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Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2018-08-01 - 2021-07-31

Der menschliche Einfluss auf die Umwelt hat einen Klimawandel ausgelöst. Die letzten 30 Jahre waren wahrscheinlich die wärmsten in der nördlichen Hemisphäre im letzten Jahrtausend. Es wird erwartet, dass die globale Durchschnittstemperatur im Laufe des 21. Jahrhunderts noch weiter ansteigen wird. Die Temperaturerhöhung wirkt sich auch auf das Erdreich aus und reduziert dadurch noch zusätzlich die Produktivität unserer Nutzpflanzen. Das Leben einer Pflanze ist eine permanente Antwort auf die Reize der Umwelt. Pflanzen müssen sich ständig an Umweltschwankungen anpassen, um ihr Wachstum und ihre Entwicklung aufrechtzuerhalten. