonic stages are
Stefan Rensing
Martijn van Zanten
Utrecht University, Netherlands
lopment and evolution using Evo-Devo
ture signaling are beginning to emerge.
cadian clock regulator EARLY FLOWER-
dominated by ancient genes, whereas
approaches.
Although other hormones play impor-
ING 3 causes phenotypic variation be-
transcriptomes in mid-embryogenesis
tant roles, PIF4-mediated activation of
tween two natural accessions, resulting
were rather young. Surprisingly, this
In terms of plant growth and develop-
auxin responses is central to increased
in differential expression of PIF4 and its
phylotranscriptomic profile resembles
plant kingdom. We are currently trying to
evolutionary relic. Furthermore, investiga-
ment, our research interest has shifted in
elongation growth. In contrast, upstream
target genes, likely causing the ob-
an hourglass pattern, reminiscent of the
understand whether phylotranscriptomic
tion of phylotranscriptomic patterns in
recent years from auxin signaling to am-
elements of the pathway are poorly un-
served natural variation in thermore-
developmental hourglass (Fig. 3). This
hourglass patterns are functional and ac-
plant post-embryonic development indi-
bient temperature signaling (Fig. 1). With-
derstood, in particular, temperature sens-
sponsive growth.
classic concept from the animal world
tively maintained in extant species or
cates significant differences between
in the context of globally increasing
ing and the mechanism(s) by which tem-
had previously not been observed in the
whether they represent a nonfunctional
plant and animal hourglass patterns.
ambient temperatures, it is imperative to
perature influences PIF4 activity. Thus,
Together, our findings demonstrate that
improve our understanding of the basic
the identification of signaling compo-
two of the most prevalent environmental
processes plants employ to react and
nents upstream of PIF4 is in the focus of
cues, light and temperature, share a
adapt to environmental perturbations.
our research interests.
much larger set of signaling components
Consistent with the term photomorpho-
than previously assumed. Similar to the
genesis, thermomorphogenesis describes
We investigate this process by forward
toolbox concept in animal embryonic pat-
the effect of ambient temperature on
genetic approaches, namely quantita-
terning, multipurpose signaling modules
plant morphogenesis. Hypocotyl elonga-
tive trait locus analysis and mutagenesis.
might have evolved in plants to translate
tion and increased leaf epinasty are
Based on a mutant screen in Arabidopsis
various environmental stimuli into adapta-
among the earliest thermomorphogenic
thaliana, we were able to show that the
tional growth processes (Fig. 2).
changes in response to elevated temper-
DE-ETIOLATED 1 - CONSTITUTIVE PHOTO-
atures. Physiologically, these coordinated
MORPHOGENIC 1 - ELONGATED HYPOCO-
In terms of Evo-Devo, for many years we
responses likely enhance evaporative leaf
TYL 5 - dependent photomorphogenesis
have been interested to understand the
cooling and thus enable plants to adapt to
pathway transcriptionally regulates PIF4
evolutionary history of F-box proteins.
warmth. On the cellular level, elevated
to coordinate seedling growth in re-
Furthermore, in close collaboration with
temperature stimuli are transduced into
sponse to elevated temperature. Further-
the group of Ivo Grosse (Bioinformatics,
altered gene expression by affecting
more, exploiting natural genetic varia-
MLU Halle) we established phylotrans-
chromatin status and, specifically, by
tion and the underlying quantitative ge-
criptomics, a method that combines
Group Members
Fig. 2: Simplified model of the
ambient temperature signaling
pathway based on our own work
and the work of others.
Julia Bellstädt
Philipp Nerke
Master Student
Bachelor Student
Carolin Delker
Christian Noah
Guest Scientist
Kathrin Denk
Philipp Tom Peterson
Technician
Bachelor Student
Daniel Elias
Anja Raschke
Guest Scientist
PhD Student
Investigating am-
Alexander Gabel
Nadine Schumann
bient temperature
Master Student
PhD Student
signaling path-
Carla Ibáñez Robles
Louisa Sonntag
PhD Student
Bachelor Student
ways in the model
Philipp Janitza
Jana Trenner
Master Student
PhD Student
dopsis thaliana is
Tanja Klause
Franziska Wenz
in the focus of ex-
Bachelor Student
Bachelor Student
perimental work in
Wenke Ludwig
Henriette Ziermann
Master Student
Master Student
24
Fig. 3 : The developmental hourglass model explains morphological transitions throughout animal embryogenesis by a web of complex modular
interactions between developing organ primordia. We are trying to adopt a
similar model to explain embryonic and post-embryonic phylotranscriptomic patterns we recently observed.
Fig. 1:
organism Arabi-
the Quint lab.
ir interessieren uns zum einen generell für pflanzliche Entwicklungsbiologie und Signalwege, die pflanzliches
Wachstum regulieren, und zum anderen für die molekulare Evolution solcher Entwicklungsprozesse. Im Fokus ste-
W
hen dabei insbesondere genetische Ansätze zur Aufklärung des Signalweges mit dem Pflanzen Temperaturstimuli
in Wachstumsprozesse umsetzen. Nach einigen Jahren zur Etablierung dieser Forschungsrichtung haben wir 2014 dem
bereits bekannten Signalweg ein großes Modul hinzufügen können, was auf die koordinierte Nutzung identischer
Signalmodule von Licht und Temperatur schliessen lässt. Neben solchen funktionell biologischen Projekten interessieren
wir uns außerdem für das evolutionäre Entstehen solcher Entwicklungsprozesse. Durch die Kombination von Transkriptomanalysen und Phylogenetik sind wir in der Lage, Genexpressionsanalysen für evolutionäre Fragestellungen zu verwenden. Mit diesem Ansatz versuchen wir, die Evolution des Sanduhrmodells der Embryogenese in Tieren und Pflanzen besser zu verstehen.
25
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Maldonado-Bonilla, L.D., Eschen-Lippold, L.,
Gago Zachert, S., Tabassum, N., Bauer, N.,
Scheel, D. & Lee, J.The Arabidopsis tandem zinc
finger 9 protein binds RNA and mediates
pathogen-associated molecular pattern-triggered immune responses. Plant Cell Physiol. 55,
412-425.
Book Chapter 2014
Tissier, A., Ziegler, J. & Vogt T. Specialized plant
metabolites: diversity and biosynthesis. In: Ecological Biochemistry – environmental and interspecies interactions (Krauß G. J. & Nies, D.H. eds.)
Wiley-VCH Weinheim, S. 15-38. ISBN 978-3527-31650-2.
Grimm, Samuel: Studies on putative TIR1-like
proteins and their potential on modulating
hormone signaling pathways in Arabidopsis thaliana. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biologie, 24/11/2014.
Klause, Tanja: Klonierung des Arabidopsis
thaliana Gens BIG und phänotypische Charakterisierung von big Mutanten, Martin-LutherUniversität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biologie, 15/07/2014.
Rehkamp, Anne: Untersuchungen zum eisenabhängigen Wurzelwachstum unter Phosphatmangelbedingungen und Expressionsanalyse von
'Low Phosphate Root 2' in Arabidopsis thaliana.
Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg,
Fachbereich Biochemie, 25/09/2014.
Sonntag, Louisa: Interaction of light and temperature signaling in PIF-mediated hypocotyl
elongation of Arabidopsis thaliana. MartinLuther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biologie, 11/11/2014.
Wenz, Franziska: Analyse der interspezifischen
Variation der Auxinantwort in verschiedenen
Brassicaceen. Martin-Luther-Universität HalleWittenberg, Fachbereich Biologie, 21/01/2014.
Master Theses 2014
Janitza, Philipp: Cloning of temperature and
light signaling genes for subcellular localization
studies in N. benthamiana. Martin-Luther-Uni-
versität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biologie, 25/09/2014.
Seidel, Katja: Analysis of the role of the natural
antisense long non-coding RNA encoded by
At4g14548 in IAA14 regulation. Martin-LutherUniversität Halle-Wittenberg, Fachbereich
Biochemie, 11/11/2014.
Wieghaus, Annika: The impact of autophagy on
the primary root meristem activity in Arabidopsis thaliana under phosphate starvation. MartinLuther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Agrarwissenschaften, 20/03/2014.
Winkler, Martin: Dissecting the dynamic turnover of transcriptional regulators in response
to auxin. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biochemie, 30/09/2014.
Ziermann, Henriette: Transcriptional response
of Arabidopsis thaliana to moderately increased
temperatures, Martin-Luther-Universität HalleWittenberg, Fachbereich Biologie, 13/10/2014.
Doctoral Thesis 2014
Raschke, Anja: Quantitativ-genetische Analyse
von Auxinphänotypen in Keimlingen von
Arabidopsis thaliana. Martin-Luther-Universität
Halle-Wittenberg, Fachbereich Biologie,
10/07/2014.
2. MSV Workshop
Schloss Wendgräben,
March 20-22, 2013
Wasternack, C. Jasmonates in plant growth and
stress responses. In: Phytohormones: a window to
metabolism, signaling and biotechnological applications (Tran, L.-S.P. & Pal, S. eds.) Springer-Verlag
New York, S. 221-264. ISBN 978-1-4939-0490-7.
Christ, Gideon: Identifying the role of inositol
hexakisphosphate (IP6) on the regulation of
auxin perception. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biologie, 09/07/2014.
de Vries, Tebbe: Role of long non-coding RNAs
in gene expression regulation of the UGT73C
subfamily from Arabidopsis thaliana Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich
Biologie, 14/10/2014.
27
Department of Bioorganic Chemistry
Abteilung Natur- und Wirkstoffchemie
Head: Professor Ludger Wessjohann
Leiter: Professor Ludger Wessjohann
Secretary: Ines Stein
Sekretariat: Ines Stein
ur research focuses on the identification, understand-
strong collaboration within the IPB or with external academic
ing and production of small molecules and the study
partners. This allowed us to venture into one of the most diffi-
of their effects within biological systems. This includes
cult fields of synthetic conversions: the selective oxidation, es-
O
the application of chemical compounds to probe and modify
er Fokus unserer Arbeiten liegt auf der Entdeckung, Ent-
schung biologischer Fragestellungen. Die dafür von uns entwick-
wicklung und Herstellung niedermolekularer Wirkstoffe,
elten Verfahren sind genereller Natur und vielfältig nutzbar, z.B.
begleitet von einem Verständnis ihrer Bedeutung und ihrer
neue Reagenzien, Mehrkomponentenprozesse, Sonden oder Bio-
D
Wirkung auf biologische Systeme. Dabei folgen wir drei Linien:
pecially regioselective aromatic hydroxylation.
biological systems. Three main lines of research are followed
katalysatoren. In der vergangenen Periode wurden vor allem enzymatische Hydroxylierungen, Verfahren zur Herstellung von N-
to achieve this:
The focus of our search and
(1.) Lernen von der Natur: Wir versuchen sowohl die strukturellen
Methyl-Peptiden, Berechnungsverfahren für Reaktionen mittel-
synthesis
Aspekte als auch die Prinzipien der Entstehung und Bedeutung
großer Moleküle und NMR-basiertes Metabolitenprofiling wei-
natürlicher Wirkstoffe zu ermitteln und zu verstehen.
terentwickelt. Diese Entwicklungen tragen zu den IPB-internen
for
biologically
(1.) We try to learn from na-
active compounds is on phy-
ture's chemistry through both
toeffectors, food-flavor-fra-
elucidation of natural struc-
grance and antibiotic com-
(2.) Effiziente Herstellung: Die chemische und zunehmend die
formatik bei. Die Screening-Plattform ist für die Verknüpfung che-
tures as well as understanding
pounds, in the latter case
biotechnologische Synthese von Naturstoffen und Derivaten er-
mischer und biologischer Eigenschaften besonders wichtig und
basic principles of nature's ap-
especially on antifungals. Se-
möglicht Struktur-Wirkungsbeziehungen zu ermitteln und eine
soll bis Anfang 2016 eingerichtet sein (vollständig nach Fertigstel-
plication of chemistry in a bio-
lected compounds reached
Nutzung der Substanzen in Biologie, Medizin, Ernährung und
lung des geplanten Ersatzbaus R2). Im Bereich der Naturstoffe
logical context.
field trial status. New is an
Agrochemie.
liegt der Schwerpunkt auf Substanzen mit Potential als Ge-
Plattformen Metabolomics, Proteomics, und Bio- und Chemoin-
schmacksmodifikatoren oder als Antibiotika, letzteres insbeson-
improved possibility to look
(2.) We use synthetic chem-
into CNS-active compounds
(3.)
Interaktionen verstehen: Das Studium von (molekularen)
istry and biology to provide ac-
which is driven by coopera-
Wechselwirkungsprozessen wird ermöglicht durch die Entwick-
ZNS-aktive Substanzen erforscht (Lernen, Alzheimer, Depression).
cess to natural products and
tion with the neurological ex-
lung und Anwendung selektiver Sonden und Binder, analyti-
Fortgeschrittene Projekte nutzen zudem häufig die spezifische
derivatives for applications in
pertises concentrated in Mag-
scher, biochemischer und molekularbiologischer Verfahren sowie
Expertise von Partnern aus anderen Instituten oder der Wirtschaft.
biology, medicine, nutrition
deburg (University of Magde-
theoretischer Methoden.
and agrochemistry.
burg, Leibniz Institute for Neu-
dere mit Wirkung gegen Schadpilze. Als neues Gebiet wurden
Die Abteilung Natur- und Wirkstoffchemie konnte über 80 wissen-
robiology and the German
Die Analyse, Isolierung, Strukturaufklärung und Modifizierung von
schaftliche Artikel publizieren, darunter etliche in den besten
(3.) We try to increase our un-
Center for Neurogenerative Di-
Naturstoffen des Sekundärstoffwechsels von Pflanzen und Pilzen
Journalen der Chemie. Neben der Organisation kleinerer Tagun-
derstanding of molecular in-
seases). Our expertise in multi-
ist die Grundlage, um die Bedeutung dieser Substanzen in der
gen wirkt die Abteilung mit bei den Leibniz-Forschungsverbün-
teraction processes and deve-
component
was
Natur zu erkennen und eine mögliche Anwendung zu erschlie-
den Wirkstoffe und Biotechnologie (Initiator/Sprecher) und Biodi-
lop new tools, probes and re-
directed toward the synthesis
ßen. Die Verwertung der gewonnenen Erkenntnisse richtet sich
versität, beim Agrochemischen Institut Piesteritz, am Deutschen
of complex bioactive cyclo-
nach den ermittelten Eigenschaften der Substanzen und kann
Biodiversitätszentrum iDiv, in der EU COST Action PlantEngine
peptides and N-methyl peptides. One highlight was the synthe-
sich auf unterschiedliche Gebiete erstrecken, in denen Wirkstoffe
(Management-Kommitee) sowie im EU-Großprojekt BioNexGen -
sis of the nematicide Omphalotin, a cyclic dodecapeptide.
zum Einsatz kommen, wie Agrochemikalien, Leitstrukturen für
Developing the next generation of biocatalysts for industrial che-
pharmazeutische Produkte, Zusatzstoffe der Nahrungsmittelin-
mical synthesis mit. Der Bereich Biokatalyse wurde zudem erheb-
dustrie, oder auch für neue chemische Werkzeuge zur Erfor-
lich durch Kooperationen mit der Wirtschaft beflügelt.
cognition compounds to study
these.
reactions
The analysis, isolation, characterization, and modification of
secondary metabolites and enzymes from plants and fungi is
The scientific work of the past biannual period lead to over 80
the basis of our efforts to understand the properties of these
articles published. The department (co-)organized meetings
compounds or to disclose their function in nature, and finally
and is actively involved in the Leibniz Research Clusters Bioac-
to explore their use in chemistry and biology. The development
tive Compounds and Biotechnology (Speaker) and Biodiversity,
of analytical tools, e.g. for metabolic profiling, and their com-
in the Agrochemical Institute Piesteritz, in the German Biodi-
putational analysis often is at the start of any project. Applica-
versity Centre iDiv, and in the EU COST Action PlantEngine
tions are driven by the discovered properties and include such
(management committee). Of special importance is our partic-
diverse areas as agrochemicals, lead structures for medicinal
ipation in the metabolomics, proteomics and IT competence
chemistry or novel food ingredients, biological research tools,
platforms of the institute. In addition, the department provides
or the utilization of enzymes as biocatalysts. In recent years we
a considerable database and library of small molecules and ba-
expanded especially the biotransformation program to allow
sic screening facilities, which will be developed into a screen-
for more complex, cascaded enzymatic syntheses. The pro-
ing platform until early 2016.
gress in this area was boosted by large programs financed
from the EU flagship project BioNexGen – Developing the next
generation of biocatalysts for industrial chemical synthesis and
NWC: Digging for Gold, 2015
additional projects with industrial partners, and profited from
28
29
Collaborators
Kaleab Asres, Ermias Dagne
Addis Ababa University, Ethiopia
Nasser Abdullah Awadh Ali
University of Sana’a, Yemen
Andreas Bresinsky
Natural Products
tricyclic indole alkaloids could be charac-
which might be used to balance vitamin
terized by detailed FTICR-MS investiga-
D deficiency. We have established a LC-
Heads: Norbert Arnold & Jürgen Schmidt
tions. The detected bisalkaloids are
MS/MS method, allowing the detection
structurally related to the famous Vinca
of several vitamin D metabolites in the
alkaloids widely used in cancer therapy.
selected re action monitoring (SRM)
University of Regensburg, Germany
Patrick Mutiso Chalo
University of Nairobi, Kenya
Helge Bruelheide, Birgit Dräger,
Marcus Glomb, Reinhard Neubert,
Klaus Pillen, René Csuk
mode. In that case the samples are deri-
Plants, algae and fungi possess a remark-
Connected to metabolomic studies of
vatized with PTAD to enhance both the
Bertram Gerber
able ability to produce a diverse set of
the genus Hypericum (see research
ionization efficiency of the steroids and
Leibniz Institute for Neurobiology,
Magdeburg, Germany
specialized metabolites, i.e. natural prod-
group Spectroscopy), we focused on the
the selectivity of the mass spectral frag-
ucts that vary in chemical complexity and
phytochemical investigation of several
mentation. In the calcinogenic species
biological activity (see also research
Cameroonian Hypericum species. From
Trisetum flavescens (L.) P. Beauv. we
group Screening). These have served and
Hypericum riparium A. Chev., which is
could detect the animal sterols choles-
serve today as templates for the develop-
used in the Cameroonian folk medicine
terol and 7-dehydrocholestrol as well as
ment of many important drugs for medi-
against epilepsy, mental disorders and
the fungal sterol ergosterol as vitamin D
cinal therapies. Increasingly, efforts are
microbial disease, a series of new bis-
precursors.
now also focused on other potential appli-
coumarin derivatives were isolated and
cations of natural products such as agro-
their structures elucidated. These are the
iDiv cooperation project
chemicals, acting as plant protectants or
first ones to be isolated from this genus.
Effects of leaf litter diversity on the de-
phytoeffectors. Besides bioactivity-guided
In addition, eleven new tricyclic preny-
composition of plant polyphenols
Hygrophorus abieticola
Anhalt University of Applied Sciences,
Köthen, Germany
Ulrike Lindequist
University of Greifswald, Germany
Jean-Claude Ndom
University of Douala, Cameroon
Jens Pahnke
University of Magdeburg, Germany
isolation of natural products, metabolo-
During our ongoing research on second-
rus penarius Fr. This was the first report of
lated acylphloroglucinol derivatives were
Leaf litter decomposition is a crucial
mics-based approaches are increa-singly
ary metabolites from fruiting bodies of
(nor-) sesquiterpenes isolated from basi-
obtained from Hypericum lanceolatum
function in terrestrial ecosystems, as it is
used. The data, results and isolated com-
the basidiomycetous genus Hygrophorus,
diocarps of the family Hygrophoraceae.
Lam., a medicinal plant occurring in
closely linked to local and global nutri-
pounds generated by us are included in
we isolated a new compound named
Additionally, the only known member of
mountain regions of West Cameroon.
ent cycling. Under given environmental
12
Carola Griehl
Götz Palfner
Universidad de Concepción, Chile
Dang Ngoc Quang
National University of Education, Hanoi,
Vietnam
Peter Spiteller
University of Bremen, Germany
Marc Stadler
databases and compound libraries and
hygrophorone B from Hygrophorus abi-
this rare type of sesquiterpenes, ventri-
are therefore also available for future use
eticola Krieglst. ex Gröger & Bresinsky. The
cos-7(13)-ene, could be identified via
Humans get their vitamin D from expo-
chemistry was found to be the major
Helmholtz Center for Infection Research,
Braunschweig, Germany
in other applications.
natural compound exhibits a remarkable
headspace GC-MS analysis.
sure to sun light, from their diet or from
driver of decomposition processes, with
Wolfgang Steglich
dietary supplements. Vitamin D is re-
secondary metabolites such as polyphe-
University of Munich, Germany
nols playing a key role in this process.
Tran Van Sung
activity against the plant pathogenic fun-
conditions species-specific leaf litter
Fungal secondary metabolites
gi causing grey mold on strawberries and
Bioactive plant constitutents
sponsible for calcium/phosphate home-
About 85% of all pathogen-borne plant di-
wine grapes (B. cinerea), the septoria leaf
The investigation of traditional medicinal
ostasis in vertebrates and is required for
seases are caused by fungi leading to
blotch pathogen on wheat (S. tritici) and
or food plants from different regions of
optimal health. The secosteroid vitamin
In
enormous losses in crop production. Fun-
the causal agent of the late blight disease
the world is focused on the isolation and
D3 arises from 7-dehydrocholesterol un-
(German Biodiversity Center, Prof. Bruel-
gal infections presently destroy at least
on potato and tomato (P. infestans). The
characterization of anthelmintic, antifun-
der UV-B-exposure in the human skin,
heide), we could demonstrate that leaf
125 million ton of the top five food crops
absolute stereochemistry of hygrophor-
gal, cytotoxic and CNS active metabol-
and is successively hydroxylated in the
litter richness effects on phenolics and
(rice, wheat, maize, potatoes and soy-
one B12 was confirmed by total synthesis
ites.
liver and kidney to the active 1,25-OH-vi-
tannin decomposition rates were posi-
Companies:
beans) each year. Our investigations con-
in enantiomerically pure form (see also
tamin D. Vitamin D2 is produced in fungi
tive or negative and varied with leaf litter
Hopsteiner Ltd, USA
centrate on the detection of new antifun-
RG Synthesis).
From the ethyl acetate crude extract of
from ergosterol. Especially during winter
species identity. Polyphenol decompo-
Symrise AG, Holzminden
the African species Tabernaemontana
time, severe vitamin D deficiency occurs
sition rates were found to be up to a
BASF SE, Ludwigshafen
Five novel sesquiterpene carboxylic acids
stapfiana Britten (Apocynaceae), which
due to the lack of sun exposure and in-
magnitude higher than whole leaf de-
ria tritici Desm. and Cladosporium cucu-
named penarines A-E, and one new nor-
exhibits strong antifungal and cytotoxic
sufficient dietary intake. So called calci-
composition rates, and the tannin-to-
merinum Ellis & Arthur as well as the oo-
sesquiterpene carboxylic acid, penarine
activities, the monomeric indole alka-
nogenic plants induce calcium accumu-
nitrogen ratio was the best predictor of
a prerequisite of whole leaf litter decom-
mycete Phytophthora infestans (Mont.) de
F, of the very rare ventricosane type were
loids coronaridine and pericyclivine were
lation in grazing animals, which is be-
whole leaf decomposition.
position, as proportionally polyphenols
Bary.
isolated from fruiting bodies of Hygropho-
isolated. Additionally, a series of bi- and
lieved to be due to vitamin D intoxication.
gal agents against the ascomycetous phytopathogens Botrytis cinerea Pers., Septo-
Vietnamese Academy of Science and
Technology, Vietnam
cooperation
with
iDiv
partners
Mika Tarkka
Helmholtz Center for Environmental
Research, Halle, Germany
are broken down much earlier in the
Therefore we investigated the occurrence
These findings suggest that species-spe-
process of decomposition than other,
of vitamin D derivatives in such plants,
cific polyphenol decomposition may be
more mass-relevant leaf components.
Group Members
Nael Abutaha
Alexander Feiner
Johanna Hummel
Efrem Nigussu
Ann-Katrin Sendatzki
Guest Professor
PhD Student, Hopsteiner
Diploma Student
DAAD Fellow
Diploma Student
Khaled Alkassem
Katrin Franke
Angelica Casanova Katny
Alexander Otto
Claudia Straube
DAAD Fellow
Senior Scientist
Guest Professor
PhD Student
Diploma Student
Zeyad Alresly
Anne Greff
Myint Myint Khine
Götz Palfner
Guest Researcher
Diploma Student
Guest Professor
Guest Professor
Serge Alain Fobofou
Tanemossu
Danstone Lilechi Baraza
Chelsea Harmon
Stephanie Krause-Hielscher
Mathias Reisberg
DAAD Fellow
DAAD Research Internship
PhD Student
PhD Student
Alexandra Dammann
Ramona Heinke
Henriette Lehmann
Christian Ristok
Diploma Student
PhD Student
Diploma Student
Master Student
Mona Fechtel
Nicole Hünecke
Susanna Liers
Julia Schaller
Diploma Student
Technician
Diploma Student
Diploma Student
30
PhD Student, DAAD Fellow
Boris Tolkachev
Guest Researcher
flanzen und Pilze erzeugen als hochdiverse Organismengruppen eine bemerkenswerte Vielzahl von Inhaltsstoffen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung und biologischer Aktivität. Die Arbeitsgruppe sucht nach den Wirkprinzipien in Extrakten aus diesen Organismen und versucht die Struktur und Eigenschaften der Wirkkomponenten
aufzuklären. So konnte beispielsweise aus dem Pilz Hygrophorus abieticola eine neue Verbindung isoliert werden, die bemerkenswerte Aktivitäten gegen Schadpilze an verschiedenen Feldfrüchten zeigt und damit als mögliche Leitstruktur für
die Entwicklung neuer Pflanzenschutzmittel dienen kann. Aus afrikanischen Hypericum-Arten (dt. Johanniskräuter) wurden
erstmalig Biskumarine mit antiviralem Potential und neuartige trizyklische prenylierte Acylphloroglucinole isoliert. Verschiedene Vertreter der Gattung Hypericum, insbesondere das bekannte H. perforatum (Echtes Johanniskraut) werden weltweit
unter anderem gegen Depressionen eingesetzt. In weiteren Projekten wurde das Vorkommen von Vitamin D in Pflanzen und
Pilzen mittels sensitiver LC-MS/MS sowie in Zusammenarbeit mit Partnern vom Deutschen Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) der Zusammenhang zwischen Laubzusammensetzung und Polyphenolabbau untersucht.
P
31
Collaborators
Wilhelm Boland
MPI for Chemical Ecology, Jena, Germany
Vicente Gotor
University of Oviedo, Spain
Markus Pietzsch
University of Halle; Germany
Jürgen Pleiß, Bernhard Hauer
Chemoenzymatics
ants I317V and I317A were not affected by
suitably engineered and adapted enzyme
product inhibition and proved to be favor-
cascades. The key step is the selective 3’-
Heads: Ludger Wessjohann & Wolfgang Brandt
able for the preparative synthesis of SAM
hydroxylation of naringenin, involving an
and its long-chain analogues. These vari-
enzyme cluster based on a P450-oxidase,
ants are patented.
followed by a regioselective O-methylation (Fig. 3). The whole process could be
Our aim is to understand and apply enzy-
bioinformatic and protein structural mod-
methionine by SAM synthases (SAMS). To
matic processes in vitro and in vivo. En-
eling (see RG computational chemistry),
zymes are used for both biocatalytic
which provides a rational basis for protein
chemical transformations and as targets
redesign toward desirable variants.
of natural or designed small molecule in-
University of Stuttgart, ITB, Germany
Companies
Lanxess AG, Leverkusen, Germany
Symrise AG, Holzminden, Germany
Entrechem SL, Oviedo, Spain
transferred into a living E. coli strain,
obtain a SAMS enzyme suitable for bioca-
A High Value Flavor Compound from Orange Peel Waste
talytic production of SAM and analogues,
See also a film on this topic:
odictyol from naringenin (patented).
the protein from Bacillus subtilis was im-
http://www.beilstein.tv/tvpost/taste-mod-
proved by rational protein design (Figs. 1
ifiers-virtual-screening-and-biocatalytic-
Toward Naturally Produced Chloroprene
vable to obtain such polychlorinated oli-
which fermentatively produces homoerirange and are used e.g. for the production of wetsuits. Until now it was inconcei-
hibitors.
Improved Variants of S-Adenosylmethionine
Synthase by Rational Protein Re-Design
and 2). Substitution of two conserved
production-with-rationally-optimized-
Long-chain prenyltransferases are able to
gomers by natural means, especially be-
isoleucine residues (I105 and I317) located
enzymes/
condense more than 1000 isopentenyldi-
cause the use of 3-halogenated deriva-
Most of our work makes use of transferases
See also a film on this topic:
in close proximity to the active site ex-
phosphate (IPP) monomers onto the ally-
tives of IPP were only condensed once,
for the production of plant metabo-
http://www.beilstein.tv/tvpost/taste-mod-
tended the substrate spectrum of the en-
Homoeriodictyol (HED) is a commercial
lic header substrate which leads to the
with the monohalogenated product being
lites and their artificial derivatives. Our re-
ifiers-virtual-screening-and-biocatalytic-
zyme to artificial methionine derivatives.
bitter masker and a sweetness enhancer.
formation of natural rubber (1,4 cis-poly-
an effective inhibitor of prenyltransferases.
cent focus on prenyltransferases (with
production-with-rationally-optimized-
An introduction of a less spacious valine
It can be isolated in small amounts from
isoprene), e.g. by the rubber tree Hevea
terpene synthases) and O-methyltransfe-
enzymes/
or alanine residue into position 317 led to
Eriodictyon californicum, growing mostly
brasiliensis. Besides allergies, which are
We could now show for the first time, that
variants which were able to convert me-
in Northern Mexico. To meet market de-
triggered by the natural rubber material,
several such condensations are possible
rases is increasingly supplemented by
work on oxidizing enzymes. Selective oxi-
The availability of S-adenosylmethionine
thionine and S-alkylhomocysteines bear-
mands, a more efficient access is required.
also the availability and stability of the raw
in suitable systems (patented), overcom-
dations, especially hydroxylations are
(SAM) is crucial for enzyme-catalyzed me-
ing substituents with 2 - 4 carbon atoms.
A suitable starting product is naringenin,
material can be problematic. Synthetic
ing one of the major drawbacks of the su-
highly desirable because they are chemi-
thyl transfer reactions which have a huge
Additional exchange of I105 to those steri-
sufficiently available from orange and
derivatives of the natural polyisoprene,
icide inhibition that so far thwarted any
cally extremely difficult processes, but al-
potential for the production of valuable
cally less challenging amino acids even
other citrus peel, i.e. waste material. We
like polychloroprene (DuPont’s trade na-
development toward the biotechnologi-
so in biotechnology they are commonly
fine chemicals and pharmaceuticals. In
resulted in strong discrimination of the
could devise both, in vitro (biocatalytic) as
me: neoprene), exhibit advanced proper-
cal production of artificial or modified
the most demanding biotransformations.
cellular metabolism, this universal methyl
natural substrate. Most importantly and in
well as fermentative (in vivo) access by
ties like temperature stability over a wide
rubbers (Fig. 4).
Our core enzymes are increasingly ap-
donor is formed by adenosylation of L-
contrast to the wild type enzyme, the vari-
plied in combination with other chemical
or enzymatic processes (cascade reactions, e.g. to phenylpropanoids) in vitro
and in vivo, aiming toward artificial in vitro
pathways and synthetic biology systems,
respectively. This includes pathway inflows and estuaries, e.g. of rate limiting
cofactors. The work is intertwined with
Group Members
Anne-Katrin Bauer
Diploma & PhD Student
Stefanie Block
Scientific Coworker
Martin Dippe
Jeanette Keim
PhD Student
Fig. 1: Active site of a model of the SAM synthase from Bacillus subtilis. Arrangement of the substrate analogues S-n-butyl-L-homocysteine (magenta carbon
atoms) and adenylyl imidodiphosphate (green carbon atoms) in the active
center. A) The space for docking of SAM derivatives with larger functional
groups than methyl is restricted by the isoleucine I317 which was there-fore
subject to site-directed mutagenesis. B) The single mutation I317V leads to
acceptance of the artificial substrate by the enzyme.
Fig. 3: A variant of CYP102A1 fusion protein allows selective aromatic hydroxylation – the crucial step to eriodictyol, followed by regioselective O-methylation by PfOMT, the latter developed in cooperation with T. Vogt, dept. SZB.
Fig. 4: Chromatogram of the early
steps of the enzymatic oligomerization of the chloro analog of IPP
(green. In grey: starter reference).
Steve Ludwig
PhD Student
ie Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit der Entdeckung, Anpassung und Anwendung von Enzymen sowie der Aufklärung enzymatischer Mechanismen, um dies für die effektive biobasierte Herstellung von Natur- und Wirkstoffen zu
D
Amina Msonga
PhD Student, DAAD-Fellow
nutzen. Neben unserer Expertise bei Transferasen, im Speziellen Prenyl- und O-Methyltransferasen, haben wir uns
vor allem selektiven Oxidationen zugewandt, da klassische chemische Verfahren hierbei oft versagen. Ferner werden meh-
Danilo Meyer
rere (enzymatische) Reaktionen in Kaskaden genutzt, um Stoffwechselwege außerhalb von Zellen oder in Nutzorganismen
nachzubilden. Die Arbeiten verfolgen das Ziel, im Rahmen bioökonomischer Verfahren einen effektiven und umweltfreundlichen Zugang zu seltenen und hochpreisigen sekundären Pflanzenstoffen und nichtnatürlichen Derivaten zu erschließen.
Susanne Riemer-Köhler
PhD Student
Pia Schöne
PhD Student
Felix Schreckenbach
PhD Student
Benjamin Weigel
PhD Student
32
Fig. 2: Structure of the crucial methylation cofactor SAM (left, R = H) and its
homologs allowing larger alkyl transfer (R = Et, Pr, All etc.) with less product
inhibition (right, conversion of Met / h)
So konnte aus dem günstigen Naringenin (aus Orangenabfällen) der hochpreisige Geschmacksmodulator HED erzeugt werden, der wichtige enzymatische Cofaktor SAM ist in neuen Varianten und ohne Umsatzbeschränkung zugänglich gemacht
worden, und erstmals gelang es kurze Einheiten des ansonsten nur chemisch zugänglichen Chloroprens biokatalytisch zu
erzeugen. Alle drei Verfahren wurden patentiert, zwei davon sind bereits auslizensiert.
33
Collaborators
Marcio W. Paixao
Universidade Federal de Sao Carlos, Brazil
Daniel G. Rivera, Anselmo Otero
Universidad Habana, Cuba
Oscar C. Rodrigues
Synthesis
Universidade Federal de Santa Maria, Brazil
Paulo Schneider, Diogo Lüdtke,
Henri Schrekker
Heads: Ludger Wessjohann & Bernhard Westermann
Universidade Federal de Rio Grande do Sul,
Porto Alegre, Brazil
(5)
Antonio L. Braga
Universidade Federal de Santa Catarina,
Florianopolis, Brazil
The synthetic access to natural molecules
Carlos Kleber Andrade
can provide sufficient material where na-
Universidade Federal de Brasilia, Brazil
tural resources are either scarce or threat-
Lukáš Spíchal, Miroslav Strnad
ened. Most importantly, it can provide de-
University Olomouc, Czech Republic
rivatives, which ideally provide im-
(6)
proved properties, help to understand the
Birgit Dräger, Andrea Sinz,
Barbara Seliger
underlying mechanisms, or allow tracing
the compounds within an organism or the
Natural products with Multi Component
Reactions (MCRs)
ible isonitriles serve as reactive intermediates to overcome the pronounced stabili-
Companies:
pounds can be generated, which allow to
N-methylated peptides are a very impor-
ty of amide bonds. The newly developed
BASF SE, Ludwigshafen, Germany
selectively address or modify certain bio-
tant class of biologically active natural
reagent IPB is easily synthesized and
SKW Piesteritz, Wittenberg, Germany
logical functions or alter material proper-
products with cyclosporine being the
forms acyl pyrroles upon acidic treat-
Tube Pharmaceuticals, Vienna, Austria
ties. Selected highlights are detailed in
most prominent one. During the reporting
ment. Follow-up reactions can be done in
the following:
period several linear (e.g., hirsutellic acid,
a variety of suitable nucleophiles gener-
environment. In addition, artificial com-
Fig. 1
3) and cyclic natural products (e.g., om-
ating amides, esters and other ligation
means alone. The stereo-determining
phalotin, 4) bearing this moiety have been
products. A polymer-supported version
step was carried out by the Sharpless di-
Macrocyclizations allow to emphasize a
successfully synthesized. One of the key
(6) was also generated, which is profitable
hydroxylation. Due to its variability, four
certain conformational state, reduce bio-
transformations has been the Ugi-MCR,
in both parallel and combinatorial synthe-
stereoisomers could be synthesized and
which has been proven to be highly versa-
ses for Medicinal Chemistry programs.
their physical properties were compared
2
Macrocyclizations
degradation and can enhance cell permeability. It has been a major subject in our
Fig. 2
tile to conquer the complexity of the N-
group since 20 years, but currently sees a
to those of the natural product.
alkylated peptide natural products.
Isolation & Total Synthesis
of Natural Products
hype with respect to peptide function. In
tion with D. Rivera) utilize isonitrile based
cause it has been shown for the first time
recent years we have developed the mul-
MCRs to produce the desired conforma-
that such a simple tertiary amide topolog-
Omphalotin A (4) is a cyclic dodecapep-
In a collaborative effort of the natural pro-
tiple multicomponent macrocyclizations
tional bias.
ical template which is not a ring like pro-
tide member of a family of secondary me-
duct, spectroscopy and synthesis re-
line can reduce the conformational flexi-
tabolites produced by the fungus Om-
search groups of NWC, the cyclopen-
including bifunctional building blocks
(MiB3), which led to a diversity of cyclo-
Most intriguingly, we could show that
bility in acyclic oligomeric peptides. Deter-
phalotus olearius and was found to exhi-
tenone-derivative hygrophorone B12 (7)
peptide hybrids.
large substituents on the amide bond gen-
mination of the three-dimensional struc-
bit strong nematicidal activities against a
could be isolated from fruiting bodies of
erated by Ugi-MCRs have a pronounced
ture of an acyclic N-steroidal peptide in so-
root knot parasite that infests many diffe-
the mushroom Hygrophorus abieticola.
Within this reporting period, we intensified
effect on the secondary structures of the
lution proved that the bulky template is
rent plant cultures causing economic bur-
The constituent could be synthesized in
once more our diversity increasing mac-
oligomers. Lipophilic substitutents such as
capable of both increasing significantly the
dens in agriculture worldwide. The con-
an
rocyclizations and extended their applica-
steroids (Fig. 2) can induce and stabilize ß-
conformational rigidity, even in a peptide
vergent total synthesis has been achieved
sequence
tion into various fields, especially into
sheets in acyclic peptides (2), adding a
sequence as short as five amino acid resi-
by an unprecedented cassette approach
and 9 steps
peptide modification. Thus peptide-pep-
cholesterol membrane anchor at the same
dues, and inducing a beta-turn secondary
with preformed intermediates and the use
overall. This
toid conjugates like in Fig. 1 (in coopera-
time. This fact is of major importance be-
structure even in the all-s-trans isomer.
of our new convertible isonitrile IPB (5,
endeavor
same acronym as the institute).
was neces-
8-step
sary to de-
Group Members
Eileen Bette
Nalin de Seixas Borges
Annegret Laub
Alfredo Rodriguez Puentes
Haider Sultani
PhD Student
PhD Student
PhD Student
PhD Student
PhD Student
Sebastian Brauch
Helena D. de Salles
Tiago Lima da Silva
Hannes Rost
Dimitar Vasilev
PhD Student
PhD Student, Sandwich
PhD Student (Sandwich)
PhD Student
PhD Student
Bruno Brisólla Ravanello
Oscar Dorneles Rodrigues
Roberta Lopes Drekener
Pia Roth
Ricardo Wanderley N. Filho
PhD Student
Guest Professor
Diploma Student
PhD Student
Micjel Chavez Morejón
David Edeler
Steve Ludwig
Angela Schaks
Katharina Wolf
PhD Student
PhD Student
PhD Student
Technician
Technician
Julia Christke
Thomas Eichhorn
Juliane Mewes
Elsayed Shaaban
Apprentice, Technician
PhD Student
Apprentice, Technician
Ralph Coppi
Ricardo Ferreira Affeldt
Erik Prell
Devender Singh
PhD Student, Guest Researcher
Daniel da Silveira Rampon
Zoila Gándara Barreiro
Rainer Preusentanz
Sebastian Stark
Guest Researcher
PhD Student
PhD Student
34
Several of these syntheses have been
termine the absolute configuration of the
made possible by in-house development
three stereogenic centers, which could
of convertible isonitrile reagents. Convert-
not be accomplished by spectroscopic
ie Synthese von Naturstoffen und davon abgeleiteten Produkten ist die Kernaufgabe der Gruppe. Die Totalsynthese
D
des Pilzinhaltsstoffes Hygrophoron B12 durch eine 9-stufige Synthesesequenz mit einem asymmetrischen Katalyse-
schritt erlaubte erstmals die eindeutige Bestimmung der absoluten Stereochemie der Hygrophorone, die als antibak-
terielle und fungizide Naturstoffe Potenzial in der Behandlung resistenter Krankheitserreger besitzen. N-Methylierte Cylopeptide spielen im Pflanzenschutz eine wichtige Rolle. Durch geschickten Einsatz von Ugi-Multikomponentenreaktionen
wurden nematozide und antibiotische Naturstoffe dieser Gruppe synthetisiert, wobei die eingesetzten Aminosäuren die einheitliche Chiralität der Produkte sicherstellen. Daneben konnten durch die variable Multikomponentenreaktion auch Modifikationen an größeren Peptiden durchgeführt werden, welche als artifizielle posttranslationale Modifikationen die Stabilisierung von definierten Sekundärstrukturen ermöglichen.
35
Collaborators
Nasser A. Awadh Ali
Mohamed A. Farag
Cairo University, Egypt
Spectroscopy
cultures thereof by ESI-FTICR-MS and
problems as demonstrated exemplarily
UPLC/ESI-MS/MS provide very useful in-
for fungal constituents from Cortinarius
Heads: Andrea Porzel & Jürgen Schmidt
formation with respect to their metabolite
species and plant natural products from
profile. While the high resolution MS data
several Hypericum species including
Birgit Dräger, Marcus Glomb,
Dirk Steinborn
yield elemental compositions of the de-
extensive MS/MS investigations. Further-
tected metabolites, UPLC-MS investiga-
more, the Orbitrap system can be
Mats Hamberg
The Spectroscopy Group is engaged in
tions allow a mass spectral profiling of the
equipped with a desorption electrospray
Karolinska Institute, Sweden
metabolomics research as well as in
corresponding sample including MS/MS
ionization (DESI) ion source leading to
Ulrike Lindequist
structure elucidation and application de-
data of key metabolites. A principal com-
new possibilities of the direct analysis of
ponent analysis (PCA) based on the UPLC/
chemical compounds.
velopment with modern analytical techniques such as (coupled) mass spectrometric methods, one- and two-dimensional NMR-spectroscopic experiments and
optical spectroscopy (IR, UV, CD). In addition to the identification of plant and fungal metabolites, the synthetic work of our
department is strongly supported by pro-
Fig. 1:
Proposed
structure of
hyperpolyphyllirin, a
new
Hypericum
constituent
viding MS and NMR spectra and their in-
ESI-MS and ESI-FTICR-MS data clearly
Fig. 2: Flow chart of HMBC based
metabolite fingerprinting
University of Greifswald, Germany
Ricardo M. Kuster
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Brazil
Dang Ngoc Quang
showed that the metabolite profiles can
GC/MS
be used not only for the identification and
In the course of a project of the RG Che-
classification of such fungi, but also as a
moenzymatics the GC/EIMS was used for
sophisticated and powerful tool for the
the identification of enzymatically formed
chemotaxonomy of different Suillus sam-
terpenes. Furthermore, during the last
ples according to their biological origin
two years the solid phase extraction
(fruiting bodies or mycelial culture, Fig. 3).
(SPME) headspace method was established in the GC/MS laboratory. Using this
terpretation. Assistance in solving struc-
Ermias Dagne
National University of Education, Hanoi,
Vietnam
Stephan Schilling
Probiodrug AG, Halle
Tran Van Sung
National Centre for Natural Science and
Technology, Hanoi, Vietnam
Christina Thiele
University of Darmstadt, Germany
tural elucidation and analytical problems
ent sets of metabolites contribute for spe-
cultivars based on 2D NMR HMBC spectra
NMR
method the relevant volatile compounds
is also provided to the other departments
cies segregation in NMR and MS datasets.
give results comparable to those derived
The method of saturation transfer diffe-
of basidiocarps of the mushroom Cortina-
of the IPB and external cooperation part-
Next to H. perforatum, H. polyphyllum
from other metabolomic methods like LC/
rence (STD-NMR) was applied to get
rius hinnuleus Fr. (Basidiomycetes, Agari-
ners.
shows the highest content in phlorogluci-
MS, ESI-FTICR-MS, or 1D NMR, but offers
deeper insight in the enzymatic methyla-
cales), a common mycorrhizal mushroom
nols, suggesting that the latter species
additional advantages. HMBC correlation
tion of caffeic acid to ferulic acid using a
in Central Europe, could be identified as
the identification of benzylisoquinoline al-
Metabolomics
might be used as an alternative to St.
patterns allow the assignment of key sig-
plant O-methyl transferase and the co-
geosmin, ß-caryophyllene and ß-barba-
kaloids from Eschscholzia californica (col-
In continuation of our efforts comparing
John’s wort. The structure of a novel hy-
nals to specific molecular structures,
substrate S-adenosyl methionine. We
tene together with the C8-volatiles 1-oc-
laboration with Prof. Roos, Department of
the value of mass spectrometry and nuc-
perforin derivative, hyperpolyphyllirin,
while preserving the reproducibility and
could show the basic suitability of STD-
ten-3-ol, 1-octen-3-one, octan-3-ol, octan-
Pharmacy).
lear magnetic resonance metabolomic
found exclusively in H. polyphyllum, could
universality of detection by NMR tech-
NMR for investigation of enzymatic reac-
3-one, and 2-octen-1-ol.
approaches for the characterization of
be elucidated from the NMR spectra of
niques. Distinct HMBC correlations of the
tions.
herbal products and drugs, the secondary
the crude extract (Fig. 1).
hop resin spectra results in an unequivo-
metabolite diversity within the genus Hy-
Symrise AG, Holzminden, Germany
Other measurements
cal assignment of all closely related bitter
Mass Spectrometry
A large number of high-resolution ESI
pericum (Hypericaceae) and its correla-
To demonstrate the utility of two-dimen-
acid components as well as the identifica-
In autumn 2013 a new electrospray (ESI)
mass spectra, one- and two-dimensional
tion to bioactivity, exemplified by cytoto-
sional heteronuclear NMR fingerprinting
tion of several isomerization and degrada-
high-resolution mass spectrometer (Orbi-
NMR spectra as well as optical spectra
xic properties, was investigated. Utilizing
combined with multivariate data analysis
tion products of hop bitter acids includ-
trap Elite, Thermo Scientific, Bremen)
were provided to several research groups
NMR fingerprinting and MS metabolic
in revealing subtle compositional differ-
ing the sedative principal of hop (2-me-
combined with an UHPLC system was es-
of the IPB.
profiling techniques, MS and NMR spec-
ences in metabolite composition we in-
thyl-3-buten-2-ol). To the best of our
tablished in our Department (Fig. 4). This
tra of extracts of flowers from Hypericum
vestigated hop resins of 13 hop cultivars
knowledge, this study provides the first
instrument allows accurate mass deter-
With respect to the collaboration with
perforatum (commonly known as St.
(Humulus lupulus) derived from different
attempt to apply multivariate data analy-
minations with a resolution up to 240,000
external partners the fruitful cooperation
John’s wort), H. polyphyllum, H. tetrapte-
geographic origin. Heteronuclear multi-
sis on HMBC NMR datasets of plant se-
and enables different tandem mass spec-
with the Department of Inorganic Che-
n
trometric methods such as ion trap MS
mistry of the University Halle-Wittenberg
and higher-energy collision dissociation
(Prof. Steinborn) on the field of high-reso-
rum, H. androsaemum, H. inodorum, H.
ple bond correlation (HMBC) 2D NMR pro-
undulatum and H. kouytchense were eva-
file maps were used to generate a com-
luated and submitted to multivariate data
prehensive 2D NMR chemomatrix as a ba-
The investigation of crude extracts of fun-
(HCD) measurements, respectively. Dur-
lution ESI mass spectrometry of platinum
analyses. Both, MS and NMR, are suitable
sis of PCA multivariate data analysis (Fig.
gal fruiting bodies Suillus bovinus, S. tri-
ing the first year, it could be shown that
complexes should be pointed out. Fur-
for species differentiation although differ-
2). The classification results of the 13 hop
dentinus, S. granulatus, S. variegatus or
the Orbitrap technology represents a very
thermore, UHPLC/electrospray tandem
powerful system for solving structural
mass spectrometry was very helpful for
condary metabolites.
Companies
Fig. 4: Orbitrap Elite Mass spectrometer coupled with an Ultimate
3000 UHPLC system
Group Members
Anja Ehrlich
Christine Kuhnt
Technician
Technician
Mohamed Ali Ali Farag
Martina Lerbs
Alexander von HumboldtFellow
Technician
Gudrun Hahn
Technician
PhD Student,
Guest Researcher
Ramona Heinke
Pia Schöne
PhD Student, Fellow of the
German National Academic
Foundation
Master Student
oderne analytische Methoden (NMR-Spektroskopie, Massenspektrometrie sowie IR-, UV- und CD-Spektroskopie)
sind eine unerlässliche Voraussetzung für die Identifizierung und Strukturaufklärung von Naturstoffen und synthe-
M
tischen Verbindungen. Hochauflösende ESI-Massenspektrometrie, UHPLC/ESI-Tandem-Massenspektrometrie und
NMR-Spektroskopie haben sich darüber hinaus in Kombination mit informatisch-statistischen Methoden als effiziente und
komplementäre Werkzeuge für Aufgaben im Rahmen von verschiedenen Metabolomik-Projekten erwiesen. Die Methoden
wurden u.a. genutzt, um in Nahrungs- und Heilpflanzen wie z. B. Hopfen oder Johanniskraut aufgrund der chemischen Zusammensetzung (d.h. des Metaboloms) die eindeutige Art- und Sortenzuordnung zu ermitteln bis hin zu Lokalitäten. Anders
Cristiane Pereira
als bei einer gerichteten Einzelsubstanzanalytik hilft dies, Fälschungen und Verunreinigungen zu erkennen, selbst wenn man
die verantwortlichen Arten oder Substanzen noch gar nicht kennt.
Fig. 3: Principal Component Analysis (PCA) of four different Suillus species
36
37
Collaborators
Kaleab Asres
Nasser Abdullah Awadh Ali
Birgit Dräger, Reinhard Neubert,
Edgar Peiter, Klaus Humbeck,
Barbara Seliger
Screening
Bertram Gerber
Leibniz Institute for Neurobiology,
Magdeburg, Germany
Heads: Norbert Arnold & Bernhard Westermann
Carola Griehl
Anhalt University of Applied Sciences,
Köthen, Germany
The group develops and performs biolo-
lines allows the discrimination between
cies were shown to inhibit the glutaminyl
Hans-Ulrich Demuth
gical, chemical and virtual screening me-
potential androgenic or antiandrogenic
cyclase (QC), an enzyme involved in the
Fraunhofer-IZI (Institute of Cell Therapy and
Immunology), Leipzig / Halle, Germany
thods to elucidate the biological activities
activities and effects on the estrogen or
formation of Aß peptide plaques connec-
Jennifer Keyser
of small molecules, predominantly natural
glucocorticoid receptor as well as cyto-
ted to Alzheimer’s Disease. The inhibiting
products and derived compounds. The
toxic activities.
metabolites were identified by activity-
lopment is in the areas of whole plant
Additionally, together with partners in
lomics methods with strategies of natural
phytoeffector assays, antibiotic assays
Serbia, a DAAD-funded project was star-
product isolation (reverse metabolomics
Institute for Biological Research “Siniša
Stanković” Belgrad, Serbia
and for enzyme-based assays on trans-
ted to study the influence of (food) plant
approach). Two QC inhibiting com-
Jens Pahnke
ferase reactions. With respect to applica-
natural products on the synergistic modi-
pounds could be identified showing an
tion areas, biocidal (antifungal, antibacte-
fication of cancer drug effects.
inhibition of 81% and 76% at the concen-
Companies
tration of 0.25 mg/mL. The concept won
BASF SE, Ludwigshafen, Germany
a prize in the Hugo Junkers award contest
Ontochem GmbH, Halle, Germany
in Saxony-Anhalt and patenting is pend-
Probiodrug AG, Halle, Germany
correlation analysis combining metabo-
emphasis of our proprietary assay deve-
rial, anthelmintic) and cytotoxic (anticancer, antimitotic) assays are performed.
Other applications are pursued with coo-
Identification of QC inhibiting compounds
from microalgae
Several crude extracts of microalgae spe-
Dual culture essay
peration partners, e.g. for flavor & fragrance applications and CNS active com-
sporium cucumerinum as well as the oo-
mum inhibitory dose as well as for the se-
pounds.
mycete Phytophthora infestans. These
paration of compounds on the TLC plate
highly relevant phytopathogens cause
prior to application of C. cucumerinum.
Several diffusion or surface based assays
enormous losses in crop production.
were successfully substituted or comple-
Three different assay systems were deve-
Assays in 96-well microtiter plates (MTP)
mented by sophisticated concentration
loped allowing the evaluation of living
were established on the basis of fungicide
dependent assays, an especially difficult
fungal strains, crude extracts from biolo-
resistance action committee (FRAC)
task for whole plant applications, or if
gical sources and single compounds for
approved monitoring methods.
crude extracts with intrinsic tanning,
their antifungal properties:
color or reducing properties have to be
Our fungal strain collection is screened in
fractions, crude extracts or pure com-
says are complemented by more detailed
confrontation assays using the dual cul-
pounds for their fungicidal activities. The
molecular assays, e.g. enzyme inhibition
ture technique. The IPB culture collection
fungal growth is determined by measure-
or performance assays (see also RG Che-
comprises more than 900 strains, most of
ment of the optical density (OD).
moenzymatics). The screening platform,
them not available in public culture collec-
which also includes virtual assays not pre-
tions. The strains were tested regarding
Anticancer compounds
sented here (details see RG Computatio-
mycelial growth inhibition of the phytopa-
Prostate cancer is one of the most diag-
nal Chemistry), is not limited to the De-
thogens with the aim to develop new po-
nosed forms of cancer among men in
partment of Bioorganic Chemistry, but is
tential biocontrol agents.
western regions. Many traditional appli-
The bioautographic spraying assay is
propose to inhibit the proliferation of
directly performed on silica-coated TLC
prostate cancer cells. The well charac-
Fungicides
plates using mainly Cladosporium cucu-
terized androgen dependent prostate
In our ongoing screening program on
merinum as test organism. This fast and
cancer cell lines LNCaP and the andro-
compounds active against plant patho-
simple assay is suitable for testing crude
gen independent PC-3 were used in a
genic fungi, the targeted species are Sep-
extracts, fractions or pure compounds in
multiple readout assay. The differential
toria tritici, Botrytis cinerea, and Clado-
a dilution series to determine the mini-
behavior of the two prostate cancer cell
Group Members
Peter-Paul Heym
PhD Student
PhD Student
Annika Denkert
Martina Lerbs
PhD Student
Technician
Anja Ehrlich
Saskia Ritter
Technician
Diploma Student
38
Universitetet i Oslo, Norway
ing.
cations or phytotherapeutic concepts
open to all departments of the IPB, and for
Robert Berger
Sanja Mijatovic,
Danijela Maksimovich-Ivanic
This assay system is suitable to screen
tested. The organism or cell-based bioas-
partners in suitable cooperations.
Swiss Tropical and Public Health Institute,
Switzerland
n der Arbeitsgruppe Screening sind die Aktivitäten des biologischen, chemischen und virtuellen Screenings gebündelt.
Die Schwerpunkte eigener Assay-Entwicklung liegen im Bereich Phytoeffektoren, Antibiotika und bei Assays mit enzymatischen Transferasen. Die Anwendungsschwerpunkte sind (a) abiotischer Stress, insbesondere Trockenstress an Nutzpflanzen, (b) antibiotische Eigenschaften mit Schwerpunkt auf antifungischer / antibakterieller Wirkung, (c) Zellproliferation
(Krebs) bei humanen Zellen, (d) geschmacksmodifizierende Substanzen, z.B. Bittermaskierer, und (e) neuroaktiven Substan-
I
LNCaP (prostate cancer cell line): androgen dependend growth; left: – test
compounds; right: + test compound
zen (Alzheimer, Lernverbesserung u.a.). Es konnten u.a. Substanzen aus Algen mit Potential gegen eine Zielstruktur bei Alzheimer identifiziert werden, sowie diverse Pilze, die Substanzen gegen pilzliche Schaderreger an Pflanzen erzeugen.
39
Collaborators
Ludger Beerhues
Technical University Braunschweig, Germany
Wilhelm Boland
Max Planck Institute for Chemical Ecology,
Jena, Germany
Lars Bräuer
University of Erlangen-Nürnberg, Germany
Computational Chemistry
Birgit Dräger, Jörg Degenhardt, Renate
Ulbrich-Hofmann, Johanna Mansfeld
Heads: Wolfgang Brandt & Andrea Porzel
Thomas Engel, Jörn Martens
University of Munich, Germany
Joram Eyal
Institute of Plant Sciences, Bet-Dagan, Israel
Three-dimensional molecular structures of
Cation-dependent O-methyltransferases
cient methyl transfer to catechol-like hy-
small molecules and proteins, and their re-
Crystal structure data of cation-dependent
droxyl groups in phenolics. The triad is
action mechanisms are broadly investi-
catechol O-methyltransferases (COMTs)
conserved among all characterized plant
Leibniz-Institut für Informationsinfrastruktur
FIZ Karlsruhe, Germany
gated by methods of computational che-
from mammals and related caffeoyl coen-
CCoAOMT-like enzymes, which are re-
Oliver Kayser
m-istry. As source for in silico screening
zyme A-OMTs (CCoAOMTs) from plants
quired not only for methylation of soluble
(see RG Screening) structural databases
have suggested operative molecular me-
phenylpropanoids like coumarins or mo-
are used to predict new substrates or inhi-
chanisms. These include bivalent cations
nolignol monomers, but is also present in
bitors of plant enzymes or to develop
which facilitate deprotonation of vicinal
the similar microbial and mammalian
Technische Informationsbibliothek Hannover,
Germany
drugs for medicinal or other applications.
aromatic dihydroxy moieties and illustrate
cation-dependent enzymes which me-
Michael L. Nickerson
In addition to the application, we develop
a conserved arrangement of hydroxyl and
thylate a comparable set of substrates.
own methods to fill gaps in the computa-
carboxyl ligands consistent with the re-
tional possibilities or in data handling. Thus
quirements of a metal-activated catalytic
Research Data Management
a new semiempirical quantum mechanical
mechanism. A previously undetected ca-
IPB has introduced a primary data depo-
method is under development, which ex-
talytic triad, consisting of Lys157-Asn181-
sitory system in which the RG Computa-
ceeds other semiempirical methods in ac-
Asp228 was predicted to be required for
tional Chemistry was one of the driving
curacy and computational speed. In data
complete methyl transfer in case of a cat-
forces. IPB also is a partner in the DFG
handling we try to develop standards and
ion-dependent phenylpropanoid and fla-
supported inter-institutional project RA-
best practices as partner of larger consortia.
vonoid OMT by molecular modelling stud-
DAR – Research Data Repository, a gene-
ies (Fig.2). Corresponding experimental
ric, interdisciplinary service for sustain-
Protein structures and functions
investigations (T. Vogt, Dep. Cell and
able preservation and publication of re-
Protein homology models of a wide range
Metabolic Biology) supported this hypo-
search data, including an appropriate me-
thesis. This triad appears essential for effi-
tadata scheme.
of enzymes have been created and did
Fig. 1: Tertiary structure model of LsTFP with the aglucone of benzylglucosinolate docked.
essentially guide and support experimen-
Matthias Hahn, Matthias Razum
Technical University Dortmund, Germany
Angelina Kraft, Janna Neumann,
Frauke Ziedorn
National Cancer Institute Frederick,USA
Friedrich Paulsen
University of Erlangen-Nürnberg, Germany
Jan Potthoff
Karlsruher Institut für Technologie KIT
Karlsruhe, Germany
Ute Wittstock,
Technical University Braunschweig, Germany
Companies
SKW Piesteritz, Wittenberg, Germany
Symrise AG Holzminden, Germany
OntoChem GmbH Halle, Germany
tal work. This includes predictions of suitable mutation sites to detect the active
Plant specifier proteins
proteins, other products, namely simple
site or substrate localization, or to aid ra-
As components of the glucosinolate-my-
nitriles, epithionitriles and organic thiocy-
tional protein redesign for biocatalytic
rosinase system, specifier proteins con-
anates, can be formed instead of isothio-
applications. Covered families of enzymes
tribute to the diversity of chemical de-
cyanates, depending on the glucosinolate
are prenylating enzymes, surface active
fenses that have evolved in plants of the
side chain structure and the type of speci-
and experimental evidence sug-
proteins, phospholipases, N-alkyltransfe-
Brassicales order as a protection against
fier protein. The biochemical role of spe-
gest that a proton relay involving
rases such as spermidine synthases and
herbivores and pathogens. Glucosino-
cifier proteins is largely unresolved. We
Lys157 – Asn181 – Asp228 is es-
putrescine N-methyltransferases, tropi-
lates are thioglucosides that are stored
have used two thiocyanate forming pro-
sential for the methyl transfer in
none like reductases, O-methyltrans-
separately from their hydrolytic enzymes,
teins (TFP) and one epithiospecifier pro-
ferases, glucosyltransferases, poly(ADP-ri-
myrosinases, in plant tissue. Upon tissue
tein with different substrate/product spe-
bose)polymerases (PARPs), plant specifier
disruption, glucosinolates are hydrolyzed
cificities to develop molecular models
proteins, serine carboxypeptidases and
by myrosinases yielding instable aglu-
(Fig. 1), which, in conjunction with muta-
more. Two specific projects are detailed in
cones that rearrange to form defensive iso-
tional analyses, allow us to propose an ac-
the following:
thiocyanates. In the presence of specifier
tive site and docking arrangements with
Fig. 2: Theoretical calculations
cation-dependent O-methyltransferases (CCoAOMTs).
glucosinolate aglucones that may explain
some of the differences in specifier pro-
Group Members
tein specificities. Furthermore, quantummechanical calculations support a reac-
n der Arbeitsgruppe Computerchemie werden Methoden der Bio- und Chemoinformatik, des Molecular Modelings und
der Theoretischen Chemie (Quantenchemie), angewendet und entwickelt, um molekulare Strukturen (z.B. 3D-Strukturen
von Proteinen) und Reaktionsmechanismen aufzuklären. Mit Hilfe dieser Untersuchungen werden sowohl Kandidaten für
I
Susanne Aust
Iris Eckert
Thomas Herberg
Felix Rausch
tion mechanism for benzylthiocyanate
Wirkstoffe, z.B. für Anwendungen im Pflanzenschutz vorhergesagt, als auch Erkenntnisse zu Proteinen und deren Bedeu-
Guest Researcher
Bachelor Student
PhD Student
PhD Student
formation including a catalytic role of the
Richard Bartelt
Daniela Eisenschmidt
Peter-Paul Heym
Jennifer Szczesny
Master Student
PhD Student
PhD Student
Diploma Student
TFP involved. These results may serve as a
Anne-Kathrin Blume
Anne Finck
Susan Gruner
Jördis-Ann Schüler
Master Student
PhD Student
Master Student
Master Student
mental investigations of the mechanisms
tung für die Erkennung kleiner Naturstoffe und deren Biosynthese. Im Mittelpunkt der Grundlagenforschung stehen Proteinfamilien, welche von zentraler Bedeutung für pflanzliche biochemische Kreisläufe sind, mit einem Schwerpunkt auf Transferasen. Auf der Basis von modellierten 3D-Strukturen für Enzyme konnten Vorhersagen für Mutationen erstellt werden, welche zur gezielten Änderung der enzymatischen Aktivität führten oder zum Verständnis der Spezifitäten und Funktionen bei-
Frank Broda
Juliane Fischer
Martin Kopsch
Eva Schulze
of glucosinolate breakdown that will also
trugen.
System Administrator
PhD Student
Diploma Student
PhD Student
help to better understand the evolution of
Michael Dressel
Filipe R.C.D. Furtado
Silke Pienkny
specifier proteins from ancestral proteins
Diploma Student
Scientific Coworker
Scientific Coworker
with functions outside glucosinolate me-
basis for further theoretical and experi-
Ferner werden Standards für Datenmanagement sowohl am Institut als auch auf nationaler Ebene bearbeitet, so im DFG-geförderten Projekt RADAR zur verbesserten Verfügbarkeit und Nachnutzbarkeit von Forschungsdaten.
tabolism.
40
41
of the Department of Bioorganic Chemistry
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45
Department of Stress and Developmental Biology
Abteilung Stress- und Entwicklungsbiologie
Head: Professor Dierk Scheel
Leiter: Professor Dierk Scheel
Secretary: Susanne Berlin
Sekretariat: Susanne Berlin
lant development is in principle genetically determined, but these programs are modulated to certain degree by abiotic and biotic environmental
factors. Thereby, developmental programs are on a
long-term basis adapted to specific local conditions
and protective as well as defense reactions are rapidly
initiated during stress situations. This is a particular advantage for the mostly sedentary living plants. A prerequisite for the initiation of such adaptation and defense
processes is the ability of plants to specifically recognize environmental factors, as well as their variation and
to subsequently activate signal transduction networks
that translate the perceived signal into appropriately
modified gene expression, protein and metabolite patterns. The investigation of the molecular mechanisms
underlying these processes is the main research topic
of the department, with the focus in the area of biotic
interactions.
P
Plants are resistant against most pathogens in their environment. This durable nonhost resistance relies on
the activation of a multi-component defense response,
which is initiated by receptor-mediated recognition of
potential pathogens through complex signaling networks. The plant plasma membrane-localized receptors
perceive typical microbial structures that are of importance for microbial biology, but absent from plants. Examples for such microbe- or pathogen-associated molecular patterns (MAMPs or PAMPs) are fragments of
chitin or glucan from fungal cell walls or of flagellin
from bacterial flagella. Therefore, nonhost resistance is
also called PAMP-triggered immunity.
Successful pathogens are able to suppress PAMP-mediated defense responses by secreting effectors into the
plant apoplast or injecting them into plant cells, where
they affect recognition or signaling processes and thereby render the plant susceptible to the corresponding
pathogen. This phenomenon is called effector-triggered
46
immunity. During co-evolution with their pathogens
plants evolved mechanisms to recognize specific effectors by resistance proteins. This perception event initiates an efficient defense response against pathogens
expressing these effectors, resulting in host resistance
or effector-triggered immunity. The work of several research groups of the department focuses on the analysis of effectors, as well as of recognition, signal transduction and gene activation processes in plant-pathogen interactions.
Plant responses to environmental factors finally result in
altered patterns of metabolites. Furthermore, plant
roots secrete a large number of compounds into the
rhizosphere. Also the pattern of these secreted compounds is genetically determined and modulated by
environmental factors. In fact, it is believed that exudate constituents are involved in chemical communication between different organisms. In order to be able to
directly monitor such alterations, mass spectrometrybased methods have been established allowing the
comprehensive profiling of metabolites. These methods
are also being employed for biochemical phenotyping
of mutants. Comprehensive metabolite profiling required
the establishment of metabolomics and bioinformatics
platforms including the development of appropriate databases and tools for analysis and annotation of primarily mass spectrometry data.
ie pflanzliche Entwicklung ist in genetischen Programmen festgelegt, jedoch durch biotische und
abiotische Umweltfaktoren weitgehend modulierbar. Dadurch ist gewährleistet, dass einerseits Entwicklungsprozesse langfristig an die jeweiligen Standortbedingungen angepasst werden und andererseits
kurzfristig Schutz- beziehungsweise Anpassungsreaktionen in Stresssituationen möglich sind, was bei der
zumeist sessilen Lebensweise von Pflanzen von besonderer Bedeutung ist. Voraussetzung für die Einleitung
dieser Prozesse ist die Fähigkeit von Pflanzen, Umweltfaktoren und deren Veränderung spezifisch zu erkennen und über Signaltransduktionsnetzwerke in entsprechend modifizierte Genexpressions-, Protein- und Metabolitenmuster zu übersetzen. Die Untersuchung der
molekularen Mechanismen dieser Vorgänge steht im
Mittelpunkt der Forschungsarbeiten der Abteilung. Dabei liegt der Schwerpunkt im Bereich biotischer Umweltfaktoren.
D
fektoren unterdrücken, die sie entweder in den Apoplasten sekretieren oder sogar in die Pflanzenzelle injizieren, wo sie mit Erkennungs- oder Signaltransduktions-Vorgängen interferieren und die Pflanze empfindlich gegenüber dem Pathogen machen. Dieses Phänomen ist als Effektor-vermittelte Suszeptibilität bekannt. Im Laufe der Koevolution mit ihren Pathogenen
haben Pflanzen Mechanismen entwickelt, die es ihnen
ermöglichen, spezifische Effektoren mit Hilfe von Resistenzproteinen zu erkennen und eine sehr effektive Resistenzreaktion gegen Pathogene auszulösen, die diesen Effektor exprimieren. Dadurch kommt es zur Wirtsresistenz, die auch als Effektor-vermittelte Immunität
bezeichnet wird. Mehrere Arbeitsgruppen der Abteilung untersuchen Effektoren, Erkennungs-, Signaltransduktions- und Genaktivierungsprozesse, die bei den
verschiedenen Wechselwirkungen von Pflanzen und Pathogenen eine Rolle spielen.
Pflanzen sind gegen die meisten Pathogene in ihrer
Umgebung resistent. Diese stabile Nichtwirts-Resistenz
beruht auf der Aktivierung einer aus vielen Komponenten bestehenden Abwehrreaktion, die nach Rezeptorvermittelter Erkennung der potentiellen Pathogene
über komplexe Signalnetzwerke aktiviert wird. Die in
der pflanzlichen Plasmamembran lokalisierten Rezeptoren erkennen typische mikrobielle Strukturen, die für
deren Biologie wichtig sind, in der Pflanze aber nicht
existieren. Beispiele für diese sogenannten Mikrobenoder Pathogen-assoziierten molekularen Muster
(MAMPs oder PAMPs) sind Fragmente des Chitins oder
Glukans der pilzlichen Zellwände oder des Flagellins
der bakteriellen Flagellen. Die Nichtwirts-Resistenz wird
deshalb auch als PAMP-vermittelte Immunität bezeichnet.
Reaktionen von Pflanzen auf Umweltfaktoren drücken
sich letztendlich in einem veränderten Muster von Metaboliten aus. Darüber hinaus sekretieren Pflanzenwurzeln eine große Anzahl von Stoffen in die Rhizosphäre.
Auch das Muster der sekretierten Stoffe ist genetisch
determiniert und wird durch Umweltfaktoren moduliert.
Es wird vermutet, dass Komponenten dieser sogenannten Exsudate an der chemischen Kommunikation zwischen verschiedenen Organismen beteiligt sind. Um
diese Veränderungen detektieren zu können, wurden
Methoden zur umfassenden Analyse von Metaboliten
mittels Massenspektrometrie etabliert. Diese Methoden
werden darüber hinaus zur biochemischen Phänotypisierung von Mutanten verwendet. Das umfassende Metaboliten-Profiling erforderte die Etablierung einer Bioinformatik- und Metabolomics-Plattform, die eine Erstellung von Datenbanken und Anwendungen für eine Analyse und Annotation insbesondere von massenspektrometrischen Messdaten beinhaltet.
Erfolgreiche Pathogene können die durch die PAMPErkennung ausgelöste Abwehrreaktion mit Hilfe von Ef-
47
Molecular Communication in Plant-Pathogen Interactions
Head: Wolfgang Knogge
(1) Phytopathogens of the
Rhynchosporium genus
Fungi of the genus Rhynchosporium are
causal agents of scald on a variety of
grasses including the cereal species barley, rye and triticale. The five fungal species described to date differ in their host
specificity and fall into two groups based
on conidiospore morphology (Fig. 1). The
beaked-conidia group (BCG) comprises R.
commune, which is pathogenic to Hordeum species including cultivated barley (H.
vulgare) and brome grass (Bromus spp.),
R. secalis, which is specialized to rye (Secale cereale) and triticale, and R. agropyri,
which is found on couch grass (Agropyron
spp.). In contrast, R. orthosporum and R.
lolii, which grow on orchard grass (Dactylis glomerata) and on perennial rye grass
(Lolium perenne), respectively, establish
the cylindrical-conidia group (CCG). Economically important worldwide is the disease caused by R. commune on barley.
Yield losses as high as 40% have been reported. However, yield reductions of 510% are probably more common accounting for economic losses in the order of
500 Mio €/a in the EU-27 countries.
(2) Rhynchosporium genomics
pose the genomes of isolates from the
mycetes clade of the Ascomycota. Finally,
Rhynchosporium species were sequenced,
using the EF1-α, RPB1 and RPB2 amino
assembled (c. 55 Mb) and annotated
acid sequences the relationship to more
(c. 12,000 genes) in cooperation with col-
distantly related fungal species was es-
leagues at the Leibniz Institute for Age Re-
tablished.
search, Jena, at the University of Hertfordshire, Hatfield, UK, and at the Helmholtz
(4) Fungal effector proteins
Center in Munich.
The phytopathogenic lifestyle of Rhyn-
(3) Phylogenetic analysis
fector molecules to adapt to the host
To study the genetic relationship of the
plants and to complete the fungal life
five Rhynchosporium species a phyloge-
cycle. To identify key genetic elements
netic analysis was carried out using multi-
that are relevant for host specificity the
locus DNA sequence information. To this
genomes of isolates from the crop plant-
end, the sequences coding for EF1-α and
infecting species R. commune and of R.
RNA polymerase II subunits RPB1 and
secalis were screened for candidate genes
RPB2 were extracted from the genome
coding for proteins that satisfy a number
data base. In addition, the rDNA regions
of criteria such as presence of a secretion
late regarding fungal growth in planta and
R. commune grown ex planta was ana-
letion of two of these genes in R. commu-
(18S rDNA, ITS1-5.8S rDNA-ITS2, 28S rDNA)
signal, small size, high cysteine content
disease phenotype.
lyzed at the protein level by mass spectro-
ne led to the identification of a PKS prod-
were obtained by Sanger sequencing. The
and species-specific occurrence or spe-
metric techniques (LC-MS/MS) using a
uct. In cooperation with the Department
resulting phylogeny confirms the two
cies-specific expression in planta. Five
Besides species-specifically occurring
protein database derived from the gene
of Bioorganic Chemistry LC/MS- and NMR-
major BCG and CCG branches (Fig. 1). In
genes (RcSP1, RcSP2, RcSP3, RcSP5,
genes a few genes were found that are
models. Nearly 3,000 peptide spectrum
based techniques are used to establish
the BCG branch, R. commune and R.
RcSP6) in R. commune and only one gene
species-specifically expressed in planta
matches (PSMs) were identified in protein
the structure of this component as well as
agropyri appear to be the closest sister
(RsSPa) in R. secalis turned out to match
despite the presence of paralogs in both
extracts from fungal mycelia, conidia and
to identify products of additional sec-
species. In contrast, the intron pattern of
these criteria (Fig. 2). The structures of
R. commune and R. secalis. Future re-
culture filtrate. Future experiments aim at
ondary metabolism enzymes.
the rDNA genes suggests a closer rela-
these genes as predicted by the annota-
search therefore aims at identifying addi-
analyzing and quantifying fungal protein
chosporium requires the secretion of ef-
Fig. 2. Selection of effector candidate genes. Number of genes matching the different selection criteria. TMD, transmembrane domain;
AA, number of amino acids; Cys,
cysteine content; Rc, R. commune.
Fig. 3. Expression of R. commune-specific candidate effector genes. Abundance of the mRNAs coding for (1) RcSP1, (2) RcSP2, (3) RcSP3, (5) RcSP5 and
(6) RcSP6 was determined by qRT-PCR during development of R. commune on
susceptible barley. The grey dotted line represents the fungal biomass in the
leaves during the three stages, mycelial establishment (until 6-7 dpi), rapid
growth (until 14 dpi) and stationary phase. dpi, days post inoculation.
tionship between R. commune and R. se-
tion algorithms were verified based on
tional genes by RNA sequencing that may
abundance during pathogenesis as an es-
calis. Hence, based on these results the
cDNA sequencing. All five R. commune
contribute to species specificity based on
sential complement of transcriptome
relationship between the three BCG spe-
genes (Fig. 3) as well as the R. secalis
their expression characteristics during
analysis.
cies cannot be resolved unequivocally.
gene are expressed during the early stage
pathogenesis. Furthermore, several of the
of pathogenesis, when the fungal mycelia
candidate effector genes are members of
(6) Fungal secondary metabolism
The James Hutton Institute, Dundee,
Scotland, UK
In recent years, comparative genomics on
Collaborators
Anna Avrova
a number of phytopathogenic filamen-
In addition to analyzing the intra-genus
are established in the host tissue. For
small gene families. Therefore, using the
In addition to proteins, fungal secondary
Bruce Fitt
tous fungi and oomycetes have unveiled
relationship, the gene sequences were
functional characterization of the genes
R. commune NIP2 gene family as a case
metabolites may play a role during patho-
University of Hartfordshire, Hatfield, UK
microbial genes that play important roles
used to confirm the integration of the
targeted deletion mutants are being gen-
study an RNAi system was established
genesis. The genomes of the Rhyncho-
during pathogenesis. With the same pur-
Rhynchosporium genus into the Leotio-
erated and compared to the wild type iso-
that allows functional studies of a small
sporium species contain different num-
Martin Münsterkötter,
Ulrich Güldener
number of genes by their simultaneous
bers of genes coding for typical key en-
down-regulation.
zymes of secondary biosynthesis such as
Group Members
polyketide synthases (PKS, 7-11), non-ribo-
Jenny Graap
Bachelor Student
(5) The fungal proteome
somal peptide synthetases (NRPS, 3-5)
In a pilot experiment, gene expression in
and hybrid enzymes (PKS-NRPS, 2-3). De-
Institute of Bioinformatics and Systems
Biology, Helmholtz Center, Munich, Germany
Matthias Platzer, Stefan Taudien,
Marius Felder
Leibniz Institute for Age Research – Fritz
Lipmann Institute, Jena, Germany
Jan Hoffmann
Bachelor Student
ür die Gattung Rhynchosporium wurden bisher fünf Pilzarten beschrieben, die mit hoher Wirtsspezifität eine Blattflecken-
Susanne Kirsten
F
Technical Assistant
krankheit auf verschiedenen Grasarten einschließlich der Getreide Gerste, Roggen und Triticale verursachen. Durch phy-
Andrea Leitner
logenetische Untersuchungen unter Verwendung der Sequenzen von sechs Genen wurden die Verwandtschaftsverhält-
PhD Student
nisse zwischen diesen Arten ermittelt und die Gattung in das System der Ascomyceten eingeordnet. Hauptziel der Arbeiten ist
Daniel Penselin
PhD Student
Xiaohang Wang
Master Student
Claudia Wenzel
PhD Student
48
jedoch die Identifizierung der molekularen Faktoren, die der pilzlichen Virulenz und insbesondere der Spezialisierung auf be-
Fig. 1: Rhynchosporium phylogeny. The phylogenetic relationship between the
five described Rhynchosporium species was calculated based on six gene sequences including the rDNA genes 18S, 5.8S and 28S (blue). Red, internal transcribed spacer (ITS); yellow, introns.
stimmte Wirtspflanzenarten zugrunde liegen. Hierzu wurden durch vergleichende Genomanalyse spezifische Effektor-Kandidatengene identifiziert, die derzeit funktionell charakterisiert werden. Darüber hinaus wird die Rolle von Sekundärstoffen bei
der Pathogenese untersucht.
49
Collaborators
Ulla Bonas, Gunther Reuter
Gitta Coaker
University of California, Davis, USA
Karl-Josef Dietz
University of Bielefeld, Germany
Magda Krzymowska
Cellular Signaling
ulate signaling. At least four MAPKs,
phosphorylation of some enzymes may
MPK3, MPK4, MPK6 and MPK11 are acti-
directly modulate defense metabolite
Institute of Biochemistry and Biophysics,
Warszawa Poland
Heads: Dierk Scheel & Justin Lee
vated after MAMP treatment in Arabidop-
production/accumulation. Much of our
David Mackey
sis. Besides roles in defense, these MAPKs
work is performed in close collaboration
also regulate growth and development
with our IPB Proteome Analytics group
processes. The specificity of the appropri-
that supports in identifying the phospho-
Plants activate a complex multi-compo-
ate response is presumably controlled by
rylation sites in the phosphoproteins. A
nent defense response to restrict patho-
pathway-specific substrates. We aim to
method for rapid site-directed mutagene-
gen ingress. One of the first steps in de-
identify the MAPK substrates with de-
sis of MAPK sites (Eschen-Lippold et al.
Nese Sreenivasulu
fense activation is mediated through the
fense-related roles. Metabolomics analy-
2014) was developed to facilitate the vali-
International Rice Research Institute,
Philippines
recognition of conserved pathogen-de-
sis of transgenic plants expressing a con-
dation of the mass spectrometry data and
Joachim Uhrig
rived molecules (typically referred to as
stitutively-active MAPK-kinase revealed
assessment of the impact of phosphoryla-
Microbe-Associated Molecular Patterns,
that activation of MPK3 and/or MPK6 is
tion on protein function.
MAMPs) or pathogen-induced modifica-
sufficient to trigger the accumulation of
tions of host molecules. Our research fo-
secondary antimicrobial metabolites such
In collaboration with several other groups,
ated with negative regulation of salicylic
cuses on two early cellular defense signal
as camalexins and various indole glucosi-
we aim to understand how pathogen ef-
acid-mediated defense response and ma-
transduction pathways in MAMP-trig-
nolates. Phosphoproteomics analysis
fector proteins target plant signaling (e.g.
nipulating this pathway could enable fine-
gered immunity, i.e. calcium signaling
using a novel phosphoprotein enrichment
Singer et al. 2013). Ongoing work identi-
tuning of defense control. Taken together,
and mitogen-activated protein kinase
method (Lassowskat et al. 2013) has en-
fied a Pseudomonas effector protein that
the knowledge gained in our studies may
(MAPK) signaling, and understanding how
abled us to identify putative direct MAPK
specifically blocks the activation of MPK4/
be used for enhancing disease resistance
pathogen effectors manipulate cellular
substrates and/or downstream phospho-
MPK11 by MAMPs. MPK4/MPK11 are associ-
in crop plants.
signaling to promote pathogenesis.
proteins. Interestingly, this list of putative
Fig. 1. Four LPS-insensitive (lipooligosaccharide-specific reduced elicitation, lore) mutants, defective in an S domain receptor-like kinase, were isolated. (A)
Predicted conserved domains and location of lore loss-of-function mutations
(Abbreviations: SP, signal peptide; TM, transmembrane; EGF, epidermal growth
factor; PAN, plasminogen-apple-nematode; DUF, domain of unknown function). (B) [Ca2+]cyt elevation triggered by LPS (prepared from Pseudomonas
aeruginosa strain H4) is lost in lore-1 seedlings. (C) The lore-1 mutant does not
show LPS-induced MAPK activation (but responds normally to chitin). MAPK
activation is detected by anti-phospho-MPK immunoblot that recognizes activated forms of MAPKs. Amido black staining shows equal protein loading.
Plant receptors and their associated proteins mediate MAMP recognition and subsequent signal relay into cellular/biochemical reactions. One of the earliest detectable responses after MAMP perception is the activation of ion channels/
pumps at the plasma membrane – including an increase in cytosolic calcium (Seybold et al. 2014). Calcium is a second
messenger that controls downstream
Ohio State University, USA
Stefanie Ranf
TU Munich, Germany
Alok Sinha
National Institute of Plant Genome Research,
New Delhi India
phosphoproteins includes components
that have been previously identified in genetic screens to regulate indole glucosinolate metabolism in defense against filamentous pathogens (Lassowskat et al.
2014). Furthermore, some candidates
were found with other previous strategies
(e.g. yeast-two hybrid screens or an in vitro protein array-based kinase screen) we
used to search for MAPK-interacting proteins and MAPK substrates. An example is
responses, such as MAPK activation, ROS
screening system to identify receptors for
extracellular domain to that of the animal
a class of MAPK-targeted VQ-motif-con-
(reactive oxygen species) production and
novel MAMPs. Towards this end, we isolated
counterpart, Toll-Like Receptor 4 (TLR4),
taining proteins (MVQs) that interact with
defense gene expression. Using Arabidop-
mutants that do not respond to lipooligo-
suggests convergent evolution between
specific members of WRKY transcription
sis plants expressing the calcium reporter,
saccharide (LPS), a major bacterial endo-
plants and animals in LPS perception. The
factors and regulate MAMP-induced gene
aequorin, one can detect a rapid increase
toxin for animals. These lipooligosaccha-
identification of LORE may open up the
expression (Pecher et al. 2014, Weyhe et
in cytosolic calcium after MAMP elicita-
ride-specific reduced elicitation (lore) mu-
opportunity to use it as a LPS-chelating
al. 2014) (Fig. 2). We postulate that these
tion. In a proof-of-principle genetic screen
tants lack several downstream LPS-in-
agent in human/animal therapy of bacte-
candidates, encompassing putative trans-
for mutants with altered calcium signa-
duced reactions (e.g. MAPK activation, Fig.
rial diseases or confer enhanced LPS sen-
cription factors, transcription factor-asso-
ture, we isolated predominantly mutations
1). Genetic mapping revealed LORE to en-
sitivities in major crops.
ciated proteins or putative RNA-binding
in the receptor and several receptor-asso-
code a lectin S-domain receptor-like ki-
ciated components (Ranf et al. 2014). This
nase. LORE is presumably one plant LPS
Downstream of calcium, MAMP-activated
post-transcriptional regulation of defense
highlights the potential of this calcium
receptor and the difference in the predicted
MAPKs and their phospho-substrates reg-
gene expression, while in other cases,
proteins, play roles in transcriptional and
Fig. 2: Defense gene transcription may be regulated by the proposed ménage à
trois situation between specific MAPKs, WRKYs and VQ-motif-containing proteins (VQPs). The basal tripartite module (highlighted by the yellow triangular
shading) consists of MAPK (M), VQP (V) and WRKY (W) or eventually other still
unknown components. Multiple modules of such complexes probably exist in
plant cells. Specific examples with roles in defense regulation are the protein
complexes containing MPK6-MVQ1-WRKY33 or MPK4-MKS1-WRKY33 (shown
within the dashed circle). Additionally, binary interactions such as WRKY dimers
or VQP-WRKY pairs (eg. SIB1-WRKY33), which are not targeted by MAPKs, also
exist for MAPK-independent regulation. (Abbreviations: MVQ1, MAPK-targeted
VQP 1; MKS1, MPK4 substrate 1; SIB1, Sigma factor-binding protein 1).
Group Members
Manaswita Baruah
Siska Herklotz
Pascal Pecher
Fabian Trempel
PhD Student, Erasmus Mundus Fellow
Bachelor Student
PhD Student
PhD Student
Nicole Bauer
Xiyuan Jiang
Florian Rist
Lore Westphal
Technician
PhD Student
Master Student
Senior Scientist
Martina Brode
Ines Lassowskat
Arsheed Hussain Sheikh
Martin Weyhe
Master Student
PhD Student
PhD Student, DAAD Sandwich Fellow
PhD Student
Lennart Eschen-Lippold
Luis Maldonado-Bonilla
Sara Sopeña
Guest Scientist
Marina Häußler
Annekatrin Missal
Naheed Tabassum
Technician
Master & PhD Student
PhD Student
50
flanzen sind in der Lage, die Anwesenheit von Mikroorganismen über eine Rezeptor-vermittelte Erkennung von Pathogen-abgeleiteten Signalen wahrzunehmen und dadurch Signaltransduktionswege zu initiieren, die komplexe Abwehr-
P
reaktionen aktivieren. Zu den daran beteiligten Prozessen zählen eine transiente Erhöhung der zytosolischen Kalziumkonzentration, die Aktivierung von Ionenkanälen und MAP-Kinasen, die Akkumulation von reaktiven Sauerstoffspezies und
die Expression von Abwehrgenen. Mittels genetischer Mutanten-Screens und der molekularen Charakterisierung von MAPKSubstraten wurden in unserer Arbeitsgruppe Komponenten von Abwehr-Signalwegen identifiziert und funktionell charakterisiert. Ein Bespiel dafür ist die kürzlich erfolgte Identifizierung des pflanzlichen Lipooligosaccharid-Rezeptors. Diese Erkenntnisse können langfristig in der Landwirtschaft zur Herstellung von Pflanzen mit erhöhter Krankheitsresistenz oder
auch in der medizinischen Biotechnologie angewendet werden.
51
Induced Pathogen Defense
Heads: Sabine Rosahl & Dierk Scheel
Group Members
The oomycete Phytophthora infestans is
13 treatment. One of these genes is pre-
formation, possibly by transporting su-
the causal agent of late blight disease,
dicted to encode an ABC transporter. Its
berin monomers out of the cell.
economically the most important potato
expression is also enhanced after wound-
disease worldwide. To elucidate resistance
ing and infection with P. infestans.
In contrast to potato, Arabidopsis is not
mechanisms against this destructive
Transgenic plants with reduced expres-
a host plant for P. infestans. This nonhost
pathogen, we are analyzing the success-
sion of the ABC gene show a striking
resistance is dependent on both pre-
PhD Student
ful induction of enhanced resistance in a
morphological phenotype. While the
and postinvasion resistance mecha-
Marina Häußler
susceptible potato cultivar, as well as
aerial parts of the plants appear normal,
nisms that successfully prevent coloni-
Technician
nonhost resistance of Arabidopsis thalia-
tubers have a rough and corky surface.
zation by P. infestans. A key player in pe-
Franz Hoffmann
na against P. infestans.
Microscopic analyses revealed that the
netration resistance is the atypical myro-
cells of the tuber skin of ABC-RNAi
sinase PEN2. Indole derivatives pro-
The activation of plant defense respon-
plants are collapsed and highly disor-
duced by the PEN2 catalytic activity are
ses depends on the recognition of pa-
ganized (Fig. 1). A defect was also ob-
supposed to be transported out of the
PhD Student
thogen-associated molecular patterns
served in the exodermis and the endo-
cell by the ABC transporter PEN3. Gene-
Andreas Matern
(PAMPs) by plant pattern recognition re-
dermis of roots. These tissues are typical
tic data indicate that the presence of
PhD Student
ceptors. The multicomponent defense
suberin-containing tissues, suggesting
these secondary metabolites in the apo-
Linda Nietzschmann
response activated after PAMP percep-
that formation of this biopolymer is
plast inhibits pathogen entry.
tion is called PAMP-triggered immunity
impaired in the transgenic plants. GC-
(PTI) and contributes to pathogen resis-
MS and UPLC- ESI-QTOF-MS analyses of
To identify additional genes involved in
tance.
potato tuber skin, performed in collabo-
nonhost resistance, a genetic screen
ration with the group Metabolite Profi-
was performed based on mutagenized
Melanie Dobritzsch
PhD Student
Katrin Geißler
Master Student
Nadine Küster
Guest Scientist
Ramona Landgraf
PhD Student
Juliane Rausche
PhD Student
Paul Runge
Bachelor Student
Daniel Scheer
Treatment of the susceptible potato cul-
ling in Arabidopsis and Crop Plants,
pen2 plants. Fourteen mutants were iso-
Master Student
Fig. 2. Tubers with reduced suberin levels suffer a greater water loss during storage than wild type tubers. The weight of control (grey bars) and StABCG-RNAi
tivar Désirée with the Phytophthora
indeed revealed reduced levels of su-
lated which display an enhanced re-
tubers (black bars) was determined at different days after harvesting.
Ulrike Smolka
PAMP Pep-13 results in strong local de-
berin monomers. In accordance with the
sponse to P. infestans inoculation (erp
fense responses and in an enhanced re-
water barrier function of suberin, trans-
mutants). The gene affected in the erp2
sistance against subsequent infections.
genic tubers are more prone to water
mutant was identified by whole genome
To elucidate mechanisms leading to this
loss than control tubers, losing half their
resequencing as EDR1 (enhanced dis-
enhanced resistance, microarray analy-
weight within three weeks of storage
ease resistance 1), encoding a putative
ses were carried out. More than 700
(Fig. 2). These results suggest that the
MAPKKK. Loss of EDR1 function leads to
genes are activated in response to Pep-
ABC transporter is required for suberin
an enhanced response to P. infestans in-
Gerd Hause
oculation, mediated by increased sali-
cylic acid signaling and callose deposi-
Volker Lipka
Technician
Lore Westphal
Senior Scientist
Wu Yang
Bachelor Student
tion. We have thus identified EDR1 as a
negative regulator for postinvasive non-
Collaborators
Peter Dörmann
Paul Schulze-Lefert
University of Bonn, Germany
Max Planck Institute for Plant Breeding
Research, Cologne, Germany
Sophia Sonnewald
University of Erlangen, Germany
Detlef Weigel
Felix Mauch
Max Planck Institute for Developmental Biology,
Tübingen, Germany
University of Fribourg, Switzerland
host resistance.
ie wirtschaftlich wichtige Kraut- und Knollenfäule der Kartoffel wird durch den Oomyceten Phytophthora infestans
verursacht. Um pflanzliche Abwehrmechanismen gegen P. infestans zu identifizieren, untersuchen wir die Interaktion
des Pathogens mit seiner Wirtspflanze Solanum tuberosum und mit der Nichtwirtspflanze Arabidopsis thaliana.
D
Die Behandlung einer anfälligen Kartoffelsorte mit Pep-13, einem pathogen-associated molecular pattern (PAMP) aus
Phytophthora, führt zu einer starken lokalen Abwehrantwort und zu einer erhöhten Resistenz gegen weitere Infektionen
durch P. infestans. Eines der durch Pep-13 aktivierten Gene kodiert für einen ABC-Transporter, der für die Suberinbildung in
der Kartoffelschale notwendig ist.
Fig. 1. Identification of an ABC transporter required for suberin formation in potato tuber skin. In contrast to control
plants (left panel), transgenic potato plants with reduced expression of suberin ABC transporter genes show defective tuber skin (right panel). Foto: Gerd Hause, University of Halle
52
In einem genetischen Screen wurden Mutanten der Nichtwirtspflanze Arabidopsis erhalten, die eine verstärkte Antwort auf
die Infektion mit P. infestans zeigen. Eines der betroffenen Gene wurde durch Sequenzierung des Mutantengenoms identifiziert. Der Defekt in einem Gen für eine putative MAPKKK führt zu einer verstärkten Zelltodreaktion. Dies lässt auf eine Funktion des Proteins als negativen Regulator in der post-invasiven Phase der Nichtwirtsresistenz schließen.
53
Bioinformatics & Mass Spectrometry
The annotation of interesting metabolites
mental Research (UFZ), especially in the
can also be directly integrated into the
area of metabolite and small molecule
Head: Steffen Neumann
metabolite profiling data analysis. To-
identification in the EU FP7 project SOLU-
Collaborators
gether with Dr. Gaquerel from the MPI for
TIONS (http://www.solutions-project.eu/),
chemical ecology in Jena, we created a
which searches for new and improved
Masanori Arita
correlation network-based approach,
tools, models, and methods to support
National Institute of Genetics, Mishima, Japan
Today, mass spectrometry is a key tech-
which organises the initial peak lists into
decisions in environmental and water
Sebastian Böcker
nology for metabolomics research. Due to
related clusters. Thus, the in-source frag-
policies.
University of Jena, Germany
immense technological advances in mass
mentation peaks can be sent to MetFrag,
spectrometry over the last years, the
and the metabolites in the network neigh-
amount and complexity of the data produced has been growing rapidly. We are
Werner Brack
Together with Dr. Schymanski, we started
Helmholtz Centre for Environmental Research,
Leipzig, Germany
bourhood provide further biochemical
the CASMI contest series: the Critical As-
Ivo Große, Stefan Posch
evidence.
sessment of Small Molecule Identification.
We published challenge spectra, and in-
Oliver Kohlbacher
developing Open Source algorithms, databases and tools, which are required for
Since environmental research and meta-
vite the community to submit identifica-
the analysis of metabolomics experiments.
bolomics share many analytical and bioin-
tion hypotheses for an unbiased com-
formatics challenges, we initiated coope-
parison of the available tools. Each CASMI
For the software development we use dif-
rations with Eawag, the Swiss Federal In-
edition is held by a different local organi-
ferent methods, such as the statistics en-
stitute of Aquatic Science and Technolo-
zation team with support by Emma Schy-
vironment R and various Bioconductor
gy and the Helmholtz Centre for Environ-
manski and Steffen Neumann.
packages. Other projects use Java, and
the possibility to add user friendly web
based interfaces. Compute intensive calculations are executed on the IPB cluster,
which provides a number of local compute nodes, but also allows to move tasks
University of Tübingen, Germany
Takaaki Nishioka
Graduate School of Agriculture, Kyoto, Japan
Kazuki Saito
Riken Plant Science Center, Yokohama City,
Japan
Susanna Sansone,
Phillipe Rocca-Serra
Oxford University, UK
Canonical Variables (CV) are subsets of metabolites (blue) and genes (green) that
are highly correlated. The experiment design (red) encodes experimental design
factors, here a combination of the genetic, treatment and timepoint information.
The first CV summarises the plant response to Phytophtora infestans infections
(left), while the second CV is dominated by differences related to a particular
genotype (right).
Emma Schymanski
Eawag, Dübendorf, Switzerland
Christoph Steinbeck
European Bioinformatics Institute, Hinxton,
Cambrigde, UK
into a public cloud where necessary.
standards. The Bioconductor package mzR
Since reference spectra are often expen-
In all of the above developments, we have
The first step in a metabolomics data pro-
is the underlying data import layer for se-
sive (both in consumables and chemicals,
reproducible research and Open Data in
cessing pipeline is the processing of sig-
veral other packages.
but even more so in manpower) to obtain,
mind. The focus on scripted analyses al-
reference libraries will never be covering
lows to easily repeat all or individual steps.
nals, to reduce complex chromatographic
data into peak lists, and align several peak
Multiple statistical methods can be app-
as many compounds as can be found in
We have contributed early feedback and
lists from different samples into a data ma-
lied to metabolomics – and also multi-
general purpose compound databases.
example data to the ISA (Investigation,
trix. We are co-maintaining the successful
omics – data sets, ranging from univariate
Therefore, we are developing the MetFrag
Study, Assay) tools and the Metabolights
Bioconductor package XCMS, which is
to multivariate approaches. Together with
system. The tool uses the tandem mass
metabolomics repository at the EBI. These
downloaded about 12,000 times per year.
researchers from the University of Halle,
spectrum and the calculated mass of the
efforts continue in the EU project COS-
We also created the CAMERA package to
we have extended canonical correlation
compound as input to search chemical
MOS (http://www.cosmos-fp7.eu/) on
annotate ion species typically found in
analysis (CCA) to allow the interpretation
structure databases such as KEGG, Pub-
electrospray ionization mass spectrome-
of multi-omics datasets in the context of
Chem or ChemSpider for matching mole-
try (ESI-MS). These tools accept raw data
experimental design. The statistical analy-
cules. In cooperation with Dr. Brandt and
from almost any mass spectrometer after
sis of metabolomics experiments will re-
the computational chemistry group we
conversion to the open XML data format
veal a number of interesting metabolites.
improve the chemical feasibility of the
mzML, or the Excel-compatible mzTab.
For any further biological interpretation, it
predictions. A user-friendly web applica-
The specification, examples and imple-
is required to identify their structure.
tion is accessible at http://msbi.ipb-
nity, organized in the Proteomics Stan-
The processing and analysis of tandem
source code under an open-source license
dards Initiative. The IPB is continuously
mass spectrometry is a key technology
for local deployments. MetFusion is a
contributing to and promoting the open
for the identification of small molecules.
strategy and system to combine the com-
The IPB Halle is member of the MassBank
pound hypotheses obtained by the com-
consortium, the first open database of re-
plementary MassBank and MetFrag identi-
ference spectra. We develop an ecosys-
fication approaches. This strategy com-
tem of tools and workflows around
bines the best of both worlds: the identifi-
MassBank. The spectral database is an
cation using spectral libraries if similar
important resource for metabolomics
spectra are available, and the huge chemi-
researchers, but also the foundation for
cal coverage of the compound databases
Group Members
Daniel Schober
PhD Student
Carsten Kuhl
Jan Stanstrup
PhD Student
Guest Scientist
Susan Mönchgesang
Hendrik Treutler
PhD Student
PhD Student
the development of computational mass
queried by MetFrag. Under certain as-
Christoph Ruttkies
Diana Trutschel
spectrometry methods. The spectra are
sumptions MetFusion can be expected to
PhD Student
PhD Student
used to train and validate computational
identify 2500 of the KEGG compounds in
models.
the top 10 among all PubChem candidates.
54
micS, where the IPB leads the work package for Data Standards. The goal is the
development of efficient e-infrastructures
in life sciences, that will help to boost the
understanding of plants as complex biological systems.
halle.de/MetFrag/, but we also provide the
mentations were created by the commu-
Michael Gerlich
COordination of Standards in MetabOloAfter signal processing, network
analysis clusters peaks into
strongly connected subgraphs,
and MetFrag is used to annotate
possible metabolite identifications.
ie Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit Datenbanken und Anwendungen für die Analyse von Metabolomicsdaten. Die
Auswertungen werden in Java und der Statistiksprache R durchgeführt und durchgängig als Open Source zur Verfügung gestellt.
D
Der erste Schritt in der Verarbeitung von Massenspektrometriedaten ist die Signalverarbeitung, um die Rohdaten in einfache Peaklisten zusammenzufassen und zu annotieren. Die ursprünglich für Metabolitenprofile entwickelten Methoden haben wir auf die Verarbeitung von Tandem-Massenspektren (MS/MS) erweitert.
Für die biologische Interpretation ist die Identifikation der Metabolite nötig. Das IPB ist Mitglied im MassBank-Konsortium
und entwickelt die in-sillico-Methode MetFrag für die Fälle, in denen keine Referenzspektren existieren. Das neue Tool MetFusion integriert beide Ansätze.
Im EU Projekt COSMOS arbeiten wir mit Partnern an der Etablierung einer effektiven E-Infrastruktur zur Speicherung und
Analyse von Metabolomicsdaten und deren Integration mit weiteren -omics-Datensätzen aus den Lebenswissenschaften.
55
Metabolite Profiling in Arabidopsis and Crop Plants
Head: Dierk Scheel
Group Members
Christoph Böttcher
Julia Göhricke
Technician
Siska Herklotz
Master Student
Sylvia Krüger
Technician
Sophie Nahrstedt
PhD Student
Stephan Schmidt
Nadine Strehmel
Collaborators
Stephan Clemens
University of Bayreuth, Germany
During development and in response
to variable environmental conditions,
plants exhibit altered metabolite patterns. Among those low molecular
weight compounds, the number and
diversity of secondary metabolites is
particularly high. These are known to
play crucial roles in plant development, adaptation and defense. For
sensitive detection, quantification
and identification of the diverse
spectrum of metabolites liquid and
gas chromatography-coupled mass
spectrometry (LC-MS and GC-MS) is
employed in mostly non-targeted
manner. In cooperation with the Bioinformatics and Mass Spectrometry
group, versatile tools for data analysis and storage have been developed
and made publicly available (see corresponding report).
tography, the hyphenation of orthogonal analysis platforms such as LCMS and GC-MS and the setup of an
GC/APCI(+)-QTOFMS analysis pipeline. As a result, more than 90 compounds of a representative root exudate sample of the Arabidopsis accession Col-0 were structurally characterized and 42 of them identified
using an authenticated standard.
With this knowledge, the genetic
variability of plants’ root exudates
was explored. Comprehensive metabolite profiling analysis of 19 Arabidopsis thaliana accessions showed
that the root exudation pattern is to a
large part genetically determined,
which could be proven for selected
compounds, such as 1-MeO-13CH2NH2
and didehydro di(coumaroyl)spermidine sulfate.
Current research focused on biological objectives on the one hand (Fig. 1,
panel A) and technical issues on the
other hand (Fig.1, panel B). One central research activity was within the
interdisciplinary SAW project Chemical communication in the rhizosphere. Here, innovative strategies for
the identification of unknown compounds from complex metabolite
profiles were applied. These target
the compilation of accurate tandem
mass spectrometry data, the application of on-line H/D exchange chroma-
These data furthermore formed the
basis for exploring changes in root
and exudate metabolite patterns in
response co-cultivation of Arabidopsis plants with Piriformospora
indica or Rhizobium leguminosarum,
as well as the altered root exudation
pattern after limited nutrient availability using iron as an example case. Both
microorganisms had a strong influence on the lignan, glucosinolate and
coumarin pathway. Coumarins were
identified as being essential for Fe(III)
mobilization.
A)
Ulf-Ingo Flügge, Tamara Gigolashvili
University of Cologne, Germany
Erich Glawischnig
Technical University Munich, Germany
Barbara Ann Halkier
University of Copenhagen, Denmark
Joachim Kopka
Max Planck Institute of Molecular Plant
Physiology, Golm, Germany
Carsten Milkowski
Silke Ruppel, Katja Witzel
Leibniz Institute of Vegetable and
Ornamental Crops, Großbeeren, Germany
Paul Schulze-Lefert
Max Planck Institute for Plant Breeding
Research, Cologne, Germany
B)
ährend der Entwicklung und als Reaktion auf wechselnde Umweltbedingungen verändern Pflanzen
W
das Muster ihrer Metaboliten. Unter diesen niedermolekularen Verbindungen sind insbesondere
Anzahl und Diversität von Sekundärmetaboliten sehr hoch. Sie spielen eine wichtige Rolle in Ent-
wicklungs-, Adaptations- und Abwehrprozessen. Für die sensitive Detektion, Quantifizierung und Identifizierung des Spektrums pflanzlicher Metaboliten wird Flüssigkeits- und Gaschromatographie-gekoppelte Massenspektrometrie (LC-MS, GC-MS) zumeist in ungerichteten Ansätzen eingesetzt. In Zusammenarbeit mit der
Forschungsgruppe Bioinformatik und Massenspektrometrie wurden wichtige Werkzeuge zur Datenanalyse
Fig. 1. Central research objectives of the metabolite profiling group. A) Main topics of the SAW
project Chemical Communication in the Rhizosphere including microbial community dynamics,
nutrient deficiency and genetic variability studies. B) Development of strategies for the identification of unknown compounds from complex metabolite profiles.
und –speicherung entwickelt und öffentlich verfügbar gemacht.
56
57
Publications and other Activities of the Department of
Stress and Developmental Biology
Publications 2013
Frolov, A., Henning, A., Böttcher, C., Tissier, A. & Strack, D.
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Philippe Rocca-Serra, P., Maguire, E., González-Beltrán, A.,
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The handbook of plant metabolomics (Weckwerth, W. &
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7/8/2014.
61
Department of Cell and Metabolic Biology
Abteilung Stoffwechsel- und Zellbiologie
Head: Professor Alain Tissier
Leiter: Professor Alain Tissier
Secretary: Ildikó Birkás
Sekretariat: Ildikó Birkás
ow specific metabolites are produced, how their biosyn-
H
constitute the major interaction point and are key to the ex-
thesis is regulated, and what roles they play in the re-
change of minerals and nutrients between the plant and the fun-
ie werden spezifische Metabolite produziert? Wie ist
W
Ebenfalls hochspezialisierte Zellstrukturen sind die Arbuskeln
ihre Biosynthese reguliert? Welche Rolle spielen sie in
sponses of plants to their environment are fundamental
gus. This interaction is studied in two research groups, Jasmo-
von Mykorrhizapilzen, die innerhalb der Pflanzenwurzel gebildet
der Reaktion der Pflanze auf ihre Umwelt? Dies sind
questions that our Department is trying to answer. These are ad-
nate Function & Mycorrhiza (B. Hause) and Carotenoid Me-
werden und das wichtigste Organ für den Austausch von Mine-
grundlegende Fragen, die in unserer Abteilung beantwortet wer-
dressed in the context of specific organs, tissues or cell types
ral- und Nährstoffen zwischen Pflanze und Pilz in dieser mutua-
tabolism & Mycorrhiza (M. Walter and A. Tissier). In the first
den sollen, wobei insbesondere spezifische Organe, Gewebe
listischen Symbiose darstellen. In der AG Jasmonatfunktion &
and/or in the context of plant-microorganisms interactions. Me-
group, this is done in the frame of a PAKT-project funded by the
oder Zelltypen und/oder die Interaktion von Pflanzen mit Mikro-
Mykorrhiza (B. Hause) werden hierbei im Rahmen des von der
tabolites, whether they are defense or signaling compounds, are
Leibniz Association entitled Chemical Communication in the
organismen im Mittelpunkt stehen. Pflanzliche Metabolite – ob
Leibniz-Gemeinschaft geförderten PAKT-Projekts Chemische
delivered at specific places and times to fulfill their function.
Rhizosphere. Here, the focus is on the early events of the inter-
sie nun als Abwehr- oder Signalstoffe fungieren – werden an spe-
Kommunikation in der Rhizosphäre die frühen Ereignisse der In-
Within our Department, this space and time controlled biosyn-
action. Transcriptomic and metabolomic approaches are imple-
zifischen Orten und zu bestimmten Zeiten produziert, um ihre
teraktion mittels Transcriptomics und Metabolomics-Ansätzen
thesis and delivery of specialized metabolites is being investi-
mented to identify specific molecules and associated pathways,
Funktion zu erfüllen. Diese räumlich und zeitlich kontrollierte Bio-
untersucht. Es sollen spezifische Metabolite einschließlich der
gated in the context of a few model systems.
which are induced in the plant root as it encounters the fungus.
synthese und Freisetzung spezialisierter Metabolite wird anhand
dazugehörigen Stoffwechselwege identifiziert werden, die die
In the second group, the biosynthesis and function of carotenoid
einiger Modell-Systeme untersucht.
Pflanze in Reaktion auf die Anwesenheit vom Pilz produziert. In
One such system, studied in the Research group Glandular
cleavage products, particularly alpha-ionone derivatives, which
Trichomes & Isoprenoid Biosynthesis (A. Tissier), is the secretory
are specifically synthesized and accumulate in the arbusculated
Ein solches System, das in der AG Glanduläre Trichome & Iso-
korrhiza (M. Walter und A. Tissier) stehen Biosynthese und Funk-
cells of the glandular trichomes. These specialized structures,
cells, are being studied. It is speculated that these compounds
prenoidbiosynthese (A. Tissier) untersucht wird, besteht aus
tion von Carotinoid-Spaltungsprodukten, hierbei insbesondere
located on the surface of the aerial parts of many plant species
play a role in the turn-over of arbuscules, which are relatively
den sekretorischen Zellen glandulärer Trichome. Diese speziali-
die der Alpha-Ionon-Derivate im Fokus. Sie werden in Arbuskel-
are able to deliver onto the leaf surface massive amounts of com-
short-lived structures with a life span of only a few days. How
sierten Strukturen, die sich auf der Oberfläche der oberirdischen
haltigen Zellen der Wurzel gebildet und spielen wahrscheinlich
pounds which may represent up to 15% of the leaf biomass and
small molecules can control the development and differentiation
Teile vieler Pflanzen befinden, können große Mengen verschie-
eine Rolle im Turn-Over der Arbuskeln, die selbst nur kurzlebige
represent a first line of defense against pathogens of herbivores.
of organs, tissues and cell types is also a major interest of the re-
dener Substanzen auf die Blattoberfläche abgeben, was bis zu
Strukturen mit einer Lebenszeit von nur wenigen Tagen sind. Wie
Because complete pathways are exclusively localized to these
search group Jasmonate Function & Mycorrhiza. The jasmo-
15% der Blattbiomasse ausmachen kann und gleichzeitig die er-
kleine Moleküle Entwicklung und Differenzierung von Pflanzenor-
cells, they constitute a good system to elucidate their biosynthe-
nates are well known for their role in the induction of defense
ste Verteidigung einer Pflanze gegenüber Pathogenen und her-
ganen, -geweben und -zellen steuern, ist eine Frage, die ebenfalls
sis. This is done primarily by assembling collections of ESTs (Ex-
processes, but they also have an important function in plant
bivoren Insekten darstellt. Da hierbei vollständige Biosynthese-
von der AG Jasmonatfunktion & Mykorrhiza beantwortet wer-
pressed Sequenced Tags) and mining through those for candi-
development, in particular for the differentiation of flower or-
wege in einzelnen Zellen zu finden sind, stellen die glandulären
den soll. Jasmonate sind bekannt für ihre Rolle in der Induktion
date genes potentially involved in the pathways of interest on the
gans. Comparative transcriptomics and metabolomics of flower
Trichome ein gutes System dar, komplette Biosynthesen aufzu-
von pflanzlichen Abwehrprozessen, sie haben aber auch eine
basis of similarity to known enzyme classes. This approach has
organs of wild type and jasmonate-insensitive mutants of toma-
klären. Ausgehend von der Herstellung von EST (Expressed Se-
Funktion in der Pflanzenentwicklung, wie z.B. der Entwicklung
been used to elucidate sesquiterpenoid and diterpenoid path-
to at different stages of development has revealed significant
quenced Tags)-Kollektionen werden diese nach Kandidatenge-
von Blüten. Vergleichende Transkriptom- und Metabolom-Analy-
ways in tomato and tobacco, respectively. How these cells
differences, which form the basis of a new model of flower organ
nen anhand von Ähnlichkeiten zu bekannten Enzymklassen
sen von Blütenorganen unterschiedlicher Entwicklungsstadien
achieve such a high productivity is also a major focus of the
differentiation.
durchsucht. Dieser Ansatz wurde bereits erfolgreich zur Aufklä-
von Wildtyp-Pflanzen und einer Jasmonat-insensitiven Mutante
rung der Biosynthese von sesquiterpenoiden und diterpenoiden
haben Unterschiede aufgezeigt, die die Basis für ein neues Mo-
Reconstituting complex biosynthesis pathways of specialized
Verbindungen in Tomate bzw. Tabak genutzt. Wie die sekretori-
dell der Blütenorganentwicklung in Tomate darstellen.
metabolites can be very helpful, not only to better understand
schen Zellen der Trichome solch eine hohe Produktivität errei-
In the research group Phenylpropanoid metabolism & Protein
them, but also to develop alternative production systems for
chen, ist ein anderer Fokus dieser Gruppe, wobei die Verbindung
Die Rekonstitution von komplexen Biosynthese-Wegen spezifi-
Biochemistry (T. Vogt), the biosynthesis and function of phenyl-
high-value compounds either in plants or in microorganisms. To
zwischen Primär- und Sekundärstoffwechsel untersucht wird.
scher Metabolite ist nicht nur hilfreich für das bessere Verständ-
propanoids is being investigated in flower organs. Specific phe-
achieve this, highly efficient cloning strategies are required. Gol-
nolamides and flavonoid glycosides are synthesized in the tape-
den Gate is one such technology, which was developed by S.
In der AG Phenylpropanoidstoffwechsel und Proteinbiochemie
er, alternativer Produktionssysteme für wertvolle Substanzen in
tum, another highly specialized tissue, and delivered onto the
Marillonnet, leader of the research group Synthetic Biology.
(T. Vogt) stehen Biosynthese und Funktion von Konjugaten der
Pflanzen oder Mikroorganismen. Um das zu erreichen, sind
surface of maturing pollen grains, where they occur both in sol-
This modular cloning technology allows us to contemplate novel
Phenylpropanoide im Vordergrund. Charakteristische Vertreter
hocheffiziente Klonierungssysteme notwendig. Solch eine Tech-
uble and insoluble forms. Although their function is still elusive,
approaches for metabolic and signaling pathway engineering
dieser Stoffe werden im Tapetum, einem anderen hochspeziali-
nologie ist die Golden-Gate-Technik, die von S. Marillonnet (AG
their occurrence across all higher plant species suggests an im-
and this is already translated into collaborative projects both
sierten Gewebe, synthetisiert und auf die Oberfläche reifender
Synthetische Biologie) entwickelt wurde. Die modulare Klonie-
portant fundamental role which is actively being searched for.
within the Department and the Institute.
group, by investigating the connections between primary and
specialized metabolism.
der anderen Gruppe, die AG Carotenoid-Metabolismus & My-
nis dieser Wege, sondern ermöglicht auch die Entwicklung neu-
Pollen abgegeben. Dort sind sie in löslicher, aber auch in gebun-
rungstechnik ermöglicht es uns, neue Wege zu gehen, um meta-
dener Form zu finden. Ihr Vorhandensein in allen höheren Pflan-
bolische Wege und Signalketten zu konstruieren, was bereits zu
Mycorrhizal arbuscules are other highly specialized cellular
zen lässt auf eine wichtige, jedoch noch unbekannte Funktion in
Kooperationsprojekten innerhalb der Abteilung, aber auch inner-
structures, which are formed in the symbiotic interaction be-
der Pflanze schließen, die aufgeklärt werden soll.
halb des IPB führte.
tween mycorrhizal fungi and the roots of higher plants. They
62
63
Collaborators
Ulla Bonas, Gerd Hause
Albert Boronat, Albert Ferrer
University of Barcelona, Spain
Marc Boutry
Université Catholique de Louvain, Belgium
Harro Bouwmeester
Glandular Trichome and Isoprenoid Biosynthesis
Head: Alain Tissier
head (Fig. 3). Using fluorescence acti-
University of Wageningen, the Netherlands
vated cell sorting (FACS) these stages
Ric de Vos
could be grouped into three fractions,
Plant Research International, Wageningen,
the Netherlands
which are now being used for RNA-sequencing which will provide stage-specific transcriptome data.
Jonathan Gershenzon
Max Planck Institute of Chemical Ecology,
Jena, Germany
Armin Hansel
Glandular trichomes are specialized or-
University of Innsbruck, Austria
gans protruding at the surface of many
Homeostasis of Isoprenoids (H.I.P) is a
plant species that are typically made of
cooperative ERA-CAPS (www.eracaps.org)
one or several stalk cells surmounted by
3-year project (2014-2016) funded by the
Ulrich Schaffrath
one or several secretory cells. The secre-
DFG where we are investigating the sub-
University of Aachen, Germany
tory cells can produced large amounts of
cellular localization of isoprenoid pathway
Rob Schuurink
a variety of compounds, which can be
volatile, such as phenylpropanoid derivatives, mono- or sesquiterpenes, or non-volatiles, such as sugar esters or diterpenes.
Glandular trichomes have attracted the
attention of plant biochemists for a number of years for several reasons: the secretion of glandular trichomes has been
shown in many instances to confer a protection against herbivore pests; in addition, the specialized biosynthetic pathways leading to the final products are often exclusively expressed in the glandular
cells, facilitating their identification and
characterization; finally, their high productivity makes them an interesting tar-
Fig. 1: Biosynthesis of cisoid sesquiterpenoids in two accessions of the wild tomato Solanum habrochaites. Cisoid sesquiterpenoids are derived from Z,Z-farnesyl
diphosphate (Z,Z-FPP). In accession LA1777, the sesquiterpene synthase SBS
makes (+)-α-santalene and (+)-endo-β-bergamotene as main products (Sallaud et
al., 2009). These are then oxidized to santalenoic and bergamotenoic acid. An
aldehyde dehydrogenase which converts the aldehydes to the carboxylic acids
was identified and characterized. Identification of the missing oxidation steps is
in progress. In accession LA2167, the sesquiterpene synthase ZIS makes 7-epizingiberene (Bleeker et al., 2012). A single cytochrome P450 oxygenase was shown
to oxidize zingiberene at 2 positions to make 4-hydroxy-zingiberene and 2,3epoxy-4-hydroxy-zingiberene.
get for metabolic engineering. Due to ex-
Fig. 2: Type VI glandular trichomes
of the cultivated (Solanum lycopersicum) and wild tomato (S. habrochaites), viewed under fluorescence
microscopy (top row) or electron
microscopy. In the cultivated tomato the four glandular cells can be
clearly distinguished in a four-leaf
clover shape, whereas the trichomes of the wild species are round
and contain a large cavity where
metabolites can be secreted.
enzymes in plants, potential interaction
between proteins of the pathways, and
Angelos Kanellis
University of Thessaloniki, Greece
University of Amsterdam, the Netherlands
Ana Simonovic
University of Belgrade, Serbia
transport of isoprenoid metabolites within and outside the cell.
Companies
Yoram Eyal
In TERPMED (www.terpmed.eu), a project
financed by the European Commission
(2011-2013), we have been investigating
the biosynthesis of phenolic diterpenes
Volcani Center, Bet Dagan, Israel
Michael Hahn
Elektrochemie Halle, Germany
Klaus Pellengahr
Organobalance GmbH, Berlin, Germany
such as carnosic acid (CA) and carnosol
Thomas Stölzel
(COL) in rosemary (Rosmarinus officinalis)
AB Sciex, Darmstadt, Germany
In addition, one of our objectives is to un-
and Greek sage (Salvia fruticosa). These
derstand how the specialized secretory
compounds have high antioxidant activi-
to characterize subsequent steps. Several
cells of the glandular trichomes achieve
ties and have been shown to elicit anti-
P450 monooxygenases could thus identi-
their massive metabolic productivity. In
oxidative pathways in neuron cells, mak-
fied, which when expressed in yeast lead
particular, we would like to uncover the
ing them potential candidates for the
to the production of carnosaldehyde and
relationships between central metabolism
treatment of neurodegenerative disor-
carnosic acid. These results make it now
tensive genetic and genomic resources,
now made progress in elucidating the sub-
tributes to an enhanced protection to-
and the isoprenoid specialized pathways.
ders. The diterpene synthases required
possible to develop biotechnology-based
Solanaceae species such as tomato (Sola-
sequent steps of these pathways. A P450
wards insects. One important aspect is the
For this, we performed a comparative ana-
for the production of the miltiradiene pre-
processes for the production of these
num lycopersicum and related wild spe-
monooxygenase from LA2167 could be
architecture of the type VI glandular tri-
lysis between leaves and glandular tricho-
cursor were identified and we have begun
antioxidant metabolites.
cies) and tobacco (Nicotiana sp.) consti-
shown to oxidize zingiberene to zingibere-
chomes, where the terpenoids are pro-
mes using transcriptomics, metabolo-
tute a good model for the study of glan-
nol and epoxy-zingiberenol, while a dehy-
duced. We found that in S. habrochaites
mics, 13C-labeling and proteomics. These
dular trichomes.
drogenase from LA1777 was shown to oxi-
the four glandular cells are surrounded by
data are being analyzed and will be used
dize santalenal to santalenoic acid (Fig. 1).
an extracellular envelope, giving it the ap-
to build a metabolic model of the glandu-
In its type VI glandular trichomes, the wild
Other candidates are being characterized
pearance of a ball, and furthermore that
lar trichomes.
tomato species S. habrochaites produces
for the oxidation of santalene to santale-
an intercellular cavity has developed be-
a variety of sesquiterpenoids that confer
nal.
tween those cells, allowing the storage of
In a project funded by the DFG, we are
large quantities of secreted compounds
also investigating the development and
resistance against herbivore pests. Some
accessions, like LA1777, produce santale-
In addition to qualitative differences in its
(Fig. 2). We designed a trichome score to
differentiation of type VI glandular trich-
noic and bergamotenoic acids, while oth-
terpene profile with S. lycopersicum, S.
convert this phenotype into a quantitative
omes. Based on fluorescence and trans-
ers (LA2167) produce derivatives of zin-
habrochaites accumulates much larger
trait, which is now being genetically dis-
mission electron microscopy we could
giberene. The sesquiterpene synthases
quantities (mg/g fresh weight) of trichome
sected using backcross populations be-
define five distinct stages of late develop-
were identified previously and we have
derived compounds, a feature which con-
tween S. lycopersicum and S. habrochaites.
ment and differentiation of the trichome
Group Members
Fig. 3: Development stages of type VI glandular trichomes from the wild tomato S.
habrochaites. Representative pictures of autofluorescence (top row) and light (bottom row) microscopy are shown. The scale bar (white) represents 10 μM.
landuläre Trichome sind spezialisierte Organe auf der Oberfläche oberirdischer Teile vieler Landpflanzen. In ihren
G
metabolisch aktiven, sekretorischen Zellen produzieren sie Sekundärstoffe, die eine chemische Barriere gegenüber
Mareike Asmer
Carolin Bernholz
Felix Lange
Ulschan Scheler
Bachelor Student
PhD Student
Bachelor Student
Master Student & PhD Student
Benedikt Athmer
Kathleen Brückner
Swanhild Lohse
Eleni Spyropoulou
Bioinformatics Scientist
Guest Scientist
Gerd Balcke
Sabrina Gensichen
Franziska Pröhl
Romy Töpfer
Bachelor Student
Master Student
PhD Student
dadurch gewonnenen Kenntnisse könnten zur Züchtung neuer Tomatensorten, die eine erhöhte Resistenz gegen herbivore In-
Stefan Bennewitz
Anja Henning
Humberto Ramírez-Medina
Sebastian Zabel
sekten tragen, verwendet werden. Außerdem ist die Analyse des metabolischen Netzwerks dieser Zellfabriken von großem
Technician
PhD Student
Nick Bergau
Anna Kulma
Petra Schäfer
Master Student & PhD Student
Guest Scientist
Technician
64
Schädlingen darstellen. In Solanaceen, die unsere Modellpflanzen zur Untersuchung der Biosynthese und Entwick-
lung von glandulären Trichomen ausmachen, sind Terpenoide die dominanten Produkte. In Tomaten wurde die Biosynthese
von Sesquiterpen-Carboxysäuren sowie die Entwicklung und die Differenzierung von glandulären Trichomen untersucht. Die
Interesse, insbesondere, um die Verbindungen zwischen primärem und sekundärem Metabolismus aufzuklären. Dies könnte die
Pflanzen- oder Mikroorganismen-basierte Herstellung von Naturstoffen durch Metabolic Engineering deutlich verbessern.
65
Collaborators
Salim Al-Babili
King Abdullah University of Science &
Technology, Thuwal, Saudi-Arabia
Maria J. Harrison
Boyce Thompson Institute for Plant
Research, Ithaca, USA
Carotenoid Metabolism & Mycorrhiza
Juan Antonio López-Ráez
Estación Experimental del Zaidín (CSIC),
Granada, Spain
Heads: Alain Tissier & Michael H. Walter
Ralph Welsch
Company
Carotenoids are 40-carbon molecules as-
Alan Blowers
Fig. 2: Sequence similarity tree of phy-
sembled from C5 units, which can be tailored by oxidative enzymes to generate
toene synthase
(PSY) isoforms high-
specific carotenoid cleavage products
(apocarotenoids) with a variety of functions. Two phytohormones, abscisic acid
(ABA) and strigolactones (SLs), derive from
carotenoids after a single or a sequential
double cleavage of their carotenoid precursors, respectively (Fig. 1). SLs are stress
hormones exuded from roots upon nutrient starvation to promote the symbiosis
with arbuscular mycorrhizal (AM) fungi.
use of the mtpt4 mutant unable to deliver
lighting a novel,
phosphate starva-
phosphate through the periarbuscular
tion- and AM-induced PSY3 clade
arbuscule-degradation phenotype of this
of dicots (orange
background). The
part by overproducing C13/C14 apocarote-
green branch contains various PSY
mizing root colonization of the mutant,
membrane of arbuscules. The prematuremutant might be brought about at least in
noids in arbusculated cells. Despite optiwe were unable to find differences to wild
apocarotenoid accumulation. One expla-
interconnections, the biological function
paralogs including
the drought-induced PSY3 class
of their products, their evolution and how
of monocots in-
buscule degradation could be obtained in
their biosynthesis is affected by a regula-
volved in ABA biosynthesis (blue
background).
the mutant, which always had a variable
The key interest of the group is in the elucidation of apocarotenoid pathways, their
ted carotenoid precursor supply. The
main focus is on glycosylated C13 α-ionol
(formerly cyclohexenone) derivatives and
C14 mycorradicin presumably derived from
zeaxanthin (Fig. 1). These compounds are
induced in root cells hosting fungal arbuscules. Arbuscules are dynamic entities,
type mycorrhizal roots in terms of C13/C14
nation may be the fact that no uniform ar-
number of residual mature arbuscules.
However, we could show by immunolocalization that degrading arbuscules of the
Fig. 1: Plant root apocarotenoid pathways starting from β-carotene and zeaxanthin. Current enzyme targets are indicated in yellow. Dedicated carote-
truncatula based on their unique expres-
aglycon provided by Bernhard Wester-
sion in AM (MtUGT1, MtUGT2) as deduced
mann (Department NWC) have so far
C13/C14 biosynthetic enzyme of the MEP
noid precursor formation appears to be managed through isoforms of carotenogenic enzymes, e.g. PSY3.
from the Medicago Gene Expression Atlas.
been unsuccessful in showing activity
pathway (Fig. 3) as do wild type degrad-
The genes were expressed in E. coli and
and a glycosylated product.
ing arbuscules (not shown). This implies
which undergo constant degradation und
mutant contain high levels of DXR, an
that premature activity of a natural path-
MtUGT1 recombinant protein was identi-
re-emergence but the reason for their
phosphate starvation and AM arguing for
The modification of the C13 cleavage
fied. However, assays with recombinant
Approaching C13/C14 apocarotenoid func-
way of arbuscule degradation brings
transient nature is not understood. The
their involvement in a regulated carote-
product is still elusive. AM-inducible
enzymes using synthetic C13 blumenol C
tion from a different angle involved the
about the mtpt4 phenotype.
dynamics of arbuscules is investigated
noid precursor supply to either C13/C14 or
genes with sequence similarity to ABA2
with a focus on a still hypothetical role of
SL biosynthesis or both. PSY3 gene
from ABA biosynthesis (Fig. 1) have been
C13 apocarotenoids in a plant-controlled
knock-down in mycorrhizal hairy roots of
identified guided by the hypothesis that
degradation of arbuscules with poor mi-
M. truncatula correlated with reduced
their gene products might, in analogy to
neral nutrient delivery to roots. Novel
C13/C14 levels demonstrating an in vivo
ABA2, convert a C13 product of zeaxanthin
steps in C13/C14 and SL apocarotenoid bio-
function in carotenoid precursor supply
cleavage having a β-ionone ring configu-
synthesis are to be elucidated (Fig. 1) to
to this branch pathway. However, tomato
ration, to the α-ionone ring found in C13
find new, more specific targets for path-
PSY3 enzyme activity in vitro or in hetero-
apocarotenoids. A tomato ABA2-like gene
way tracking and manipulation.
logous hosts is still under study. Interest-
was cloned and expressed in zeaxanthin
ingly, genes encoding PSY3-type iso-
producing E. coli strains supplemented
A novel isoform of phytoene synthase
forms can be identified in most dicot
by CCD1. Only when the ABA2-like se-
(PSY3) encoding a key step of caroteno-
genomes, but are absent from monocots.
quence was inserted, the expected 3-oxo-
genesis has been identified from tomato
The dicot PSY3s form a novel, previously
α-ionol compound was identified by LC-
and Medicago truncatula. Its transcript
unrecognized ancient clade of PSY genes
MS. Moreover, mycorrhizal roots of trans-
levels are exclusively up-regulated by
with orthologous members. Other PSY
genic tomato suppressed for ABA2-like
isogenes, differentially expressed in
expression exhibited reduced levels of C13
fruits and leaves and in monocot roots
apocarotenoids, whereas C14 levels were
Group Members
are paralogs, which evolved more recently
unaltered compatible with the proposed
(Fig. 2). Stress-inducible isoforms like the
biochemical function of this enzyme.
Claudia Horn
Kathrin Kowarschik
dicot PSY3 co-regulated with down-
Technician
PhD Student
stream catabolic steps might be compo-
The final step to C13 apocarotenoid glyco-
Artem Kamaev
Ron Stauder
nents of multi-enzyme complexes com-
sides is predicted to be catalyzed by UDP-
Master Student
PhD Student
mitted to apocarotenoid rather than to
glycose-dependent glycosyltransferases.
carotenoid formation.
Two distinct UGTs were cloned from M.
66
Ball Horticultural, Chicago, USA
Fig. 3: Immunolocalization of DXR (red), a carotenoid precursor biosynthetic enzyme, to a collapsed arbuscule (central
structure, green) in the M. truncatula mtpt4 mutant. Overlay is on the left.
arotinoide sind weitverbreitete C40-Verbindungen, aus denen enzymatisch spezifische Spaltungsprodukte (Apocarotinoide) entstehen können. Zu den Apocarotinoiden gehören die Phytohormone ABA (C15) und Strigolactone (C19)
C
sowie Sekundärstoffe, die in mykorrhizierten Wurzeln akkumulieren (C13 α-Ionol-Glycoside und C14 Mycorradicin). Die
AG untersucht die Biosynthese und Funktion der C13/C14 Apocarotinoide im Kontext des gesamten Carotinoidstoffwechsels
der Wurzel. Dabei sind Mykorrhiza-induzierte Isoenzyme der Carotinoidbiosynthese (PSY3) und Schritte der C13-Modifizierung aktuelle Schwerpunkte. Ferner wird eine noch hypothetische Funktion der C13-Apocarotinoide in einer Kontrolle des
Abbaus von Pilzorganen (Arbuskel) durch die Pflanze in Abhängigkeit der Arbuskel-vermittelten Mineralstoffaufnahme der
arbuskulären Mykorrhiza untersucht.
67
Collaborators
Udo Conrad,
Winfried Weschke
Leibniz Institute of Plant
Genetics and Crop Plant
Research, Gatersleben,
Germany
Philipp Franken
Jasmonate Function & Mycorrhiza
tion with J. J. Giovannoni, Boyce Thomp-
Head: Bettina Hause
the expression profiles from developing
son Institute Ithaca, USA) and compared
leaves (Fig. 3) of the JA-treated wild type
(enhanced trichome number) with that of
Institute of Vegetable and
Ornamental Crops,
Großbeeren/Erfurt,
Germany
James J. Giovannoni
Cornell University, Ithaca,
USA
Peter Gresshoff
University of Queensland,
Australia
Gerd Hause
Joachim Kopka
Max Planck Institute of
Molecular Plant Physiology,
Potsdam-Golm, Germany
Miroslav Strnad
Palacký University
Olomouc, Czech Republic
jai1 (reduced trichome number). Among
In nature, plants interact with numerous
the differentially regulated genes, several
microorganisms. Among them are benefi-
putative transcription factors were identi-
Finally, a collaborative project with W.
cial fungi as well as pathogenic oo-
fied and are now under functional charac-
Weschke and U. Conrad (IPK Gatersleben)
mycetes. Our work is focused on the ana-
terization by transgenic approaches.
was finished. Here, our experience in im-
lysis of early responses of the model leg-
munological detection of phytohormones
ume Medicago truncatula to a symbiont
(spores of the arbuscular mycorrhizal fungus [AMF] Rhizophagus irregularis) and to
a pathogen (zoospores of the causal
agent of root rot, Aphanomyces euteiches). We aim to identify symbiosis-specific
changes in root exudates and root volatiles, but also in transcripts compared to
that during co-cultivation with the patho-
Fig. 1: Changes in the exudate pattern of M. truncatula roots after contact with
soil-born microorganisms. A. Plants were cultivated in an aeroponic system for
six weeks and either treated with spores of the pathogen A. euteiches (Ae), the
AMF R. irregularis (Ri) or stayed non-treated (Co). B. Heatmap of LC-MS data of
exudates of differently treated M. truncatula roots. Shown are compounds exhibiting at least 75 % abundance per treatment and an at least two-fold change
(Oneway ANOVA, p≤0.05).
gen. To analyze metabolic changes, M.
truncatula plants were grown in an aeroponic cultivation system provided by the
IGZ in Großbeeren, and then treated with
either spores of the two microorganisms
for 12 hours. LC-MS analyses of root exudates showed more than 90 and 70 sub-
led to new insights into the putative func-
cell-specific localization of JAs by develop-
tion of abscisic acid (ABA) in endosperm
ing a non-invasive detection method. In
cellularization: ABA is abundant in early
the first approach, we used promoters of
non-elongated, but not in differentiated
the highly JA-responsive genes of A. tha-
cells of the nucellar projection. This is in
liana to select JA-specific cis-elements for
contrast to the maternally affected shrunk-
the construction of a synthetic, JA-speci-
en endosperm mutant seg8, where these
fic promoter. In the second approach, a
cells did not elongate and ABA remained
new system utilizing artificial TAL effec-
abundant. Additionally, bioactive forms of
tors in combination with synthetic
gibberellins (GAs, kindly measured by M.
lated metabolites than wild type stamen
promoter-reporter systems is under inves-
Strnad, Olomouc) were strongly and tran-
and showed an enhanced expression of
tigation (in collaboration with RG Tissier).
siently increased in wild type caryopses.
ethylene-regulated genes. Additionally,
Activity and specificity of both systems is
This led to the conclusion that differentia-
jai1 stamen exhibited a premature rise of
monitored through GFP fluorescence in
tion of the barley nucellar projection
the ethylene precursor ACC starting at
transient (Arabidopsis protoplasts, leaves
might be driven by a distinct increase in
that developmental stage when highest JA
of Nicotiana benthamiana) and stable
the ratio of GA to ABA, which is deregu-
(Arabidopsis) transformation systems.
lated in seg8.
stances exuded at significantly higher lev-
phenotype of the corresponding Arabi-
gene expression studies, respectively. As
level occurred in the wild type. All these
els upon treatment with the AMF and the
dopsis mutant, the tomato mutant jasmo-
functional proof, jai1 plants were trans-
data suggest a dual role of JA in stamen
pathogen, respectively (Fig. 1). To gain
nate-insensitive1 (jai1) is female sterile. To
formed with the cDNA encoding PI-2 un-
development: (i) a positive regulation of
deeper insights into the response of ma-
get deeper insights into the role of JAs in
der the control of an ovule-specific pro-
pollen nutrition at early development and
ture root systems and to compare meta-
tomato flower development, JA-related
moter. Here, at least a partial rescue of
(ii) at later stages, an inhibition of a pre-
bolite pattern with transcriptional chan-
gene expression and metabolite accumu-
seed formation in jai1 plants points to an
mature function of ethylene, which itself
ges, the roots were additionally proces-
lation in female and male reproductive tis-
essential role of PIs and/or proteases in
is a regulator of anther dehiscence and
sed for transcript profiling. The analysis of
sues was monitored. Among genes diffe-
tomato female gametophyte develop-
pollen release.
these data sets will allow a comprehensive
rentially expressed in ovules of all deve-
ment.
characterization of the early responses of
lopmental stages were defense-related
M. truncatula roots to symbiotic or patho-
genes such as those encoding protease
To investigate JA-function in tomato sta-
plants are affected in the formation of
genic soil-born microorganisms.
inhibitors (PIs). Among the PIs, PI-2 is the
men development, six developmental sta-
glandular trichomes indicated by signifi-
best characterized one. Its expression was
ges of wild type and jai1 stamen were
cantly reduced number of type-VI glandu-
Jasmonates (JAs) are ubiquitously occur-
not detectable in ovules of jai1 plants sug-
compared starting with small flower buds
lar trichomes on the leaf surface. In colla-
ring plant signaling compounds formed in
gesting a role of PI-2 in female fertility of
up to open flowers (Fig. 2). Phenotypic ana-
borative work with RG Tissier, we are inter-
response to biotic and abiotic stress as
tomato. To answer this question we com-
lyses of jai1 showed disturbed pollen deve-
ested to identify and characterize genes
well as during development. Phenotypic
pared developing ovules of wild type and
lopment accompanied by increased sta-
involved in JA-regulated induction of
analyses of JA-insensitive mutants indi-
jai1 plants in respect to programmed cell
men desiccation at later developmental
glandular trichomes. We used a transcrip-
cated the involvement of JA in flower de-
death and expression of ovule-specific ser-
stages. jai1 stamen of these stages accu-
tomic approach via RNA-seq (collabora-
velopment. In contrast to the male sterile
ine proteases by cytological methods and
mulated higher levels of desiccation-re-
Beside altered flower development, jai1
P
Monika D. Arnold
Susanne Forner
Dorothée Klemann
Kati Mielke
Ramona Schubert
Theresa Wießner
Master Student
PhD Student
PhD Student
PhD Student
Franziska Grosch
Yulong Li
Tamás Monostori
Master Student & PhD
Student
Master Student
Chandan Chiniga
Kemparaju
Bachelor Student
PhD Student, CSC Fellow
Guest Scientist
Hagen Stellmach
PhD Student, Erasmus
Mundus Fellow
PhD Student
Julian Dindas
Master Student
Figure 3: Glandular
trichomes of the
surface of a developing tomato leaf.
A. Two-weeks-old
tomato seedling;
B. The youngest
leaf of about 3 mm
length used for
analyses;
C. Scanning electron micrograph of
the youngest leaf
showing different
developmental
stages of glandular
trichomes.
flanzen müssen auf verschiedenste Umweltfaktoren reagieren. Negative Auswirkungen haben z.B. der Befall durch Pathogene, während z.B. die arbuskuläre Mykorrhiza, eine mutualistische Symbiose mit Pilzen positiv auf die Pflanze
Group Members
68
Another project focuses on tissue- and
Figure 2: Schematic model of the
role of jasmonates in stamen
development of tomato. In developing stamen of early stages,
increasing JA levels promote pollen nutrition and development.
Later on, JAs inhibit premature
rise of ethylene, which itself regulates positively anther dehiscence
and pollen release.
Ulrike Huth
Juliane Lößner
Maria Pogoda
Technician
Bachelor Student
Bachelor Student
Technician
Diana Weier
Heena Yadav
wirkt. Ein Schwerpunkt unserer Arbeiten ist die Analyse der Reaktion von Wurzeln von Medicago truncatula auf den
Kontakt mit Mikroorganismen des Bodens. Die Charakterisierung von Exsudat- und Transkriptmustern soll Aufschluss geben, wie die Pflanze ein Pathogen vom Symbiont unterscheiden kann. Außerdem analysieren wir mittels zytologischer, biochemischer und molekularer Methoden die Rolle des Pflanzenhormons Jasmonsäure, das viele der pflanzlichen Antworten
auf biotische und abiotische Faktoren vermittelt, aber auch Entwicklungsprozesse wie die Blüten- und Trichom-Entwicklung
reguliert. Komplementiert werden diese Ansätze durch die Entwicklung von Methoden, die eine zell- und gewebespezifische
Detektion von Jasmonsäure und Abscisinsäure ermöglichen.
69
Collaborators
Mohammed Ali-Shtayeh
BERC Research Center, Til, Nablus, Palestine
Fernando Cotinguiba da Silva
University of Rio de Janeiro, Brazil
Andrej Frolov
University of Leipzig, Germany
Phenylpropanoid Metabolism & Protein Biochemistry
The second project of the group is re-
cation-dependent OMTs and can also be
lated to enzymology of O-methyltrans-
identified with only minor modifications in
Head: Thomas Vogt
ferases (OMTs) and in this case the func-
the microbial and mammalian counter-
tional characterization of CCoAOMT-like
parts (Fig. 2). Mutation of the critical lysine
enzymes, specifically the well-established
157 to an alanine changed the catalytic
Fraunhofer Institute for Mechanics of
Materials, Halle, Germany
and crystallized PFOMT from Mesembry-
triad to a dyad. This resulted in a complete
Bernd Ulber
Previous work established the tapetum-
anthemum crystallinum. In collaboration
loss of enzyme activity towards the usual
specific biosynthesis of tris-hydroxycin-
with the modeling group of Wolfgang
catechol-like substructures of phenyl-
Danièle Werck
namoyl spermidine conjugates (HCAAs)
Brandt (Dept. NWC) we have established a
propanoids and flavonoids, with the ex-
Centre national de la recherche scientifique,
Strasbourg, France
resulting in the accumulation of these
new reaction mechanism for this type of
ception of a 5,6,7-tris-hydroxylated A-ring
compounds in the tryphine of Arabidopsis
cation-dependent enzymes and de-
system of the flavonol quercetagetin, the
thaliana pollen grains. Promoter-GFP fu-
scribed a previously undetected and high-
native substrate of PFOMT in M. crystal-
one of the essential amino acids for a con-
sions confirm the presence of the tape-
ly conserved catalytic triade Lys157-Asn181-
linum. In this case, instead of the usual five
served proton relay is eliminated, PFOMT
tum-specific hydroxycinnamoyltranferase
Asp228 required for enzymatic activity.
different products, a single, unusual 5-O-
can overcome this impaired activity by
and the decorationg methyltranferase to
Quantum mechanical calculations and
methylated flavonol was detected, charac-
switching to or maintaining an alternative
be expressed in early stages of tapetum
modeling data were confirmed by site-
terized by a yellow fluorescence under UV-
reaction mechanism at the expense of a
development. A reduction or complete
directed mutagenesis, replacing each
A radiation. Besides the efficient formation
limited, more specific product formation.
loss of HCAAs is observed in knockout
amino acid by alanine, which resulted in
of an interesting natural product, this ex-
Under natural condition this altered
mutants of enzymes related to the phe-
catalytic efficiencies three orders of mag-
ample illustrates potential evolutionary
chemotype could lead to a potentially
nylpropanoid part as well as to the poly-
nitude lower. Sequence comparisons re-
consequences of a residual flexibility with-
modified response in the interaction of the
amine part of the pathway. Since HCAA-
vealed that this triad is conserved among
in a structurally severely constrained me-
organism with its biotic or abiotic environ-
bound spermidine makes up about 80%
substrate specific and promiscuous plant
tal-dependent enzyme type. Even when
ments.
Mwafaq Ibdah
Newe Yaar Research Center, Ramat Yishay,
Israel
Matthias Menzel
of the total polyamine (PA) level and these
levels are virtually identical in various
HCAA-knockout and knockdown lines,
Fig. 2: Conserved
amino acids Lys157,
polyamine homeostasis appears to be
controlled at the translation rather than at
Asn181, and Asp228
in plant cation-
the transcription level. Recent evidence
confirmed that HCAAs are also incorpo-
dependent OMTs
(CCoAOMT-like
rated and covalently bound to the pollen
wall, preferentially by alkaline hydrolysable ester bonds, rather than by ether
bonds. Since the overall aromatic composition of the pollen wall is also modified in
HCAA-knockout plants, it remains to be
seen how much the HCAAs essentially
contribute to the rigidity and mechanical
strength of the exine. These data are be-
Fig. 1: Illustration of the two major pathways contributing to the pattern of soluble phenylpropanoids of the pollen coat. Abbreviations: AtTSM1, Arabidopsis
thaliana tapetum specific methyltransferase 1; CHS, chalcone synthase; F3GT,
flavonol 3-O-glucosyltransferase; FLS, flavonol synthase; MAT, methionine
adenosyltransferase; PAL, phenylalanine ammonia lyase; SDT, spermidine disinapoyltransferase; SAMDC, S-adenosyl-L-methionine decarboxylase; SHT,
spermidine hydroxycinnamoyl transferase; SPDS, spermidine synthase. R1/R2,
OH or OMe.
ing quantified in collaboration with the
Fraunhofer Institute for Mechanics of Ma-
tion of pollen specific flavonol α-1,2-lin-
plants carrying a 3-O-glucosyltransferase
terials (Halle).
ked 3-O-glucosides (sophorosides) has
knockout were selected and tested for fla-
been elucidated. Two critical UDP-depen-
vonol sophoroside accumulation on the
Besides the HCAA-biosynthetic pathway,
dent glucosyltransferases that result in
exine of purified pollen grains. The result-
a second pathway resulting in the forma-
the formation of pollen specific kaempfe-
ing data showed that pollen of this line
rol and quercetion 3-O-sophorosides
showed a drastic, yet not complete loss of
have been identified. The genes have
this type of flavonols in the pollen try-
been cloned and the corresponding en-
phine. Two independent phenylpropa-
zymes functionally expressed in microbial
noid pathways can now be attributed to
systems. The sequential formation of the
the tapetum cells, synthesizing the pollen
Group Members
Dominic Brauch
Guest Scientist
sophorosides was observed when either
exine: HCAAs and flavonol sophoroside
PhD Student & Postdoctoral Scientist
quercetin or quercetin 3-O-glucoside, re-
(Fig. 1). Although the biosynthesis of both
Christian Görner
spectively, were used as substrates. For-
classes of compounds has been clarified,
Bachelor Student
mation of flavonol sophorosides was also
some questions are still unresolved. For
Stephan Grunewald
observed in Nicotiana benthamiana in
example, what kind of molecular signa-
transient expression studies after cloning
tures determine the specific role of both
under a constitutive promoter and subse-
types of compounds and why are these
quent transformation of the plants with
compounds universally distributed among
Agrobacterium tumefaciens. Arabidopsis
angiosperms?
Christin Fellenberg
Master Student
Kerstin Manke
Technician
Markus Schmidt
Bachelor Student
70
OMTs) contributing
to the catalytic triad
are marked with an
arrow. From: Brandt,
Manke, Vogt,
Phytochemistry,
doi:10.1016/j.phytochem.2014.12.018.
ie Arbeiten zur Biosynthese und Funktion der Hydroxyzimtsäure-Spermidinkonjugate (HCCAs) in Antheren und Pollen
D
von Arabidopsis thaliana wurden um einen weiteren Phenylpropanbiosyntheseweg ergänzt. Arabidopsis-Antheren syn-
thetisieren und Pollen akkumulieren auf ihrer Oberfläche neben den HCAAs eine Klasse spezifischer und ungewöhnlicher Phenylpropane, Flavonol α-1,2-verknüpfte 3-O-diglucoside, sogenannte Sophoroside. Diese werden sequentiell durch
zwei spezifische Glucosyltransferasen synthetisiert, eine Flavonol 3-O-glucosyltransferase und eine pollenspezifische Flavonol-3-O-glucosid:UDP-glucose-1,2-glucosyltransferase. Beide Gene wurden identifiziert und durch heterologe Expression in
Bakterien und Pflanzen hinsichtlich ihrer Substratspezifität funktionell eindeutig charakterisiert. Neben einem Beitrag der
kovalent gebundenen HCAAs zur Festigkeit der Pollenwand sind weitere Funktionen sowohl für die HCAAs als auch für die Sophoroside als UV-Schutz oder als potentielle Antioxidantien denkbar, konnten aber experimentell noch nicht verifiziert werden.
In einem zweiten Projekt haben enzymatische Arbeiten zur Funktion von Methyltransferasen in Zusammenarbeit mit der Abteilung NWC zur Identifizierung eines allgemein gültigen, neuen Reaktionsmechanismus, einer katalytischen Triade, im Falle
pflanzlicher kationabhängiger Methyltransferasen geführt. Theoretische Berechnungen wurden am Beispiel des gut charakterisierten Enzyms PFOMT aus M. crystallinum durch positionsspezifische Mutationen und mittels Sequenzvergleichen belegt.
71
Synthetic Biology
Fig. 3: Test of basic parts encoding 5'-untranslated sequences and N-terminal coding sequences fragments.
The modules were cloned between the 35S promoter
and the GFP gene in binary vectors, and transiently expressed in Nicotiana benthamiana cells by Agrobacterium-mediated delivery. The tested modules target the
GFP protein to the chloroplast (1 and 2), the apoplast
(3), the nucleus (4), the mitochondria (7), or simply add
a fusion tag to the cytosolically located protein (5,6). U,
tobacco mosaic virus 5'-untranslated sequence; chloro, chloroplast transit peptide; His, His tag; Amy SP,
rice amylase signal peptide; SV40, nuclear localization
signal; EK, enterokinase cleaving site sequence;
CoxIV, yeast CoxIV gene mitochondrial transit peptide.
Head: Sylvestre Marillonnet
Plants are source of a large number of
ments using a one-pot one-step assembly
products useful to mankind, including
reaction. This method, called Golden Ga-
food, feed, fuel, building materials, and
te cloning, does not require complicated
medicinal substances. Current agricultural
procedures such as gel extraction, and is
practices needed to produce these are
therefore easily automatable. An impor-
however largely dependent on non-re-
tant feature of synthetic biology is the use
newable fossil fuel-based agrochemicals.
of standard biological parts, DNA frag-
Plant synthetic biology has great potential
ments with a defined standard structure
to improve agriculture by producing
and with associated performance charac-
plants that will require fewer fossil fuel-ba-
teristics. Standardized DNA parts are use-
sed agrochemicals for maximal growth
ful to facilitate reuse of the parts in diffe-
coli and Agrobacterium (Fig. 2). Vectors
libraries of promoters for coordinated ex-
for betanin biosynthetic pathway have
and productivity. Synthetic biology could
rent constructs, for sharing of parts
with lower copy number should facilitate
pression of the various genes. These li-
previously been identified by research
also be useful to generate plants that are
between users, and for predicting the be-
cloning and maintenance of large con-
braries should provide a wide range of ex-
groups from different institutions, includ-
able to produce a wider range of chemi-
haviour when several parts are assembled
structs in both bacterial hosts. MoClo vec-
pression levels to obtain an appropriate
ing the IPB. Coexpression of all three
cal compounds that may serve as a source
in a larger construct. A DNA cloning sys-
tors are not only restricted to plant expres-
level of expression for each gene of the
genes (a glucosyl transferase, a dioxyge-
of a renewable feedstock for industry or
tem for assembly of multigene constructs
sion vectors. We are in fact continuously
pathway. These promoters should also
nase and a cytochrome p450) leads to
for energy production. Synthetic biology
from standard parts was developed ear-
developing cloning vectors for expression
share minimal homology between differ-
high level of biosynthesis of betanin in Ni-
may also be useful for engineering micro-
lier based on Golden Gate cloning. This
in other hosts, including for example E.
ent members of the library to avoid re-
cotiana leaves. These three genes are ne-
bial strains for production of some plant
modular cloning system (MoClo) allows a
coli and yeast (in collaboration with the
combination between different promot-
vertheless not sufficient for biosynthesis
secondary metabolites that cannot be
user to assemble any multigene construct
group of Alain Tissier in the Department).
ers within the same construct. To achieve
in heterologous hosts such as yeast. We
produced economically in their native
of choice using a series of one-pot assem-
this goal, we are currently developing li-
are currently trying to identify the last
hosts.
bly steps, starting from a library of se-
The library of basic parts forms the base
braries of promoters based on the TAL ef-
missing gene of the pathway (coding for
of a standardized DNA assembly system.
fectors (in collaboration with the group of
an an enzyme that is thought to convert
Parts can be be shared and exchanged
Alain Tissier in the Department). Such li-
tyrosine to L-Dopa) in order to transfer the
between all users of the cloning system.
braries of level 0 modules will allow syn-
entire pathway to heterologous hosts like
At the same time, all users can also be
chronized and orthogonal expression of
yeast.
contributors to the library of parts. Basic
all genes of a biosynthetic pathway.
quenced and characterized basic parts
Our group has two main interests: (1) de-
(level 0 parts, Fig. 1).
velop tools to enable and facilitate plant
synthetic biology, and (2) use of these
MoClo is designed for assembly of multi-
tools to reconstitute model biosynthetic
gene constructs for plants. While sets of
pathways in plants or microorganisms, or
vectors for expression in plants are al-
to develop artificial biosynthetic path-
ready available, it is useful to continue to
ways for biosynthesis of novel chemical
develop new vectors that have different
substances.
specifications. For example, a series of
binary vectors for Agrobacterium-medi-
Development of tools for synthetic biology
ated delivery to plant cells were made
We have earlier developed a method to
recently; these vectors differ by the ori-
efficiently assemble multiple DNA frag-
gins of replications for maintenance in E.
Fig. 1: Basic biological parts cloned as
level 0 modules are assembled in multigene constructs in several cloning steps.
Each cloning step is based on Golden
Gate cloning, a method that allows onepot DNA assembly of multiple DNA fragments. A first cloning step result in
assembly of functional transcriptional
units in level 1 constructs. Several transcriptional units can be further assembled in level 2, M or P multigene constructs, with constructs becoming progressively larger with each cloning step.
Successive cloning steps are performed
using different type IIS restriction enzymes and selectable markers.
72
Fig. 2: Test of binary vectors by
transient expression in Nicotiana
benthamiana leaves. A GFP construct under control of the 35S
promoter was subcloned in 5 different binary vectors that replicate at different levels in E. coli and
Agrobacterium. 1, level 2 vector,
high copy in E. coli (ColEI ori),
medium copy in Agrobacterium
(PVS1 ori); 2, level M vector, high
copy in E. coli (ColEI ori), medium
copy in Agrobacterium (RK2 ori);
3, level P vector, medium copy in
E. coli (p15a ori), medium copy in
Agrobacterium (RK2 ori); 4, level P
vector, single copy in E. coli (F1
ori), single copy in Agrobacterium
(RiA4 ori); 5, Level 2 vector, F1
RiA4, single copy in E. coli (F1 ori),
single copy in Agrobacterium
(RiA4 ori).
parts must follow defined specifications.
For the MoClo system, parts should be
Group Members
flanked by two BsaI restriction sites in op-
Reconstitution of biosynthetic pathways in
heterologous hosts
posite orientation, and not contains re-
We are interested in identifying genes in-
Technician
striction sites for the enzymes BsaI, BpiI,
volved in plant biosynthetic pathways of
Kristin König
and (optionally) BsmBI. Parts must be se-
interest, and in assembling the complete
quenced and characterized functionally.
biosynthetic pathways in heterologous
An example of parts made recently and
hosts. One example is the biosynthesis of
Collaborators
tested functionally in Nicotiana benthami-
betanin, a widely used natural food colo-
Nicola Patron, Jonathan Jones
ana leaves is shown in Fig. 3.
rant extracted from red beet. Betanin is a
Sainsbury Lab, John Innes Institute,
Norwich, UK
member of the betalains, a class of comSynchronized expression of multiple genes
pounds that are found in members of the
of a biosynthetic pathway requires having
Caryophillales. Three of the genes required
Ramona Grützner
Master Student
Werner Roos
m Fokus der Arbeitsgruppe steht die Entwicklung von Werkzeugen und Technologien für die Synthetische Biologie sowie
deren Anwendung auf dem Gebiet des Metabolic Engineering in Pflanzen und Mikroorganismen. Grundlage unserer
I
Arbeiten ist ein von uns entwickeltes DNA-Montagesystem, das den Zusammenbau von Multigenkonstrukten aus standardisierten DNA-Abschnitten einer DNA-Bibliothek erlaubt. Durch die Konstruktion von Expressionsvektoren in verschiedenen Organismen, wie Pflanzen, Hefen und Bakterien, wird dieses DNA-Assemblierungssystem von uns stetig weiterentwickelt und optimiert. Darüber hinaus kreieren wir Bibliotheken mit einer Vielzahl von regulatorischen Sequenzen, wie Promotoren und Terminatoren, für die koordinierte Expression von verschiedenen Genen. Ziel dieses Verfahrens ist die Wiederherstellung von kompletten Biosynthesewegen in verschiedenen Organismen. So arbeiten wir zurzeit an der Entwicklung von
Modell-Biosynthesen von Betalainen und Carotinoiden.
73
of the Department of Cell and Metabolic Biology
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75
Independent Junior Research Group
Ubiquitination in Immunity
Head: Marco Trujillo
The overarching interest of our research is
PUB22 became stabilized within minutes.
to elucidate the molecular basis of ubiqui-
Further analysis showed that PUB22 is
tination and its function during plant-mi-
highly unstable and mediates its own ubi-
Collaborators
crobe interactions. Plants are able to sense
quitination. As a result, it is efficiently de-
Jiri Friml
environmental cues and respond to them
graded by the 26S proteasome. We have
rapidly and efficiently. Moreover, they are
identified different types of kinases, which
in constant interaction with microbes.
interact with and phosphorylate PUB22
Cellular signaling triggered by the per-
during the immune response. The charac-
ception of pathogens requires the coordi-
terization of these phosphorylation events
John McDowel
nation of a myriad of processes which cul-
support a novel regulatory mechanism,
Virginia Tech, USA
minate in an appropriate activation of
which relies on changes in autoubiquiti-
Hirofumi Nakagami, Ken Shirasu
immunity. Posttranslational modifications
nation activity.
RIKEN Center for Sustainable Resource
Science, Japan
Institute of Science and Technology, Austria
Ingo Heilmann
Stefan Hoth
University of Hamburg, Germany
allow plants to rapidly respond to
Patrick Schweizer
pathogen infection and altered environ-
The study of ubiquitinated proteins faces
mental conditions. The attachment of ubi-
many challenges. Some of these are: low
quitin moieties, known as ubiquitination, is
stoichiometry of ubiquitin, degradation of
a key player in the orchestration of cellular
modified proteins, as well as a rapid deu-
responses and general plant physiology.
biquitination. These problems are classi-
Plants are constantly being challenged by
Fig. 1: Ubiquitination cascade and its reconstitution by synthetic biology.
A) Ubiquitination of a target protein (T) involves a sequential cascade of
enzymatic activities. The ubiquitin-activating enzyme (E1) forms a thioester
linkage with the ubiquitin (red). Next, ubiquitin is passed to a ubiquitin-conjugating enzyme (E2) again through a thioester linkage. The E2 carries the
activated ubiquitin to the ubiquitin ligase (E3), which facilitates the transfer
of the ubiquitin from the E2 to a lysine residue in the target protein. B)
Generation of recombinant operons for the reconstitution of the ubiquitination cascade in bacteria.
a wide array of pathogens, which can lead
to yield losses in the case of infection.
Consequently, survival depends on the
plant’s ability to react as quickly and effectively as possible against the invading
pathogen. Plants perceive an infection by
means of plasma membrane localized receptors. After the perception of a patho-
Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop
Plant Research, Gatersleben, Germany
Cyril Zipfel
The Sainsbury Laboratory, UK
cally addressed by the use of inhibitors
nation cascade in bacteria is amenable
for the 26S proteasome or deubiquitina-
for easy up-scaling. This will render ubiq-
ting enzymes. However, caveats of their
use include the accumulation of highly
processive substrates and the depletion
of the cellular ubiquitin pool. Hence, to
circumvent these limitations, we have
started with the reconstitution of the ubiquitination cascade in prokaryotic systems which lack ubiquitin and therefore
uitinated products accessible for massFig. 2: Engineering of a deubiquitination resistant ubiquitin.
Ubiquitin (Ub) and the ubiquitin
deubiquitination resistant (UbDR)
variant were expressed in plant
cells. The resilience of UbDR against
cleavage can be observed as an
increase in the total amount of ubiquitinated proteins.
spectrometry or NMR analysis. Our aim is
to develop a synthetic biology toolbox,
which will enable our group and the scientific community to easily assay E3 activity and substrate ubiquitination. But
most importantly, it will be instrumental in
the engineering of custom made E3 lig-
gen, a cascade of signaling events is trig-
Our group identified a set of plant U-box
quitin ligase substrates. Up to now we
also all other enzymes involved in its me-
gered to activate an immune response.
type E3 ubiquitin ligases (PUBs) that con-
have performed several large-scale high-
tabolism. To reconstitute ubiquitination
These signaling cascades must be tightly
tribute to the attenuation of the immune
throughput yeast two-hybrid screens
we are employing a synthetic biology ap-
tlenecks that obstruct the analysis of E3
proach we have engineered ubiquitin pro-
regulated and ubiquitination is deeply
response after pathogen perception. Our
using different PUBs as bait. In prior work,
proach. Through the use of the Golden
function and substrate modification.
teins that are resistant to deubiquitinating
embedded in this process.
work has highlighted for the first time the
we were able to identify Exo70B2, a sub-
Gate cloning method, we have generated
importance of negative regulation in im-
unit of the exocyst complex, which medi-
large recombinant bacterial operons to
In contrast to the classical in vitro ap-
substrates. By including different tags,
Ubiquitination is involved in most aspects
munity. This process is pivotal to maintain
ates vesicle tethering during exocytosis,
express all components of the ubiquitina-
proach to characterize E3 activity that on-
these modified ubiquitins will facilitate
of the regulation of immune responses.
the physiological homeostasis of plants
as a target of PUB22. This study showed
tion cascade (Fig. 1B). This approach al-
ly leads to spurious amounts of the modi-
the mass spectrometric analysis of the
Depending on the way that the ubiquitin
and avoid growth disadvantages due to
how ubiquitination of a component of the
lows us to overcome several critical bot-
fied proteins, the reconstituted ubiquiti-
ubiquitin proteome (Fig. 2).
moieties are linked to each other, tagged
metabolic trade-offs and energetic penal-
vesicular traffic machinery impacts on im-
proteins are destined to one of several
ties.
mune signaling in plants. Novel identified
possible fates, which include proteolysis,
targets include central components of
ases paving the way for biotechnological
applications. Moreover, in a parallel ap-
enzymes and therefore accumulate on
flanzen befinden sich in ständiger Interaktion mit Mikroorganismen wie z.B. Bakterien, Pilzen und Viren. Um sich vor
P
endocytosis or changes in activity (Fig.
In order to understand the underlying
the endomembrane vesicle trafficking
1A). Ubiquitination is best known for me-
mechanism of immune regulation, and
which underline the unique position of
diating the degradation of proteins via the
how ubiquitination contributes to this re-
PUB ligases in the regulation of plant
Krankheitserregern zu schützen, haben Pflanzen Rezeptoren entwickelt, die diese erkennen und durch die Weiterleitung entsprechender Signale ins Innere der Zelle, diverse Abwehr- und metabolische Anpassungsmechanismen der
Pflanze aktivieren. Die Ubiquitinierung spielt bei diesen Prozessen eine zentrale regulatorische Rolle. Durch die Verknüp-
26S proteasome.
gulation, we are aiming to identify E3 ubi-
adaption to stresses.
fung des Ubiquitins mit bestimmten Zielproteinen werden diese innerhalb der Zelle ihrer weiteren Bestimmung zugeführt.
Even though E3s are known to be respon-
Unsere Gruppe befasst sich mit der Untersuchung der Ubiquitinierung in der Immunantwort mit Augenmerk auf deren regulatorischen Funktionen. Unsere Forschungen ergaben, dass spezifische Ligasen Komponenten des intrazellulären Vesikeltransports ansteuern und diese durch Ubiquitinierung regulieren. Darüber hinaus wird die weitere detaillierte Untersuchung
Group Members
sible for the specificity of ubiquitination,
many questions remain unanswered re-
Giulia Furlan
Kathrin Kowarschick
Chil-Woo Lee
Nadine Tischer
PhD Student
Technical Assistant
Research Associate
Master Student
garding the basis of ubiquitination, such
Jörn Klinkenberg
Roman Lassig
Cecilia Martinez
Marco Zietz
as the mechanisms responsible for the
Bachelor Student
Master Student
modulation of the E3 activity. We discov-
der molekularen Mechanismen des Ubiquitinierungsprozesses durch Methoden der synthetischen Biologie angestrebt. Die
Erforschung dieser Prozesse eröffnet die Möglichkeit, resistentere Sorten zu entwickeln und damit einen Beitrag zu leisten
zur Erhöhung der Erträge und zur Sicherung der Nahrungsmittelqualität.
ered that upon activation of immunity,
76
77
Independent Junior Research Group
Protein Recognition and Degradation
model system, we are using Arabidopsis
development, flower induction, hypoxia
thaliana, currently the best-understood
response, possibly plant-pathogen inter-
Head: Nico Dissmeyer
plant organism, by combining genetics,
action, and cell division. Most of these fac-
cell biology and state-of-the-art bioche-
tors are highly important traits in agricul-
mistry.
ture. To date, the underlying molecular
wiring remained obscure.
Molecular and functional analysis of
protein recognition and degradation in
plants
The NERD is a proteolytic system target-
Rationale
Proteins belong to the fundamental
ing substrate proteins with respect to
Plant PQC is particularly interesting with
equipment of each organism’s cell and
their N-terminal residue and influences
respect to e.g. stabilization or breakdown
play crucial roles in numerous biochemi-
their in vivo half-life. N-terminal basic, bul-
of protein storage reserves in seeds and its
cal and cell biological contexts. They are
ky or hydrophobic side chains are recog-
involvement in other aspects of plant
only able to function properly if their
nized by so-called E3 Ub-ligases followed
growth and development. These enable
abundance and shape are correct. Protein
by ubiquitination (attachment of chains of
seeds to germinate, grow and establish a
folding is one of the major determinants
the small protein modifier ubiquitin) and
seedling. Noteworthy, the presence of
The overall protein
fold is a determinant
eventually by proteasomal degradation.
functional plant proteins becomes increa-
NERD has a multitude of functions in ani-
singly relevant from a bioeconomical point
for proper protein
function. Cellular
mals and yeast but only few substrates
of view as one of the premier storage units
have been discovered. In plants, NERD is
for energy and one hallmark of plant envi-
protein quality control mechanisms
even less understood and solely a small
ronmental stress tolerance. Plant proteins
class of transcription factors has been
constitute the primary source of food for
ensure the disposal
of erroneous pro-
identified as substrates with an important
humans and feed for livestock and in form
role in hypoxia response. In studied mo-
of phytonutrients and renewable plant-
teins or candidates
which are „used up“.
del systems, NERD functions include the
based sources of energy. Besides that,
A long-term goal is to understand the bio-
control of chromosome segregation, DNA
correct protein function is an important
logical significance of plant PQC in the
repair, apoptosis, meiosis, and diverse de-
determinant for genetical engineering and
context of development and biotechno-
velopmental processes. In Arabidopsis,
the production of proteins of medical
logy by elucidating protein quality check-
the primary cause for adverse protein
Picture taken from
Dissmeyer &
Schnittger, The age
NERD is associated with seed ripening, li-
interest is emerging in plant biotechnol-
points and proteostatic control with a
folding in plants and leads to a reduction
of protein kinases,
pid breakdown and germination. More-
ogy and mastering protein stability can im-
strong focus on the plant N-end rule
of the average yields for major crop plants
Methods Mol Biol.
2011;779: 7-52.
over, plant NERD regulates leaf and shoot
prove faithful protein production in plants.
pathway.
N-end rule pathway
of their stability and it is vital to know mechanisms of recognition and degradation
of proteins that need to be destructed
and how intracellular protein abundance
is controlled. Biotic and abiotic stress stimuli like drought, salinity, extreme temperatures, heavy metals, pathogen infection and chemicals lead to osmotic and
oxidative stresses. This may irreversibly
damage proteins by misfolding during
formation and thus compromise the entire cell. Abiotic stress is considered to be
by more than 50% worldwide. Therefore,
Phenotypes of Arabidopsis mutant
plants compromised in protein quality control.
it represents a serious threat to agriculture and also the environment.
Our research aims to describe the biological integration of complex plant protein
quality control (PQC), i.e. posttranslational networks ensuring proper protein
gical substrates on a cellular and molecu-
State of the art
functionality. Separated into two major
lar level. Special emphasis lies on one
The proteome must be precisely guarded
project cores, we aim to identify, charac-
field of PQC, namely the N-end rule path-
to function properly. This takes place on
terize and functionally analyze novel en-
way of targeted protein degradation
the level of protein abundance (pro-
zymatic components and their physiolo-
(NERD) which is a part of the ubiquitin (Ub)
teostasis) and by specialized PQC check-
proteasome system (UPS). PQC is neces-
point systems, e.g. NERD, which has the
Group Members
sary to respond to endogenous physiolo-
capacity of targeted recognition and re-
gical cues and to environmentally harsh
moval of proteins that harbor specific
destruction signals, so-called degrons.
Wir erforschen einen Aspekt grundlegender molekularer Mechanismen der Erkennung und des Abbaus pflanzlicher Eiweißstoffe (Proteine). Proteine zählen zu den wichtigsten Bestandteilen aller lebenden Zellen und übernehmen verschiedenste
essentielle Aufgaben, die von zellulären Bau- und Botenstoffen über Energiespeicher bis hin zu biochemischen Katalysatoren (Enzyme) reichen. Für die jeweiligen Funktionen sind vor allem die Menge und Konzentration der Proteine entscheidend
Frederik Faden
Stefan Mielke
conditions. In plants, only little is known
PhD Student
Master Student
about the portfolio of biological function
Despite their clear involvement in cardinal
Anne Kind
Augustin Catalin Mot
of PQC, although mutations in NERD or
cellular functions, only few roles of plant
Bachelor Student
protein misfolding pathway components
NERD have been identified but this path-
Maria Klecker
Christin Naumann
PhD Student
PhD Student
cause abnormalities through altered pro-
way comprises a hierarchical cascade of
Dieter Lange
Pavel Reichman
tein turnover and erroneous folding. They
protein modifiers with multiple possible
Master Student
PhD Student
are associated with physiological mal-
levels of regulation.
Carolin Mai
Michaela Reißland
functions, lead to severe diseases in mam-
Master Student
Research Assistant
mals, improper responses to biotic and
We have developed a transgenic in vivo
Elisabeth Maluck
Florian Sperling
abiotic stress in plants, and adversely in-
protein stability reporter system as a mo-
Master Student
Bachelor Student
fluence cell proliferation, organ growth,
lecular tool that allows screening for mu-
and seed germination.
tants defective in PQC. As experimental
78
Fig. 4: Our tools: artificial proteolytic substrates, which cause gradual decreasing levels of the protein of interest and eventually
lead to conditional phenotypes.
Pflanzliche Proteinqualitätskontrolle – Grundlagen der Erkennung und des Abbaus von Proteinen
sowie deren dreidimensionale Form, ihre sogenannte Faltung. Nur, wenn diese Parameter genauestens kontrolliert und reguliert werden, können die zellulären Stoffwechselwege und weitere Funktionen korrekt ablaufen.
Daher untersuchen wir die molekularen Wege, die dafür sorgen, dass fehlerhafte oder anderweitig zum Abbau bestimmte
Proteine erkannt und degradiert werden und wollen die komplexen Netzwerke der pflanzlichen Proteinqualitätskontrolle
funktionell analysieren. Das bedeutet herauszufinden, welche biologischen Funktionen sie letztendlich ausüben und mit
welchen Problemen bei Fehlern (Mutationen) in denselben zu rechnen ist.
79
Proteome Analytics
Collaborators
Head: Wolfgang Hoehenwarter
Sacha Baginsky,
Ingo Heilmann,
Christian Schmelzer
Institute of Vegetable and
Ornamental Crops,
Großbeeren, Germany
Gerold Beckers
Wolfram Weckwerth
University of Vienna, Austria
nology to plant research. The abundance,
University of Aachen,
Germany
activity and interactions of thousands of
Yanmei Chen
proteins are constantly changing. This is a
China Agricultural
University, Beijing, China
Leibniz Institute of Plant
Genetics and Crop Plant
Research, Gatersleben,
Germany
The Proteome Analytics research group
brings state of the art proteomics tech-
primary determinant of the plant phenotype. It is our goal to describe these intricate molecular dynamics in accurate
detail and thereby understand plant proteome biology.
The Proteome Analytics research group
conducts a wide range of mass spectro-
Fig. 1: Cutting
edge mass
spectrometry
is used to
identify peptides and proteins.
vitro kinase assays or co-immunoprecipitation experiments. The same holds true
for ubiquitylation. In a collaborative effort
it was possible to map ubiquitylation on
substrates relevant to hormone sensing
and work is ongoing to enrich and meas-
gether with scientists from in- and outside
ment of cell wide changes in protein
labeling (Fig. 3). Quantification of many
of the IPB. The group collaborates closely
abundance in response to genetic and/or
thousands of proteins from a single sam-
with colleagues on all aspects of phytolo-
environmental perturbations are poten-
ple in a reasonable time frame is a major
gical studies from design to experimenta-
tially the most powerful implementation
step to realize the full potential of prote-
tion, data analysis and interpretation of
of functional genomics. We have con-
ome research at the IPB.
the results. Thus the group investigates
ducted a series of large scale discovery
the institute’s central research themes
proteomics studies in an effort to under-
Recently, targeted proteomics has re-
from the perspective of conditional
stand the genetic basis of the mechanism
ceived much attention because it allows
The importance of post translational mo-
labeling, aluminum hydroxide metal oxide
changes in the state of the totality of cel-
underlying soil phosphate sensing in the
researchers to selectively determine the
dification (PTM) cannot be overempha-
affinity chromatography (MOAC) enrich-
lular proteins at one time.
root. The total root protein extract of one
abundance of sets of proteins with the
sized. Reversible, multi-site PTM has as
ment of phosphorylated proteins, trypsin
Liquid chromatography (LC) on-line with
week old lpr1lpr2, pdr2 and pdr3 null mu-
highest accuracy, repeatability and sensi-
much an impact on protein function as
digestion and titanium dioxide MOAC en-
high resolution accurate mass (HR/AM)
tant Arabidopsis seedlings was repeat-
tivity. We have optimized targets protein
translation of the nascent polypeptide it-
richment of phosphorylated peptides
mass spectrometry (MS) is the research
edly measured and quantified using label
analysis using inclusion lists and retention
self. Mass spectrometry is the ideal tech-
from the phosphoprotein enriched frac-
group’s core technology used to identify
free quantification techniques following
time scheduled parallel reaction monitor-
nique for analysis of PTM because of the
tion called Tandem MOAC. It was used to
and quantify peptides and proteins. The
phosphate deprivation. The observed re-
ing (PRM) on the Orbitrap Velos Pro. Mea-
mass shift incurred by covalent attach-
detect and quantify phosphorylation of in
group currently employs an Orbitrap Ve-
modeling of the proteome together with
surements of protein abundance were lin-
ment of a chemical moiety and MS/MS
vivo mitogen-associated protein kinase
los Pro mass spectrometer and the acqui-
quantitative transcript profiling points to-
ear over three orders of magnitude with a
peptide sequencing allows precise locali-
(MPK) substrates upon MPK activation and
sition of a QExactive Plus mass spectro-
wards a complex interplay between soil Pi
limit of quantification of 100 amol in 1 µg
zation and quantification of site-specfic
salicylic acid treatment in Arabidopsis. Also
meter is planned in 2015 (Fig. 1). This in-
content and iron availability in fine-tuning
of Arabidosis thaliana total protein ex-
PTM.
strumentation complemented with the
local root growth in response to limited
tract. This led to a collaborative study
best qualitative and quantitative analysis
phosphate supply (Fig. 2). A similar inte-
seeking to shed light on the identity of
We have developed a quantitative two
signaling such as tethering complexes, ki-
software puts us in an excellent position
grative -omics study was conducted on
possible substrates of the N-end rule
step procedure combining 15N metabolic
nases and transcription factors following
to operate at the cutting edge of prote-
the leaf and trichome tissue of two toma-
(NERD) pathway of protein degradation.
ome science.
to cultivars to better understand the mo-
Protein degradation via NERD in plants is
lecular mechanisms and function of tri-
largely unexplored but it was shown to be
chomes in light of primary metabolism.
central to oxygen sensing and may also
Because proteins are the functional end
Katja Witzel
functional or interaction studies such as in
metry-based proteomics applications to-
products of gene expression, measure-
play a major role in ethylene signaling.
ure site-specific ubiquitylation in vivo.
Figure 2. Proteome remodeling following phosphate deprivation in Col-0
wild type and lpr1lpr2 and pdr2 knockout mutant genotypes.
we mapped in vitro and in vivo phosphorylation sites on diverse proteins involved in
Fig: 3. Multidimensional separation
of proteins and peptides to achieve
deeper coverage of the plant proteome.
ie Arbeitsgruppe Proteomanalytik vereint modernste Proteomwissenschaft und Pflanzenforschung. Die hochauflö-
D
sende Massenspektrometrie ist die zur Proteinidentifizierung und Quantifizierung angewandte Kerntechnologie der
Arbeitsgruppe.
These studies identified around 5,000
Proteins bearing an N-terminal degrada-
Group Members
proteins each. Only recently it has be-
tion signal called an N-degron were quan-
come possible to quantify nearly the en-
tified in NERD enzyme null mutant geno-
Im Wesentlichen sind Proteine die funktionalen Endprodukte der Genexpression. Somit ist die quantitative Erfassung der
MHD Rami Al Shweiki
tire cellular proteome down to a copy
types to detect degradation putatively
Master Student
number of less than 500 per cell from a
downstream of NERD. Additionally, the
Annegret Laub
single sample in human cell lines. This is
abundance of the flagellin receptor FLS2,
the Proteome Analytics research group’s
the most well characterized pathogen as-
ultimate goal. We are currently working
sociated molecular pattern (PAMP) recep-
Veränderungen einer größtmöglichen Menge zellulärer Proteine in Folge genetischer oder umweltbedingter Störungen die
bedeutendste Anwendung der funktionalen Genomik. Wir entwickeln Technologien, um die Abundanz vieler tausender
Pflanzenproteine auf einmal zu messen. Als Pendant dazu wurden Targeted-Proteomik-Ansätze zur gerichteten Quantifizierung ausgewählter Proteine mit der höchsten Sensitivität, Genauigkeit und Wiederholbarkeit etabliert. In Zusammenarbeit
mit Kollegen werden Techniken zur quantitativen Lokalisierung posttranslationaler Modifikationen an Proteinen entwickelt
on establishing multi-dimensional protein
tor in plant innate immunity was mea-
identification technology optimized for
sured and it’s degradation following flg22
plant tissue combined with 15N metabolic
treatment confirmed.
Research Assistant
Petra Majovsky
Technician
Domenika Thieme
Technician
80
Suayib Üstün
und eingesetzt. So untersucht die Arbeitsgruppe die zentralen Fragenstellungen des IPB aus der Perspektive der Veränderungen der zellulären Proteine als Ganzes.
81
of the Junior Research Groups
RG Ubiquitiniation in Immunity
Publications 2013 /2014
Stegmann, M., Anderson, R. G., Westphal, L., Rosahl, S.,
McDowell, J. K. & Trujillo, M. The exocyst subunit Exo 70
B1 is involved in the immune response of Arabidopsis
thaliana to different pathogens and cell death. Plant Signal.
Behav. 8, e27421 (2013)
Dörmann, P., Kim, H., Ott, T., Schulze-Lefert, P., Trujillo, M.,
Wewer, V. & Hückelhoven, R. Cell-autonomous defense,
re-organization and trafficking of membranes in plantmicrobe interactions. New Phytol. 204, 815-22 (2014)
proteomics analysis of protein degradation in plant sig-
naling on an LTQ-Orbitrap mass spectrometer. J. Proteome Res. 13, 4246–4258 (2014)
Stegmann, Martin: Identification of PUB22 targets and
functional characterization in PAMP-triggered immunity.
Julius-Maximilians-Universität Würzburg, Fachbereich
Biologie, 06/16/2013.
Master Theses 2014
Tischer, Nadine: Identification of plant U-Box 22 E3 ubiquitin ligase-interacting ubiquitin-conjugating enzymes.
Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biologie, 05/15/2014.
RG Protein Recognition and Degradation
Publications 2013 / 2014
Harashima, H., Dissmeyer, N. & Schnittger, A. Cell cycle
control kingdom. Trends Cell Biol. 23. 345-356 (2013)
Faden F., Mielke S., Lange D. & Dissmeyer N. Generic
tools for conditionally altering protein abundance and
phenotypes on demand. Biol. Chem. 395, 737-762 (2014)
proteomics analysis of protein degradation in plant signaling on an LTQ-Orbitrap mass spectrometer. J. Proteome Res. 13, 4246–4258 (2014)
Bachelor Theses 2013 /2014
Kind, Anne: Charakterisierung der N-terminalen Amidasen NTAN1 und NTAQ1 in Arabidopsis thaliana. MartinLuther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biochemie und Biotechnologie, 08/28/2013.
Reißland, Michaela: Analyzing conditional expression of
CDKA1 mutants in Arabidopsis thaliana. Martin-LutherUniversität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biochemie
82
Sperling, Florian: Etablierung eines ex vivo -Testsystems
zum funktionellen Screening von Proteinstabilitätsreportern in Protoplasten. Martin-Luther-Universität HalleWittenberg, Fachbereich Biochemie und Biotechnologie,
09/24/2013.
Master Theses 2013/2014
Lange, Dieter: Analysis and application of the temperature-sensitive N-degron in Arabidopsis thaliana. MartinLuther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biochemie und Biotechnologie, 10/30/2014.
Mai, Carolin: Stabilitätsuntersuchung des RPM1-INTERACTING PROTEIN 4 (RIN4) als bona fide-Substrat der
N-Ende-Regel in Arabidopsis. Martin-Luther-Universität
Halle-Wittenberg, Fachbereich Biochemie und Biotechnologie, 02/07/2014.
Publications of the
RG Proteome Analytics
Publications 2013
Černý, M., Kuklová, A., Hoehenwarter, W., Fragner, L.,
Novák, O., Rotková, G., Jedelsky, P.L., Žáková, K., Šmehilová, M., Strnad, M., Weckwerth, W. & Brzobohaty, B.
Proteome and metabolome profiling of cytokinin action
in Arabidopsis identifying both distinct and similar responses to cytokinin down- and up-regulation. J. Exp. Bot.
64, 4193-4206.
Weckwerth, W., Wienkoop, S., Hoehenwarter, W.,
Egelhofer, V. & Sun, X. From proteomics to systems biology: MAPA, MASS WESTERN, PROMEX, and COVAIN as
a user-oriented platform. In: Plant Proteomics (J. V. JorrinNoro, ed.) Humana Press. New York (Methods Mol. Biol;
1072) S. 15-27, ISBN 978-1-62703-630-6.
Egelhofer, V., Hoehenwarter, W., Lyon, D., Weckwerth, W.
& Wienkoop, S. Using ProtMAX to create high-massaccuracy precursor alignments from label-free quantitative mass spectrometry data generated in shotgun proteomics experiments. Nat. Protoc. 8, 595-601.
Hoehenwarter, W., Thomas, M., Nukarinen, E., Egelhofer,
V., Röhrig, H., Weckwerth, W., Conrath, U. & Beckers, G.J.
Identification of novel in vivo MAP kinase substrates in
Arabidopsis thaliana through use of tandem metal oxide
affinity chromatography. Mol. Cell. Proteomics 12, 369-80.
Publications 2014
Grimmer, J., Rödiger, A., Hoehenwarter,W., Helm, S. & Baginsky, S. The RNA-binding protein RNP29 is an unusual
Toc159 transport substrate. Front. Plant Sci. 5, 258.
Majovsky, P., Naumann, C., Lee, C.-W., Lassowskat, I., Trujillo, M., Dissmeyer, N. & Hoehenwarter, W. Targeted proteomics analysis of protein degradation in plant signaling
on an LTQ-Orbitrap mass spectrometer. J. Proteome Res.
13, 4246–4258.
Book Chapter 2014
Beckers, G. J. M., Hoehenwarter, W., Röhrig, H., Conrath,
U. & Weckwerth, ,W. Tandem metal-oxide affinity
chromatography for enhanced depth of phosphoproteome analysis. In: Plant Proteomics (J. V. Jorrin-Noro ed.)
Humana Press. New York (Methods Mol. Biol., 1072) S.
621-632, ISBN 978-1-62703-630-6.
Maluck, Elisabeth: Inhibition of the N-end rule pathway
by reverse genetics. Martin-Luther-Universität HalleWittenberg, Fachbereich Biochemie und Biotechnologie,
12/11/2014.
83
Abteilung Administration und Infrastruktur
Leiterin: Christiane Cyron
Sekretariat: Caroline Stolzenbach
20 Prozent weniger Stromverbrauch
Standort Halle eine Workshopreihe zur Führungskompetenz ins
Ausbildung
eine Personalrotation eingeführt. Durch diese Maßnahmen konn-
Durch vereinte Anstrengung aller Mitarbeiterinnen und Mitarbei-
Leben gerufen. Die Resonanz war so positiv, dass in Folge ähn-
Das Institut bildet seit vielen Jahren Bürokaufleute, Fachinforma-
ten viele Arbeitsabläufe optimiert und der Service in der Gärtne-
ter des Instituts ist es in den Jahren 2013 – 2014 gelungen, den
liche Workshops für den Führungsnachwuchs auch IPB-intern
tiker, Chemielaborantinnen und -laboranten sowie Gärtnerinnen
rei erhöht werden.
Stromverbrauch um 20 Prozent (entspricht circa 200 T€ Einspa-
angeboten werden. Dabei lernen junge Führungskräfte aus dem
und Gärtner für Zierpflanzenbau aus. Nach Abschluss der Ausbil-
rung p.a.) zu senken. Dabei spielt die Modernisierung der Kälte-
wissenschaftlichen und administrativen Bereich nicht nur Füh-
dung bietet das Institut mindestens einen einjährigen Arbeits-
Hochwasser 2013
anlage zur Versorgung der Phytokammern eine herausragende
rungsverhalten, sie erfahren auch voneinander über die unter-
vertrag an; etlichen Auszubildenden konnte auch ein fester
Vor eine geradezu abenteuerliche Herausforderung hat das
Rolle. Durch die Modernisierung der Kälteanlage wird die Be-
schiedlichen Anforderungen im wissenschaftlichen und admini-
Arbeitsplatz angeboten werden. Ein Mitarbeiter, der im Institut
Hochwasser der Saale das Institut im Frühsommer 2013 gestellt.
triebssicherheit der Phytokammern erhöht und gleichzeitig der
strativen Bereich.
ausgebildet wurde, leitet heute eine Arbeitsgruppe im Bereich
Die fast 150 Jahre alte Steinwand, die das IPB-Gelände zur Saale
Administration und Infrastruktur.
hin abstützt, wurde stark geschädigt. Was anfänglich nur nach
Energieverbrauch gesenkt. Versuche mit energiesparender LED-
einem größeren Reparaturvorhaben aussah, hat sich später als
Beleuchtung bei der Pflanzenanzucht haben bereits zu einer
Besonders gefreut haben wir uns darüber, dass sich in den
Bachelorarbeit in der Abteilung Stoffwechsel- und Zellbiologie
Jahren 2013 und 2014 in Folge jeweils eine Nachwuchswissen-
Ausbau der Forschungsinfrastruktur des IPB
politischer Balanceakt unter Einbeziehung einer Vielzahl von Äm-
geführt. Derzeit wird überlegt, einen Drittmittelantrag zur Wech-
schaftlerin des IPB für das Mentoring-Programm der Leibniz-Ge-
Den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern und Koopera-
tern der Stadt Halle entpuppt. Bis zum Sommer 2015 wird die
selwirkung zwischen verschiedenen Spektren der LED-Beleuch-
meinschaft qualifizieren konnte. Eine weitere Wissenschaftlerin
tionspartnern des Instituts steht eine hervorragende For-
Stützwand mit 1,4 Mio Euro aus dem Hochwasserfonds des Bun-
tung und dem Wachstum von Versuchspflanzen zu stellen.
wurde in das Young Leaders in Science - Programm der Schering
schungsinfrastruktur zur Verfügung. Im Berichtszeitraum konn-
des saniert. Anschließend wird die Stadt Halle den Saaleradwan-
Stiftung aufgenommen.
ten ein UHPLC-gekoppeltes Hochleistungsmassenspektrometer,
derweg sanieren.
Förderung der Beteiligung an EU-Drittmittelprojekten
ein GC-Triple Quadrupole MS, ein Massenspektrometer QTrap,
Im 7. Forschungsrahmenprogramm wurden bzw. werden am IPB
ein GC-Massenspektrometer, ein Phosphorimager, diverse
vier Projekte durch die EU gefördert. Erfolgreich abgeschlossen
HPLC- und UPLC-Systeme und Fluoreszenzkameras für die Mi-
sind TERPMED (SZB) und BIONEXGEN (NWC), zurzeit laufen Betei-
kroskopie erworben werden. Die Investitionen wurden teilweise
ligungen an den Projekten COSMOS und SOLUTION (beide Bio-
durch EFRE-Mittel unterstützt.
informatik). Für das Programm Horizon 2020 liegen bereits Anträge für PhenoMenAl (Bioinformatik) und NaProSiNano (NWC) vor.
Sonstige Ressourcen
Bei der Beantragung und Abwicklung der Projekte arbeiten die
Beim wirtschaftlichen Einsatz der Sachressourcen des Instituts
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Instituts eng mit
spielen, neben dem Energieverbrauch, das Bibliotheksbudget, der
entsprechenden Ansprechpartnern im administrativen Bereich
Chemikalienverbrauch und die Bewirtschaftung der Anzuchtflä-
zusammen. Seit Anfang 2014 wird die Zusammenarbeit zusätzlich
chen eine wichtige Rolle.
durch eine Referentin für Forschungsförderung unterstützt.
Im Berichtszeitraum wurde für den Bezug eher selten nachge-
Zentrale Sicherung der Forschungsprimärdaten
fragter Online-Zeitschriften ein Prepaid-System eingeführt, das
Zur Umsetzung der Regeln der DFG zur Sicherung guter wissen-
im Vergleich zum Vollabonnement den kostengünstigeren Ein-
schaftlicher Praxis, wonach Forschungsdaten mindestens über
zelbezug von Zeitschriften ermöglicht.
einen Zeitraum von zehn Jahren nach ihrer Veröffentlichung auf-
84
zubewahren sind, wurde ein zentraler Datenspeicher eingerich-
Nicht mehr benötigte Chemikalien des Instituts werden in einer
tet, auf dem die Forschungsprimärdaten des Instituts gespei-
Chemikalienbörse für die Wiederverwendung vorgehalten.
chert werden. Die Forschungsprimärdaten stehen damit langfris-
Durch eine bauliche Umstrukturierung der Lagerflächen des In-
tig zur Überprüfung, aber auch für weitere Arbeiten interner
stituts konnten die Flächen der Chemikalienbörse erweitert wer-
oder externer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zur Ver-
den und gleichzeitig eine höhere Sicherheit für die Lagerung von
fügung.
chemischen Standardprodukten erreicht werden.
Führungskompetenz des wissenschaftlichen und administrativen Nachwuchses
Der wachsenden Nachfrage nach Anzuchtflächen im Rahmen
Schwere Maschinen werden zur Sanierung der alten Stützmauer
größerer Forschungsprojekte wurde durch eine veränderte Be-
aufgefahren. Mit riesigen Verpresspfahlankern wird das alte
Zur Förderung und Vernetzung junger Wissenschaftlerinnen
wirtschaftung der Flächen begegnet. So wurden bisher getrennt
Gestein im dahinter liegenden Porphyr befestigt.
wurde in Kooperation mit den anderen Leibniz-Instituten am
bewirtschaftete Gewächshausflächen zusammengelegt und
85
Mitarbeiter der Abteilung Administration und
Infrastruktur 2013 / 2014
Personal
Gärtnerei
Leiterin: Kerstin Balkenhohl
Projektleiterin Innen: Petra Jansen,
Anne-Kathrin Ekelmann
Projektleiterin Außen: Dagmar Martin
Claudia Haferung
Alexander Bergter (bis Juli 2013)
Marco Lindemann (bis Juli 2013)
Alice Bühring (bis August 2014)
René Pietzner (bis Oktober 2014)
Thomas Franz
Caroline Stolzenbach
Aileen Jedemann (bis Juli 2013)
Christian Müller
Finanzen
Personalübersicht des IPB 2013 / 2014
2013
2014
Anzahl der Mitarbeiter/innen
zum Stichtag 31.12.
186
178
Wissenschaftler/innen
davon Frauen
113
45
104
37
Anteil der Vollbeschäftigten in %
55
56
Frank Noack
Leiterin: Barbara Wolf
Philipp Plato
Anja Bahr (bis Oktober 2013)
Caroline Schwenzer (bis Mai 2014)
Maike Langlhofer
Sabine Voigt
Anteil der Teilzeitbeschäftigten in %
45
44
Elisabeth Sens (bis Juni 2014)
Gebäude und Liegenschaften
Anzahl der Planstellen
91
91
Andrea Walter
Leiterin: Heike Böhm
Beschäftigungspositionen Haushalt
29
32
Über Drittmittel finanzierte Positionen
45
33
Anteil der weiblichen Beschäftigten insgesamt in %
52
51
Fluktuationsrate in %
23
19
Durchschnittsalter der Beschäftigten in Jahren
36
36
im kaufmännischen Bereich
in der Gärtnerei
im Bereich der Systemadministration
7
2
4
1
6
2
3
1
Erfolgreiche Berufsabschlüsse
3
0
Anzahl der Gastwissenschaftler (inkl. Stipendiaten)
im Jahresdurchschnitt
18
28
Anzahl der studentischen und wissenschaftlichen
Hilfskräfte im Jahresdurchschnitt
45
36
Tanja Pareis
Carsten Koth
Einkauf
Michael Kräge
Leiterin: Rosemarie Strassner
Felix Ölke
(bis Dezember 2014)
Klaus-Peter Schneider
Alexandra Burwig
Catrin Timpel
Melanie Rasch
Eberhard Warkus
Clemens Schinke
Auszubildende
Information und Dokumentation
Tobias Abe / Fachinformatiker
Leiter: Christoph Kupiec
Nadine Dally / Bürokauffrau (bis Januar 2013)
Andrea Piskol
Frances Hintsche / Bürokauffrau
Elisabeth Lenart / Bürokauffrau (bis Juni 2013)
Chemikalienlager
Leiter: Martin C. N. Brauer
Juliane Mewes / Chemielaborantin (bis Januar
Berufsausbildung
2013)
Max Mittelstädt / Bürokaufmann
Nils Mosch / Gärtner
Geräteservice und IT
Tanja Pareis / Bürokauffrau (bis Juni 2013)
Leiter: Tino Körner
Lucas Teschner / Gärtner
Holger Bartz
Kevin Vollmann / Gärtner
Robert Cremer (bis Juni 2013)
Christin Wenke / Gärtnerin
Ronald Scheller
86
87
Budget 2013 / 2014
Ausgaben
Drittmittel 2013 / 2014
2013
TEUR
2014
TEUR
Grundfinanzierung
Einnahmen nach Zuwendungsgeber
2013
TEUR
%
2014
TEUR
%
Personalausgaben
6.251
6.424
Bund
74
3
54
2
Sachausgaben
3.654
3.428
DFG/ NV
298
13
378
16
656
569
DFG/ SFB
308
14
368
16
DFG/ SPP
143
6
239
10
Zuweisungen/ Zuschüsse
Investionen
davon EFRE-Mittel
Zwischensumme
2.822
549
13.383
2.092
113
Sachausgaben
Investionen
Zwischensumme
EU
12.513
Das IPB wurde im Jahr 2014 aus
Drittmittelfinanzierung
Personalausgaben
DFG/ Era Net
1.460
1.463
301
306
30
238
1.791
2.007
Sonstige Mittel
der Bund-/Länderfinanzierung
mit Zuwendungen in Höhe von
14.047 TEUR gefördert (2013:
den für das Jahr 2014 im
Umfang von 2.300 TEUR eingeworben (2013: 2.247 TEUR).
107
143
Sachausgaben
177
39
Zusätzlich standen 2014 sonsti-
9
5
ge Einnahmen (Vermietungen,
293
187
15.467
14.707
Zwischensumme
Gesamtsumme
0
48
2
13
122
5
29
Land
210
9
656
Leibniz-Wettbewerb
440
20
56
2
69
3
112
5
Sonstige (DAAD, Stadt Halle, Mitgliedsbeiträge)
Stiftungen
74
3
132
6
Wirtschaft
345
15
135
6
2.247
100
2.300
100
13.414 TEUR). Drittmittel wur-
Personalausgaben
Investionen
0
286
Zwischensumme
Kassenbestand Vorjahr
Gesamtsumme
504
455
2.751
2.755
Lizenzen, u.a.) in Höhe von 65
TEUR (2013: 85 TEUR) sowie
Kassenreste aus dem Vorjahr
zur Verfügung.
Investitionen
2013
TEUR
2014
TEUR
Geräteinvestitionen gesamt
davon institutionell
davon EFRE-Mittel
davon sonstige Mittel
2.456
2.447
411
9
1.805
1.800
79
5
Bauinvestitionen gesamt
davon institutionell
davon EFRE-Mittel
davon Fluthilfefonds
Summe
88
405
375
138
30
530
292
34
238
2.861
2.335
DAAD
Deutscher Akademischer Austauschdienst
DFG/ NV
Normalverfahren der DFG
DFG/ SFB
Sonderforschungsbereich der DFG
DFG/ SPP
Schwerpunktprogramm der DFG
DFG/ Era Net
Zusammenarbeit zwischen nationalen und regionalen
Forschungsförderorganisationen bzw. Programmagenturen
EU
Europäische Union
Land
Bundesland Sachsen-Anhalt
89
Nationale und internationale Forschungsverbünde
Mitwirkung des IPB als Koordinator oder Partner
in diesem Bereich zu setzen und zu fördern. Ansprechpartner am
Wittenberg, das IPK Gatersleben und das IPB. Mitarbeiter des IPB
IPB: Dr. Steffen Neumann
sind an drei Teilprojekten beteiligt.
SOLUTIONS: Solutions for present and future emerging pollu-
RADAR – Research Data Repositorium
tants in land and water resources management
lung und Etablierung einer Infrastruktur
das mit neuen Methoden, Modellen und
für die langfristige und nutzbare Archivierung von Forschungs-
Folgende drittmittelfinanzierte Forschungsverbundprojekte
bury Laboratory, Cambridge University (Großbrittanien) und die
Instrumenten die Aufstellung von zukünftigen Richtlinien für
daten verschiedener Fachbereiche. Das IPB ist maßgeblich an
werden vom IPB koordiniert oder wurden vom IPB mit gegrün-
Latvia University of Agriculture (Jelgava, Litauen).
Wasser und Umweltschutz unterstützen will. Das Ziel ist es, Lö-
der Entwicklung eines fachübergreifenden Metadatenschemas
sungen für den Schutz der europäischen Gewässer vor gefährli-
beteiligt und überprüft anhand von eigenen NMR-Daten in Test-
chen Chemikalien zu entwickeln. Das Konsortium besteht aus 39
läufen die Funktionalität des Systems während der gesamten
det.
ERA-CAPS: H.I.P. - Homöostase von Isoprenoiden in Pflanzen
1. Leibniz-Projekte
Lokalisation und Transport von Isoprenoiden
Organisationen aus 17 Ländern und wird vom Helmholtz-Zent-
Entwicklung. Neben dem IPB ist die Technische Informationsbi-
Leibniz Research Cluster (LRC): Bio-/ Synthetische multifunk-
in verschiedenen Zellkompartimenten ste-
rum für Umweltforschung (UFZ) koordiniert. Ansprechpartner
bliothek (TIB) Hannover, das Leibniz-Institut für Informationsin-
tionale Mikro-Produktionseinheiten - Neuartige Wege zur
hen im Fokus dieses Verbundes. Die Erfor-
am IPB: Dr. Steffen Neumann und Christoph Ruttkies
frastruktur (FIZ) Karlsruhe, das Karlsruher Institut für Technologie
Wirkstoffentwicklung
schung der Isoprenoide erfolgt anhand von
(KIT) und die Fakultät für Chemie und Pharmazie der Ludwig-
2. BMBF-Projekte
In diesem Leibniz Research Cluster fin-
glandulären Trichomen aus Kultur-, Modell-
den sich Wissenschaftler aus fünf Leib-
und Wildpflanzen. Isoprenoide spielen als Vorläufer der pflanz-
Biohealth: Pflanzliche Biodiversität Indonesiens und mensch-
Ansprechpartner am IPB: Dr. Filipe Furtado, Dr. Andrea Porzel
niz-Instituten zusammen, um ihre Exper-
lichen Terpenoide nicht nur für die Pflanze eine wichtige Rolle;
liche Gesundheit
und Prof. Ludger Wessjohann.
Maximilian-Universität in München am RADAR-Projekt beteiligt.
tise zu bündeln und an biotechnolo-
sie werden auch vom Menschen als Pharmazeutika, Duft- und
Ziel des Projektes ist es, natürliche Sub-
gischen Methoden für die Produktion von Wirkstoffen zu for-
Aromastoffe, Insektizide oder Spezialchemikalien genutzt. Ziel
stanzen in indonesischen Pflanzen und
DFG Graduiertenkolleg 1591 – Posttranscriptional control of
schen. Der LRC wird bis 2020 vom Bundesministerium für
des Projektes ist es, die Produktion industriell relevanter Iso-
Pilzen zu finden, deren antiinfektive Wir-
gene expression: mechanisms and role in pathogenesis
Bildung und Forschung im Rahmen der Initiative Nächste
prenoide innerhalb der Pflanze zu steigern. Die Partner des IPB
kung sie zu potentiellen Kandidaten für
Im Rahmen des GRK 1591 erhalten
Generation biotechnologischer Verfahren - Biotechnologie 2020+
sind das Volcani Center ARO (Israel), die Université catholique
die Entwicklung neuer Arzneimittel macht. Das Projekt wird für
im Schnitt etwa 12 Stipendiaten von
mit 5,5 Millionen Euro gefördert, dem ein analoger Beitrag der
de Louvain (Belgien) und die Universität Amsterdam (Nieder-
3 Jahre vom BMBF gefördert. Kooperationspartner und Koordina-
Wissenschaftlern der Martin-Luther-
Leibniz-Institute gegenübersteht. Beteiligt am Verbundprojekt
lande). Ansprechpartner: Prof. Alain Tissier
tor ist die Universität Leipzig. In Indonesien erfolgt eine Zusam-
Universität und des IPB eine inter-
menarbeit mit dem Indonesischen Institut für Wissenschaften
disziplinäre Betreuung bis zur Pro-
sind neben dem IPB das Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie (HKI) als Sprecher des LRC, das
Wichtiger Partner ist das IPB an folgenden drittmittelfi-
(LIPI) und der Landwirtschaftlichen Universität Bogor. Ansprech-
motion. Die Themenfelder decken
Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften (ISAS) in
nanzierten Forschungsverbundprojekten
partner IPB: Prof. Ludger Wessjohann
biochemische bis zellbiologische
(IPF) und das Leibniz-Institut für Neue Materialien (INM) in
1. EU-Projekte
3. DFG-Projekte
Pflanzenforschung ab. Das IPB ist unter Leitung von Dr. Selma
Saarbrücken. Ansprechpartner: Prof. Ludger Wessjohann und
PhenoMeNal: Eine umfassende und standardisierte E-Infra-
Schwerpunktprogramm SPP1374 - Biodiversitätsexploratorien:
Gago Zachert mit einem Projekt am Graduiertenkolleg beteiligt.
Danilo Meyer
struktur für die Analyse von medizinischen Stoffwechsel-Phä-
BE LOW – Analyse von Wurzel-Merkmalen zum Testen von Um-
notypdaten
weltfiltern und Nischen-Komplementarität in Grünland-
DFG Graduiertenkolleg 1026 – Konformationsumwandlungen
Gesellschaften
bei makromolekularen Interaktionen
Aspekte von der Krebs- bis zur
Dortmund, das Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden
einer
In den nächsten zehn Jahren wird die
gesellschaftlichen Herausforderung durch neue Wege in der
Genombestimmung für eine be-
Das Projekt BE LOW geht der Frage nach, in
Ziel des GRK 1026 ist es, die Beziehung zwischen Proteinfal-
Identifizierung, Gewinnung und Anwendung von Naturstoffen
trächtliche Anzahl der 500.000.000
welcher lokalen Nachbarschaft bzw. Pflanzen-
tung und Proteinfunktion besser zu verstehen. Da nur korrekt
Das Ziel dieses Projekts ist die Untersuchung der Wirkung von
EU/EWR-Bürger routinemäßig durch-
gemeinschaft eine neu ankommende Art am besten wachsen
gefaltete Proteine richtig funktionieren, werden spontane oder
Johanniskraut auf Alzheimer-Demenz und andere neurodege-
geführt werden. Verbunden mit der
kann. Dafür soll die Zusammensetzung von Wurzelexsudaten
enzymatisch gesteuerte Faltungsprozesse auf biophysikali-
nerative Alterserkrankungen. Das Projekt wird im Rahmen des
Erhebung von Stoff wechsel-Daten
verschiedener Pflanzen eines Standortes analysiert werden.
scher, biochemischer und zellbiologischer Ebene untersucht.
Leibniz-Wettbewerbs von der Leibniz-Gemeinschaft für 3 Jahre
bildet dies die Basis einer personalisierten Medizin. Die Erhe-
Wurzeln haben die Fähigkeit unterschiedliche Signalstoffe ins
13 Gruppen von verschiedenen Abteilungen der MLU Halle-Wit-
gefördert. IPB-NWC ist Hauptantragsteller und Koordinator des
bung solcher Daten stellt dramatische Anforderungen an das
Erdreich abzugeben, um nützliche Mikroorganismen anzuziehen
tenberg arbeiten im GRK zusammen. Zwei Gruppen des IPB
Projekts. Die Partner sind die Universität Oslo, das IPK Gaters-
biomedizinische Datenmanagement und die Rechenkapazitäten
und Schädlinge zu vertreiben. Diese in ihrer Summe als Exsudat
(Dr. Nico Dissmeyer und Prof. Steffen Abel) sind als assoziierte
leben, die TU Braunschweig und die Universität Halle-Witten-
in Europa. PhenoMeNal wird dafür eine datenschutzkonforme
bezeichneten Substanzen werden qualitativ und quantitativ un-
Mitglieder am GRK 1026 beteiligt.
berg. Ansprechpartner: Dr. Katrin Franke und Prof. Ludger
und nachhaltige E-Infrastruktur schaffen. Das Projekt wird von
tersucht. Mithilfe dieser Daten soll u.a. getestet werden, ob die
Wessjohann
der Europäischen Kommission im Rahmen von Horizont 2020
statistische Wahrscheinlichkeit des Miteinander-Vorkommens
4. German Israel Foundation for Scientific Research and Development
gefördert und von 13 Partnern aus sieben verschiedenen
von Pflanzenarten in einem spezifischen Lebensraum vorhersag-
Untersuchung der Calcium-vermittelten Signaltransduktion
bei der pflanzlichen Immunantwort
Johanniskraut
gegen
Alzheimer
–
Begegnung
2. ERA-Net-Projekte der EU
Ländern durchgeführt. Koordinator ist das European Molecular
bar ist. Die Partner in diesem Projekt sind neben dem IPB die MLU
ERA-SynBio: SmartPlant - Entwicklung von synthetischen re-
Biology Laboratory (EMBL-EBI) in Hinxton, UK. Ansprechpartner
Halle-Wittenberg und das Deutsche Zentrum für integrative
Ziel des Projekts ist es, die Calcium-
gulatorischen Netzwerken in Pflanzen
am IPB: Dr. Steffen Neumann
Biodiversitätsforschung (iDiv, Halle, Jena, Leipzig). Ansprech-
vermittelten zellulären Prozesse der
Das Ziel des SmartPlant-Konsortiums unter der Koordination von
90
Ziel des RADAR- Projekts ist die Entwick-
SOLUTIONS ist ein EU-Verbundprojekt,
partner am IPB: Prof. Dierk Scheel.
pflanzlichen Immunantwort zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser Forschung werden langfristig
COSMOS: COordination of Standards in MetabOlomicS
Prof. Alain Tissier ist die Entwicklung von Pflanzen mit verbes-
Das Ziel dieses von der Europäischen
DFG Sonderforschungsbereich 648: Mole-
dazu beitragen, die Krankheitsresistenz von Pflanzen zu ver-
serter Stressresistenz oder einer erhöhten Produktion von
Kommission geförderten Projekts ist
kulare Mechanismen der Informationsver-
bessern. Das IPB beteiligt sich gemeinsam mit der Universität
hochwertigen und schützenden Verbindungen. Dabei kommen
es, den freien und offenen Austausch
arbeitung in Pflanzen
von Tel Aviv, Israel (Koordinator) und der Freien Universität
die Deregulierung von Biosynthesewegen und weitere Strate-
von Daten im Bereich Metabolomics zu ermöglichen. Es werden
Ziel des SFB 648 ist die Aufklärung des In-
Berlin an dem Projekt, das von der German-Israeli Foundation
gien des Metabolic Engineering zum Einsatz. Die Partner in
die Aktivitäten von 14 Partnern durch das EMBL European Bioin-
formationstransfers zwischen Pflanzen und
for Scientific Research and Development gefördert wird. An-
diesem ERA-Net -Projekt sind das IPB (Koordinator), das Sains-
formatics Institute koordiniert, um gemeinschaftliche Standards
Pathogenen. Beteiligt sind die MLU Halle-
sprechpartner am IPB: Prof. Dierk Scheel und Dr. Justin Lee.
91
Nationale und Internationale Forschungsnetzwerke
Das IPB ist aktuell an folgenden nationalen und internationa-
Aromastoffen als Alternative zur Pflanzenextraktion oder zur syn-
Leibniz-Forschungsverbund Biodiversität
len wissenschaftlichen Netzwerken beteiligt:
1. Regionale Netzwerke
Die dramatische Veränderung der biologi-
thetischen Produktion zu entwickeln. Ansprechpartner: Prof.
schen Vielfalt ist eine der größten gesell-
Ludger Wessjohann
Computational Mass Spectrometry Initiative (CompMS)
schaftlichen Herausforderungen. Es gilt, die
WissenschaftsCampus Halle – Pflanzenbasierte Bioökonomie
Ziele der Biodiversitätsabkommen mit den oft
Der WissenschaftsCampus Halle
konkurrierenden Zielen der Klima-, Energie-, Landwirtschafts-
verbindet seit 2012 vier Leibniz-In-
und Wirtschaftspolitik in Einklang zu bringen. Der Leibniz-For-
Pflanzen produzieren
Software-Entwicklungen für die Analyse von Massenspektrome-
stitute der Region (IPB, IAMO, IPK
schungsverbund Biodiversität bündelt die Kompetenzen von 22
eine große Anzahl von
trie-Daten. Dabei sollen die Lücken zwischen Proteomik, Metabo-
und IWH) mit den thematisch korrespondierenden Fachberei-
Leibniz-Einrichtungen aus verschiedenen Disziplinen für den Be-
Natur- und Wirkstoffen,
lomik und anderen Bereichen, in denen die Massenspektrome-
chen und An-Instituten der Martin-Luther-Universität. Das Thema
reich Biodiversitätsforschung. Ansprechpartner: Dr. Norbert Ar-
aber leider oft in nur
trie eine zentrale Stellung hat, überbrückt werden.
ist die pflanzenbasierte Bioökonomie, also die nachhaltige indus-
nold
Leibniz-Forschungsverbund Lebensmittel und Ernährung
tigen Pflanzenstoffen, und die damit verbundenen sozioökono-
Der Leibniz-Forschungsverbund Lebensmit-
mischen Aspekte. Der WCH wird von der Leibniz-Gemeinschaft
tel und Ernährung stellt sich den Herausfor-
und dem Land Sachsen-Anhalt gefördert. Im Rahmen des WCH
wird die Nachwuchsgruppe von Dr. Nico Dissmeyer finanziert.
Prof. Ludger Wessjohann ist einer der Sprecher des WCH.
Das Ziel der CompMS Initiative ist die Koordination von
High Value Products (FA 1006)
sehr kleinen Mengen. Das Ziel der COST Action PlantEngine ist
trielle Produktion, Verarbeitung und Nutzung von pflanzlichen
Ressourcen mit Schwerpunkt auf Nahrungsmittel und hochwer-
COST Action: PlantEngine - Plant Metabolic Engineering for
es, die Biosynthese von wertvollen Stoffen in der Pflanze durch
5. Chemie-Netzwerke
gezielte Modifizierung der Pflanzen zu optimieren. Ansprech-
Verbund Cluster Biokatalyse 2021
partner: Prof. Ludger Wessjohann und Dr. Sylvestre Marillonnet
Das Ziel des Clusters Biokatalyse
derungen einer komplexen Welt, in der die
COST Action: STREAM - STRigolactones Enhance Agricultural
rung von Forschungsergebnissen
Lebensmittelproduktion und gesunde Ernäh-
Methodologies (FA 1206)
entlang der gesamten Wertschöp-
2021 ist es, die Kommerzialisie-
rung stark von knappen Ressourcen, klimatischen Bedingungen
Die COST Action STREAM ver-
fungskette (vom Enzymscreening
und dem Umgang mit der Natur abhängen. Entlang der Wert-
bindet europäische Forschungs-
über die Produktion und das Downstream-Processing bis zum
Endprodukt) zu ermöglichen.
Deutsches Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv)
schöpfungskette verknüpft der Verbund 14 Leibniz-Institute und
aktivitäten zu der Pflanzenhor-
Das iDiv wurde als Drehscheibe der interna-
schafft auf diese Weise ein Disziplin-übergreifendes Wissen-
mongruppe der Strigolaktone.
tionalen Biodiversitätsforschung im Jahr
schaftsnetzwerk. Ansprechpartner: Prof. Steffen Abel
Diese Hormone beeinflussen die Pflanzenmorphologie und die
ChemBioNet
2012 von den Universitäten in Leipzig, Jena und Halle sowie dem
Bodenqualität und sind daher von großem Interesse für eine
ChemBioNet ist ein Netzwerk für
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (Leipzig, Halle, Magde-
nachhaltige Landwirtschaft. Ansprechpartner: Dr. Michael H.
Ressourcen im Bereich der che-
Walter.
mischen Biologie. Die interdiszi-
burg als DFG-Forschungszentrum initiiert. Das Forschungsziel ist
3. EU-Netzwerke
die Förderung theoriebasierter Synthese und datenorientierter
EU-OPENSCREEN
Theoriebildung in den Biodiversitätswissenschaften.
plinäre, offene Plattform für die
Ziel von EU-OPENSCREEN ist die
COST Action: PROTEOSTASIS - European network to integrate
systematische Anwendung von
Entdeckung von neuen Wirkstof-
research on intracellular proteolysis pathways in health and dis-
kleinen Molekülen dient dazu, biologische Systeme besser er-
ease (BM1307)
forschen zu können.
Interdisziplinäres Zentrum für Nutzpflanzenforschung (IZN)
fen in allen Bereichen der Lebenswissenschaften durch Zugang
Das IZN bündelt die in der Region entwickelten beachtlichen
zu den neuesten Technologien, Ressourcen und Expertisen. Die
Die COST Action PROTEOSTASIS
Ressourcen von Agrar- und molekularen Biowissenschaften und
Initiative unterstützt die lebenswissenschaftliche Forschung in
verbindet Wissenschaftler auf
vereint Gruppen der MLU Halle-Wittenberg, des IPK Gatersleben,
Europa und die Umsetzung der Ergebnisse in medizinische, land-
dem Gebiet der Proteinhomöos-
des IPB und des Julius-Kühn-Instituts, dem Bundesforschungsin-
wirtschaftliche, bioindustrielle und gesellschaftliche Anwendun-
tase aus nahezu allen Ländern
stitut für Nutzpflanzen in Quedlinburg (JKI). Gefördert werden
gen.
Europas. Ziel ist es, die Anwen-
Forschungsprojekte an Nutzpflanzen, die sich auf Grundlagenund Anwendungsebene mit den landwirtschaftlich relevanten
dung und Entwicklung von Methoden und Produkten mit klinischer und (bio)ökonomischer Bedeutung voranzutreiben. An-
EPSO — European Plant Science Organisation
Themen Resistenz gegen biotischen Stress und Toleranz gegen
EPSO ist eine unabhängige wissenschaftliche Or-
sprechpartner: Dr. Luz Irina A. Calderón Villalobos, Dr. Nico
abiotischen Stress beschäftigen.
ganisation, die mehr als 226 Forschungsinstitute
Dissmeyer und Dr. Marco Trujillo
und Universitäten aus 30 Ländern verknüpft.
2. Leibniz-Forschungsverbünde
EPSOs Auftrag ist es, den Einfluss und die Sichtbarkeit der
Leibniz-Forschungsverbund Wirkstoffe und Biotechnologie
Pflanzenforschung in Europa zu stärken.
4. Bioinformatik-Netzwerke
Medizinischer Fortschritt, die Sicherung
92
MassBank
landwirtschaftlicher Produktion und eine
COST Action: Bioflavour - New biocatalysts and novel molecu-
Das IPB ist Mitglied des
gesunde Ernährung und Körperpflege sind
lar mechanisms (FA 0907)
MassBank Konsortiums, der
ohne die Entwicklung von Wirkstoffen nicht
Die COST
ersten offenen Datenbank für
vorstellbar. Der Verbund Wirkstoffe und Biotechnologie wurde
Action Bio-
Referenzspektren. Diese Datenbank ist eine wertvolle Ressource
2012 auf Initiative des IPB ins Leben gerufen und bündelt mit 17
flavour ver-
beteiligten Leibniz-Instituten die innerhalb der Gemeinschaft
bindet die europäische Forschung zur natürlichen Produktion
Entwicklung
breit angelegte Forschung zu Molekülen mit biologischer
von Duft- und Aromastoffen in Hefe. Das Ziel ist es, eine umwelt-
metrischer Methoden und Modelle. Ansprechpartner: Dr. Steffen
Wirkung. Ansprechpartner: Prof. Ludger Wessjohann
freundliche, effiziente und natürliche Produktion von Duft- und
Neumann
für die Metabolomforschung und liefert Daten für die
neuer
computergestützter
massenspektro-
93
Gastwissenschaftler/innen und Stipendiat(inn)en *
Abteilung Molekulare Signalverarbeitung
Ranju Chutia, Indien
Erasmus-Mundus-Stipendiatin
06.10.2014 – 30.09.2017
Dinesh Dhurvas Chandrasekaran, Indien
Khaled Alkassem, Syrien
Prof. Jens Pahnke, BRD
Christin Fellenberg, BRD
DAAD-Stipendiat
01.05.2014 – 19.07.2014
18.08.2014 – 31.03.2015
01.11.2014 – 31.12.2017
01.04.2013 – 30.06.2013
Cristiane Pereira, Brasilien
Anna Kulma, Polen
CAPES-Stipendiatin
10.06.2013 – 28.03.2014
Stipendiatin, Uni Breslau
23.09.2014 – 22.12.2014
Daniel Rampon, Brasilien
Yulong Li, China
Dr. Tatiana Bilova, Russland
04.02.2014 – 31.05.2014
DFG-Stipendiat
01.07.2010 – 30.09.2013
Dr. Danstone Baraza, Kenia
Mitra Dipannita, Indien
DAAD-Stipendiat
02.08.2012 – 31.01.2013
DAAD-Stipendiatin
30.09.2013 – 30.09.2015
Upendo Ernest Cheya, Tansania
CNPq-Stipendiat
12.09.2012 – 28.02.2013
Bruno Ravanello, Brasilien
08.07.2014 – 17.09.2014
CNPq-Stipendiat
11.09.2014 – 31.08.2017
04.12.2013 – 30.03.2015
Dr. Roberta Drekener, Brasilien
Dr. Saadeldin Shaaban, Ägypten
Susanne Höpfner, BRD
FAPESP-Stipendiatin
01.11.2013 – 31.10.2014
DAAD-Stipendiat
29.03.2013 – 29.09.2013
Stipendiatin, GRK
05.11.2014 – 30.04.2015
Dr. Mohamed Farag, Ägypten
Tiago da Silva, Brasilien
Daniel Elias, BRD
Philipp Janitza, BRD
01.01.2013 – 30.06.2013
Somnath Koley, Indien
Erasmus-Mundus-Stipendiat
03.11.2014 – 31.12.2017
Esmeralda Marti Sanchis, Spanien
01.08.2013 – 31.08.2013
Shiv Meena, Indien
Erasmus-Mundus-Stipendiat
07.10.2014 – 31.12.2017
Christian Noah, BRD
04.12.2013 – 31.03.2015
Dr. Silke Richter, BRD
01.01.2013 – 31.03.2013
Ahmed Romel, Bangladesch
DAAD-Stipendiat
19.03.2012 – 30.09.2015
Katja Seidel, BRD
01.10.2010 – bis auf Weiteres
Dr. Diana Weier, BRD
01.02.2013 – 31.01.2014
Heena Yadav, Indien
Stipendiatin Erasmus-Mundus
07.10.2014 – 31.12.2017
Serge Alain Fobofou Tanemossu, Kamerun
CNPq-Stipendiatin
11.09.2014 – 31.08.2017
DAAD-Stipendiat
03.04.2012 – 31.03.2014
Nadja Sonntag, BRD
Dr. Katrin Franke, BRD
01.09.2013 – 31.08.2014
01.11.2013 – 31.12.2014
Unabhängige Nachwuchsgruppen
Frederik Faden, BRD
Dr. Boris Tolkachev, Russland
Stipendiat Graduiertenkolleg
01.10.2011 – 31.03.2014
18.08.2014 – 01.04.2015
Dr. Andrej Frolov, Russland
15.10.2012 – 30.12.2013
Ricardo Wanderley Neves Filho, Brasilien
Dr. Zoila Gandara, Spanien
CNPq-Stipendiat
08.06.2011- 31.03.2014
Amina Msonga, Tansania
DAAD-Stipendiatin
29.09.2010 – 31.12.2013
Abteilung Stress- und Entwicklungsbiologie
Manaswita Baruah, Indien
Chelsea Harmon, USA
Erasmus-Mundus Stipendiatin
07.10.2014 – 31.12.2017
DAAD-Stipendiatin
16.05.2014 – 19.08.2014
Ingo Hofmann, BRD
Stipendiatin der Studienstiftung des dt. Volkes
01.07.2010 – 31.05.2013
Myint Myint Khine, Myanmar
Stipendiatin Graduiertenkolleg
01.10.2011 – 31.03.2014
Pavel Reichman, Tschechien
DAAD-Stipendiat
01.10.2014 – 31.12.2016
Nadine Küster, BRD
10.01.2011 – 31.07.2014
Dr. Stephan Schmidt, BRD
01.10.2014 – 31.03.2015
Tamara Krajnovic, Montenegro
DAAD-Stipendiat
01.10.2012 – 31.03.2014
Dr. Danijela Maksimovic-Ivanic, Serbien
DAAD-Stipendiatin
24.03.2014 – 26.07.2014
15.10.2010 – 31.12.2016
DAAD Stipendiatin
02.10.2014 – 30.11.2014
DAAD-Stipendiatin
14.10.2014 – 13.11.2014
Cecilia Martinez, Mexiko
Christin Naumann, BRD
01.10.2014 – 31.12.2014
15.07.2013 – unbefristet
CAPES-Stipendiat
08.07.2014 – 31.03.2015
Prof. Dieter Strack, BRD
Nalin de Seixas Borges, Brasilien
Prof. Dr. Claus Wasternack, BRD
Ricardo Affeldt, Brasilien
Stipendiat Conacyt Mexico
02.09.2013 – 31.08.2014
08.02.2012 – 31.12.2014
Dr. Claudia Flügel, BRD
Ramona Heinke, BRD
Stipendiat National Plant Science
26.06.2014 – 05.08.2014
Dr. Humberto Medina, Spanien
CNPq-Stipendiat
18.04.2013 – 31.12.2013
16.01.2013 – 14.01.2014
01.01.2013 – 31.03.2013
Abteilung Natur- und Wirkstoffchemie
Dr. Nael Abutaha, Saudi-Arabien
Stipendiat, China Scholarship Concil
13.09.2013 – 31.12.2014
Arsheed Hussain Sheikh, Indien
01.04.2014 – 30.04.2014
Abteilung Stoffwechsel- und Zellbiologie
Dominic Brauch, BRD
Dr. Sanja Mijatovic, Serbien
01.10.2012 – 16.12.2013
01.04.2014 – 30.04.2014
* mit mindestens vier Wochen Aufenthalt am IPB
94
95
Sylvia Pieplow
Assistenz: Sylvia Siersleben
Die Jahre 2013 und 2014 waren reich an
ten und mit großem Interesse wahrge-
Wissenschaftler als Botschafter des IPB
re jung, lieferte eine beeindruckende 3-
Eine weitere Konferenz von Doktoranden
zu einem der fünf strategischen Zukunfts-
öffentlichkeitswirksamen Ereignissen. Vie-
nommen.
Die dritte internationale Konferenz der
Minuten-Show vor internationalem Publi-
für Doktoranden wird seit gut 20 Jahren,
märkte des Landes Sachsen-Anhalt.“
Global Young Academy (GYA) fand am
kum und einer hochkarätigen Jury. Die
alternierend von Gruppen aus Leipzig,
le Mitarbeiter wirkten auf verschiedenen
Ebenen mit, um die Strahlkraft des Insti-
Die landespolitische Sprecherin der SPD,
15.-18.05.2013 in der Leopoldina in Halle
Falling Walls Lab findet seit 2009 jedes
Zürich, Würzburg, Bayreuth, Jena und Hal-
Die Abschlusskonferenz des von der Euro-
tuts zu erhöhen. Hier ein thematisch-chro-
Dr. Katja Pähle, besuchte am 22.04.2013
statt. Dr. Mohamed Farag nahm als frisch
Jahr am 8. November in Berlin statt. Sie
le ausgerichtet: der Doktorandenwork-
päischen Kommission geförderten Koo-
nologischer Abriss:
das Institut, um sich über aktuelle For-
nominiertes Mitglied daran teil und reprä-
bildet den Auftakt zur Falling Walls Con-
shop Naturstoffe. 2014 lag die Organisa-
perationsoprojektes Bionexgen fand am
schungsvorhaben zu informieren. Disku-
sentierte damit nicht nur das IPB, sondern
ference am kommenden Tag, die anläss-
tion und Ausrichtung wieder beim IPB.
02.-04.12. 2013 in Brüssel statt. Das Mee-
Artikel im Zweiwochentakt
tiert wurden auch wissenschaftspolitisch-
auch sein Heimatland Ägypten und ganz
lich des Jahrestages zum Mauerfall die
Die etwa 120 Teilnehmer aus Deutschland
ting hatte gleichzeitig den Charakter ei-
Die Präsenz des IPB in den Medien war in
strategische Fragen.
Afrika. Farag forschte als Humboldt-Sti-
Mauern in Köpfen einreißen will. Dafür
und der Schweiz trafen sich am 09.05. im
ner Informationsveranstaltung für die Öf-
pendiat an Wirkstoffen aus Hopfen, Süß-
werden jedes Jahr 20 der weltweit führen-
Leibniz-Institut für Agrarentwicklung und
fentlichkeit, vornehmlich für EU-Politiker.
den Jahren 2013/2014 gleichbleibend
hoch. In beiden Jahren erschienen ins-
Am 05.09.2013 besuchte der ehemalige
holz und Johanniskraut. Aus seiner Arbeit
den Spitzenforscher in die Hauptstadt ein-
Transformationsökonomien (IAMO) zum
Für das IPB nahmen Martin Dippe, Stefa-
gesamt 41 Artikel in der Presse. Mehr als
Direktor und Leopoldina-Altpräsident
in Halle erwuchs eine fruchtbare Instituts-
geladen, um ihre aktuellen Durchbrüche
gemeinsamen Austauch über Alkaloide
nie Finsterbusch und Sylvia Pieplow da-
die Hälfte der Artikel (insgesamt 25) hat-
Benno Parthier gemeinsam mit alten Stu-
partnerschaft zwischen dem IPB und der
zu präsentieren und Lösungen für globale
und andere vielversprechende Wirkstoffe.
ran teil. Präsentiert wurden die Projekte
ten wissenschaftliche Themen im Fokus
dienkollegen das Institut. Der Rundgang
Universität Kairo, die für drei Jahre von der
Herausforderungen aufzuzeigen.
und erreichten ihr Publikum auf überre-
durch unsere Räumlichkeiten war nicht
Alexander-von-Humboldt-Stiftung geför-
gionaler Ebene.
nur für die Teilnehmer des Seminargrup-
dert wird. Inzwischen ist Dr. Farag Assis-
Veranstaltungen
konferenz wegen des Hochwassers nur in
Produktion von Phenylpropanoiden.
pentreffens ein Genuss; auch die Gastge-
tenzprofessor an der Pharmazeutischen
Plant Your Future war das Motto der 9.
sehr kleinem Rahmen stattfand, konnten
Zur Vernetzung von regionalen Akteuren
Führungen durchs Institut
ber hatten sehr viel Freude an diesem wa-
Fakultät der Universität Kairo.
Plant Science Student Conference, die
im letzten Jahr erstmals regionale Vertre-
aus Wissenschaft, Wirtschaft und Verwal-
Rund 75 Gäste besuchten das Institut zum
chen, interessiertem und stets frageb-
Die GYA wurde 2010 gegründet. Sie ver-
vom 28. bis 31. Mai 2013 im IPB stattfand.
ter aus Wissenschaft und Industrie zu die-
tung hat die Martin-Luther-Universität
Tag der Berufe am 20.03.2013, um sich
dürftigem Publikum.
steht sich als die Stimme junger Wissen-
Rund 90 Doktoranden aus dem IPB, dem
sem Meeting zusammenkommen. Die in-
(MLU) gemeinsam mit der Stadt Halle
schaftler auf internationalem Niveau.
IPK in Gaterleben und dem MPI in Jena
ternationale Bioökonomiekonferenz un-
2013 ein besonderes Veranstaltungsfor-
nahmen teil. Die Gastredner, Jonathan
ter dem Motto Bio meets Economy -
mat ins Leben gerufen: die transHAL. Die
über die Ausbildungsmöglichkeiten am
IPB zu informieren. Die Resonanz auf die
Das Treffen des WeinbergCampus-Pres-
Veranstaltung war durchweg positiv. Der
sekreises fand am 13.06.2014 im IPB statt.
Als einer von 100 Jungforschern aus aller
Gershenzon vom MPI für Chemische Öko-
Science meets Industry fand am 22. und
2. Konferenz dieses Formats mit Vorträ-
Tag der Berufe findet auf Initiative der Bun-
Neben den Pressesprechern der umlie-
Welt durfte Serge Alain Fobofou Tane-
logie in Jena, Rainer Breitling von der Uni-
23. Mai 2014 in Halle statt. Organisiert
gen, Workshops und Rundtischgesprä-
desagentur für Arbeit deutschlandweit
genden An-Institute nahmen auch Vertre-
mossu auf der Falling Walls Lab Confe-
versität Manchester und Cyril Zipfel aus
wurde die Konferenz vom Wissenschafts-
chen fand am 28.10.2014 im IAMO statt.
einmal im Jahr statt. Ähnliche Schülerfüh-
ter der Stadt Halle und des International
rence am 08.11.2014 über seine Wirkstoff-
Norwich sorgten für scharfe Blicke über
Campus Halle (WCH), der 2014 positiv
Für das IPB war Sylvia Pieplow mit einem
rungen bot das Institut im Rahmen des Zu-
Office der MLU daran teil. Die Teilnehmer
suche in Heilpflanzen berichten. Sein Vor-
den Tellerrand; ebenso das Rahmenpro-
evaluiert wurde und als regionales Koope-
Stand präsent.
kunftstags am 24.04.2013 an.
zeigten sich beeindruckt von Umfang und
trag Breaking the wall of infection disea-
gramm im Botanischen Garten und in den
rationsprojekt weiter von der Leibniz-Ge-
Vielfalt der Pressearbeit am Institut. Disku-
ses ist auch im Netz unter http:// vimeo.
Meckelschen Sammlungen. Darüber hi-
meinschaft und dem Land Sachsen-An-
Am 03.07.2014 besuchten Wissenschafts-
Am 10.04.2013 war das IPB Gastgeber für
tiert wurden anschließend strategische
com/113487997 zu finden. In den Vorent-
naus gab es Vorträge, Poster und viele
halt gefördert wird. Sachsen-Anhalts Wis-
journalisten, Medienexperten und Lokal-
das jährliche Treffen der mitteldeutschen
Fragen zur besseren Sichtbarmachung
scheidungen wählte eine internationale
weitere zahlreiche Gelegenheiten für alle
senschaftsminister Hartmut Möllring be-
politiker das IPB und den gesamten Cam-
Dual-Career-Vereinigung. Auch hier wur-
des wissenschaftlichen Potentials der ge-
Jury von 888 Bewerbern die 100 Finalis-
Jungwissenschaftler, miteinander ins Ge-
tonte noch einmal die Bedeutung des
pus. Die Scienceseeing-Tour fand im Rah-
de ein Rundgang durchs Institut angebo-
samten Stadt.
ten aus. Ein jeder von ihnen, unter 35 Jah-
spräch zu kommen.
WCH: „Der Bereich Bioökonomie gehört
men des Nanospotfestivals statt, das seit
Serge Tanemossu auf der Falling Walls
Lab im November 2014 in Berlin
Dinesh Dhurvas Chandrasekaran und Frederik Faden präsentieren das Logo der
Plant Science Student Conference im Mai 2013
Zur Bionexgen-Tagung im Dezember
2013 in Brüssel
Sylvia Pieplow führt die Alt-Biologen der Studiengruppe des ehemaligen IPB-Direktors Benno Parthier im September 2013 durch’s Gelände.
96
der Abteilung NWC zur biokatalytischen
Nachdem 2013 die erste Bioökonomie-
97
Medienpräsenz des IPB
Artikel und Pressemeldungen 2013
25. Februar
Walther, C. Schubkraft für Gründer
durch Manager-Knowhow. Pressemitteilung der Leibniz-Gemeinschaft.
Wolfgang Brandt in seinem Element zur Scienceseeing-Tour am 3. Juli 2014.
Immer eine Augenweide: Das indische Lichterfest, hier im November 2013, hat am
IPB schon Tradition.
2014 einmal jährlich in Halle ausgetragen
neut geladen hatten. Rund 100 Gäste aus
Bigband der Kreismusikschule Carl Loewe
wird. Mit seinem animierten 3D-Vortrag
aller Welt folgten der Einladung zu Tanz,
für Begeisterung.
konnte Wolfgang Brandt das Auditorium
Gesang und Gaumenfreuden. Auch diver-
von der Wirkstofffindung durch Protein-
se andere Doktorandenfeiern wie Hallo-
Sonstiges
modeling begeistern.
weenparty und Tischkickermeisterschaf-
Damit sich Neuankömmlinge und Fremde
ten haben mittlerweile schon Tradition
im Institut besser zurechtfinden, wurde
Einen Tag später, am 04.07.2014 ging es
am Institut. Das gilt auch für die jährlich
2014 von Sylvia Siersleben und Sylvia
zur Langen Nacht der Wissenschaft - im
von der Abteilung NWC organisierte
Pieplow ein Wegeleitsystem konzipiert
Vergleich zu den Vorjahren - eher be-
Rentnerweihnachtsfeier, die bei unseren
und umgesetzt.
schaulich zu am IPB. 273 Hallenser waren
Alumni sehr beliebt ist.
Zum zweiten Mal in Folge hat das IPB im
gekommen, um sich, trotz des Viertelfi-
Frühjahr 2013 das Total-Equality-Prädikat
nales der Fußballweltmeisterschaft, im In-
Besonders hervorzuheben im Sinne der
stitut umzusehen. Sie besuchten das
Teambildung sind die jährlichen Instituts-
gewonnen. Familienfreundlichkeit, struk-
Institut vor allem aus genau jenem Grund:
feste für die gesamte Belegschaft. 2013
turierte Nachwuchsförderung, Engage-
Die Lange Nacht am IPB einmal ohne Ge-
zur IPB-Weihnachtsfeier formierte sich
ment im Dual-Career-Netzwerk und El-
dränge und Zeitdruck zu erleben. Der Plan
erstmals eine IPB-Combo mit Sängern
tern-Kind-Zimmer sind Aktivitäten, mit de-
ging auf. Die Veranstaltung war sowohl für
und Musikern aus allen Abteilungen. Die
nen das IPB bei der Jury punktete. Als Mit-
die Mitarbeiter als auch für die Gäste ein
präsentierte dem begeisterten Publikum
glied des Equalityteams (mit Kerstin
angenehm tiefschürfendes Erlebnis.
ein buntes Programm aus deutschen,
Balkenhohl, Claudia Haferung und Ker-
englischen und spanischen Weihnachts-
stin Manke) war Sylvia Pieplow für die
Feste
liedern. Die Texten wurden mit Power-
überzeugende Darstellung aller Gleich-
Bereits zum vierten Mal in Folge war das
point an die Wand projeziert, sodass alle
stellungsprojekte im Fragenkatalog zu-
IPB am 01.11.2014 Gastgeber des Diwali-
Mitarbeiter fleißig mitsingen konnten.
ständig und trug damit wesentlich zum
Lichterfestes in Halle, zu dem die indi-
Musikalisch ging es auch zum IPB-Som-
Gelingen der Bewerbung bei. Das Zertifi-
schen Studenten des IPB und der MLU er-
merfest am 11. 09.2014 zu. Hier sorgte die
kat gilt für drei Jahre.
26. Februar
Henneberg, K. Biodiversitätszentrum
iDiv richtet internationale Konferenz zu
Vegetationsdatenbanken aus. Pressemitteilung des iDiv.
28. Februar
Overmeyer, A. Metallionen regulieren
den Terpen-Stoffwechsel in Insekten.
Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Chemische Ökologie in Jena.
11. März
Henneberg, K. Länderübergreifendes
Berufungssymposium des iDiv in Leipzig. Pressemitteilung des iDiv.
15. März
Walther, C. Jahrespressegespräch 2013 Leibniz-Gemeinschaft verstärkt Hochschulkooperation. Pressemitteilung der
Leibniz-Gemeinschaft.
18. März
Pieplow, S. Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie öffnet Türen zum Tag der Berufe. Pressemitteilung.
19. März
Pieplow, S. Leibniz-Institut öffnet Türen. Mitteldeutsche Zeitung, S. 8.
26. März
Höhne, S. Großversuch ohne Erfolg. Im Frühjahr wird es wohl keine Felder mit Gen-Pflanzen in Sachsen-Anhalt geben. Mitteldeutsche
Zeitung S. 3.
Höhne, S. Gentechnik – Pro und Kontra. Mitteldeutsche Zeitung S. 3.
19. April
Henneberg, K. iDiv-Auftakt skizziert die
Zukunftsaufgaben der Biodiversitätsforschung. Pressemitteilung des iDiv.
Juni 2013
Valenzuela, J. Experto alemán destaca potencial del patrimonio fungico de boeques nativos. Panorama UdeC, Chile
Walter, C. WissenschaftsCampus Halle: Pflanzenbasierte Bioökonomie. Leibniz auf dem
Campus, S. 9.
Gerd Balcke erklärt die Funktionsweise des Massenspektrometers zur Langen Nacht der Wissenschaften am 4. Juli 2014.
Die frisch formierte IPB-Combo sorgte zur Weihnachtsfeier im Dezember 2013 für
Stimmung und Begeisterung. Nach nur wenigen Proben präsentierte das Ensemble
ein Programm mit Weihnachtsliedern aus aller Welt.
Schnee, R. From molecule to society. Erste internationale Bioökonomie-Konferenz des WissenschaftsCampus Halle. IPK Journal 22 (2013)
1, S. 20.
4. Juli
Bank-Zillmann, M. Mit der Bachelorarbeit auf die Titelseite von Nature:
SKWP-Forschungspreis der Universität
Halle würdigt zwei Studenten. Pressemitteilung der Universität Halle (MLU).
23. Juli
Walther, C. Leibniz setzt regional auf
WissenschaftsCampi. Pressemitteilung
der Leibniz-Gemeinschaft.
27. Juli
Klabuhn, J. Pflanzen sind eben auch nur Tiere.
Mitteldeutsche Zeitung, S. 16.
12. August
Walther, C. WissenschaftsCampus Halle: „Pflanzenbasierte Bioökonomie“ –
Bioökonomie als Schlüsselindustrie des
21. Jahrhunderts. Pressemitteilung der
Leibniz-Gemeinschaft.
17. August
Schippmann, A. Sachsen-Anhalts Pilz-Atlas. Bild,
S. 9.
23. August
Glowinsky, G. Strecke zum Laternenfest noch
gesperrt. Mitteldeutsche Zeitung, S. 8.
10. September
Bank-Zillmann, M. Proteinforscher beraten über weitere Profilierung des Biotechnologie-Standorts Halle – Tagung
am 17. und 18. September. Pressemitteilung der MLU.
13. September
Falgowski, M. Die Absicht, eine Mauer zu bauen. Mitteldeutsche Zeitung, S. 7.
Möbius, J. Bitte frei machen. Kommentar. Mitteldeutsche Zeitung, S. 8.
Oktober 2013
Walther, C. Sanduhr der embryonalen Entwicklung tickt auch bei Pflanzen. Jahresbericht
der Leibniz-Gemeinschaft 2012/2013, S. 8.
Walther, C. Leibniz-Forschungsverbund Wirkstoffe und Biotechnologie. Jahresbericht der
Leibniz-Gemeinschaft 2012/2013, S. 25.
Walther, C. Hochschulkooperationen. Infofoto. Jahresbericht der Leibniz-Gemeinschaft 2012/
2013, S. 30/31.
98
99
Walther, C.WissenschaftsCampus Halle: Pflanzenbasierte Bioökonomie. Jahresbericht der
Leibniz-Gemeinschaft 2012/2013, S. 30/31.
Bank-Zillmann, M. Bachelor-Arbeit wird Nature-Story. Scientia Halensis 4/2013, S. 30.
18. Oktober
Löwe, K. Im Klima-Stress. Mitteldeutsche Zeitung, S. 16, Campusseite.
28. Oktober
Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie. Begründung zur Prädikatsvergabe. Mit Chancengleichheit zum Erfolg, S. 22.
29. Oktober
Pieplow, S. IPB erhält Prädikat zur
Chancengleichheit. Pressemitteilung.
30. Oktober
Pieplow, S. Gleiche Chancen. Wochenspiegel,
S.1.
30. Oktober
Pieplow, S. Leibniz-Institut für Chancengleichheit geehrt. Mitteldeutsche Zeitung, S. 8.
7. November
Pausch, K. Lichter gegen alles Böse. Mitteldeutsche Zeitung, S. 14.
7. November
Neubert, R. Arzneipflanzen Äthiopiens. Deutsche Apothekerzeitung (153) 45, S. 100.
8. November
Walther, C. Leibniz-Gemeinschaft bündelt ihre Kompetenzen zur nachhaltigen Sicherung der biologischen Vielfalt.
Pressemitteilung der Leibniz-Gemeinschaft.
Meldungen für Aktuelles 2013
11.03.2013
iDiv startet Berufungssymposium in Leipzig
13.03.2013
Leibniz-Gemeinschaft verstärkt Hochschulkooperationen
18.03.2013
Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie öffnet
Türen und Labore zum Tag der Berufe
18.04.2013
Herzlichen Glückwunsch an Claus Wasternack!
17.05.2013
Dr. Mohamed A. Farag nimmt an der Konferenz der Global Young Academy in Halle teil
27.05.2013
Große Doktorandenkonferenz zur Pflanzenforschung am Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie
30.05.2013
Herzlichen Glückwunsch an Sabine Rosahl!
03.06.2013
Erste internationale Bioökonomie-Konferenz
des WissenschaftsCampus Halle
05.06.2013
ACHTUNG: Bioökonomie-Konferenz des
WissenschaftsCampus abgesagt! Verkürztes
Programm am Freitag im IPB geplant.
06.06.2013
Hochwasser
02.12.2013
Neuaufnahme dreier wissenschaftlicher
Institute in die Leibniz-Gemeinschaft
08.07.2013
Herzlichen Glückwunsch zum SKWP-Forschungspreis!
02.12.2013
Matthias Kleiner wird neuer Präsident der
Leibniz-Gemeinschaft
10.07.2013
Gratulation zum Leibniz-DAAD-Stipendium
und neuem interdepartmentellen Forschungsprojekt!
06.12.2013
Weihnachtsfeier im IPB
19.07.2013
IPB Xpress erfolgreich beim Mitteldeutschen
Firmentriathlon
17.12.2013
Cofaktor bestimmt Kettenlänge
19.12.2013
Gottfried Wilhelm Leibniz - Der letzte Universalgelehrte
25.07.2013
Cantor-Schüler im Labor
25.07.2013
Leibniz setzt regional auf WissenschaftsCampi
22.08.2013
TOTAL E-QUALITY die Zweite - IPB erhält
erneute Auszeichnung für Chancengleichheit
Juli 2013
Poster Evaluierung: 11 Stück
30.10.2013
Diwali 2013 am IPB – Indische Studenten feiern Lichterfest in Halle
18.06.2013
WeinbergKids – Neue Randzeitenbetreuung
für Kinder auf dem Weinbergcampus
Layout und Druck 2013
Juni 2013
Geburtstagsmappe Claus Wasternack
29.10.2013
IPB erhält Prädikat zur Chancengleichheit
08.11.2013
Leibniz-Gemeinschaft bündelt ihre Kompetenzen zur nachhaltigen Sicherung der biologischen Vielfalt
9. Dezember
Suske, K. Können spezielle Johanniskrautextrakte gegen Alzheimer helfen?
Pressemitteilung des Universitätsklinikums Magdeburg.
April 2013
Scientific Report 2011/12
22.10.2013
Neue Sprecher sind gewählt
18.06.2013
ACHTUNG: Eingestürzte Mauer durch Flut!
02.08.2013
Eltern-Kind-Zimmer im IPB
März 2013
Anzeige Futureplan (Berufsausbildung)
100
November 2013
Rollup-Poster IPB
Poster für Bionexgen-Tagung in Brüssel
Flyer NWC (Bionexgen)
14.08.2013
WissenschaftsCampus Halle - Bioökonomie
als Schlüsselindustrie des 21. Jahrhunderts
11.09.2013
Proteinforscher beraten über weitere Profilierung des Biotechnologie-Standorts Halle - Tagung am 17. und 18. September
25.09.2013
Alle guten Dinge sind...?
27.09.2013
Herzlichen Glückwunsch an Dr. Carolin Delker!
Artikel und Pressemeldungen 2014
18. Januar
Wätzold, J. Forscher heilen Alzheimer mit Johanniskraut. BILD Halle, S. 10.
11. Februar
Falgowski, M. Bleibt Saaleweg noch zwei Jahre
gesperrt? Mitteldeutsche Zeitung, S. 11.
Falgowski, M. Zu lange Abstimmung. Kommentar. Mitteldeutsche Zeitung, S. 10.
20. Februar
Razum, M., Neumann, J. & Hahn, M. RADAR –
Ein Forschungsdaten-Repositorium als Dienstleistung für die Wissenschaft. Zeitschrift für
Bibliothekswesen und Bibliographie 61, S. 18-27.
20. März
Walther, C. Leibniz-Institute in Magdeburg, Halle, Berlin, Göttingen und Bremen positiv evaluiert. Pressemitteilung
der Leibniz-Gemeinschaft.
25. März
Pieplow, S. Grünes Licht für die Pflanzenforschung. Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie wurde erneut positiv evaluiert. Pressemitteilung.
1. April
Pieplow, S. Wichtige Säule für Forschung bei
Pflanzen. Mitteldeutsche Zeitung, S. 20, Hochschulseite.
Mai 2015
Bellof, M. Waiting for a great break-through.
GoingPublic Life Sciences 2/14 Industrial Biotechnology, S. 20-21.
21. Mai
Sonntag, N. Nachhaltiges Wirtschaften
– Internationale Bioökonomiekonferenz. Pressemitteilung des WissenschaftsCampus.
1. Juli
Pieplow, S. Moleküle in 3 D. Pressemitteilung.
1. Juli
Fuhrmann, C. Auf der Spur der Proteine. Mitteldeutsche Zeitung, S. 24, Campusseite
1. August
Auf den Spuren der Pflanzenmedizin. Apothekenrundschau August 2014, Titelstory, S. 1016.
4. August
Löwe, K. Der Weg nach oben. Die Argentinierin Selma Gago Zachert nutzt ein Programm
des Leibniz-Instituts, das weibliche Führungskräfte stärkt. Mitteldeutsche Zeitung, S. 3, Mantelseite.
12. Oktober
Rüschemeyer, G. Mörderische Doppelgänger.
Frankfurter Allgemeine Sonntagszeitung 41, S.
56-57.
16. Oktober
Wätzold, J. Mister Geiz vom Leibniz-Institut.
BILD Halle, S.10.
29. Oktober
Weg am Leibniz-Institut wird gesichert. Mitteldeutsche Zeitung, S. 7.
101
31. Oktober
Pausch, K. Lichterfest mit Bollywood-Feeling.
5. November
Schlüter, J. Durch die grüne Mauer. Infofoto.
9. November
Halle MZ. Das Land der Wissenschaft. Mitteldeutsche Zeitung, Sonderbeilage zu 25 Jahre
Mauerfall. S. 42-43.
11. November
Fuhrmann, C. Umbrüche im Blick. Mitteldeutsche Zeitung, S. 20, Campusseite.
12. November
Falgowski, M. Mauer im Fels verankert. Mitteldeutsche Zeitung, S. 9.
25. November
Fuhrmann, C. Helfen mit Heilkräutern. Mitteldeutsche Zeitung, S. 20, Campusseite.
1. Dezember
Sonntag N. Sachsen-Anhalt ist reif für
nachhaltiges Wachstum in der Bioökonomie. Pressemitteilung des WCH.
19. Dezember
Queitsch, C. Degrading new insights into temperature sensing in plants: Commentary. Cell
press, www.cell.com
05.03.2014
Bio meets Economy - Science meets Industry
12.09.2014
Big Band heizt mit heißen Rhythmen ein
21.03.2014
Leibniz-Institute in Magdeburg, Halle, Berlin,
Göttingen und Bremen positiv evaluiert
29.10.2014
Willkommen zum indischen Lichterfest
25.03.2014
Grünes Licht für die Pflanzenforschung
07.11.2014
Population Boom - Film und Informationsveranstaltung des WissenschaftsCampus Halle
26.03.2014
Wirkstofftage in Berlin
17.11.2014
Mit Pflanzen heilen
05.05.2014
Leibniz-Wirkstoff des Jahres gekürt
19.11.2014
Jahrestagung der Leibniz-Gemeinschaft vom
26. bis 28. November in Berlin
12.06.2014
Grünes Licht für Stipendiaten
01.07.2014
Moleküle tanzen in 3D
07.07.2014
Lange Nacht für Fußballmuffel
04.08.2014
Glückwunsch an Selma Gago Zachert
12.09.2014
IPB ist Mitglied im Vorstand der Metabolomics
Society
01.12.2014
Sachsen-Anhalt ist reif für nachhaltiges Wachstum in der Bioökonomie
11.12.2014
Falling Walls Lab – Wissenschaft reißt Mauern
ein
Fernsehen 2014
Juni 2014
Beiträge zu Beilstein TV, Abteilung NWC
Layout und Druck 2014
Januar 2014
Anzeige Futureplan
März 2014
Newsletter 3 2014
Juni 2014
Anzeige Studienführer der MLU
Juli 2014
Poster zur Langen Nacht: 6 Stück
September 2014
Flyer zum Gesundheitstag
Oktober 2014
Poster zur Transhal
Uni-Broschüre für ausländische Studenten
Meldungen für Aktuelles 2014
16.01.2014
Pflanzliche Immunantwort - Ubiquitin reguliert
Abwehr
23.01.2014
Können spezielle Johanniskrautextrakte gegen
Alzheimer helfen?
11.02.2014
Neues EU-Projekt - Trichome auf dem Vormarsch
102
103
Impressionen und Impressum
Herausgeber
Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie
Weinberg 3
06120 Halle
www.ipb-halle.de
Redaktion, Satz und Layout
Sylvia Pieplow
Tel.: (0345) 5582 1110
Fax: (0345) 5582 1119
spieplow@ipb-halle.de
Fotos und Grafiken
IPB
Titelfoto
Jens Müller, IPB
Eine unter Phosphatmangel wachsende
Seitenwurzel durchbricht die epidermale
Zelllage der Hauptwurzel und bildet eine
Vielzahl von Wurzelhaaren auf der Suche
nach dem Nährstoff (Färbung mit Propidiumiodid und Konfokal-Mikroskopie). Siehe
auch AG Nutrient Sensing, S. 18-19.
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sowie Teile derselben sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen
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Alle Daten- und Literaturangaben in diesem Bericht beziehen sich, soweit nicht
ausdrücklich anders erwähnt, auf die Jahre 2013 und 2014.
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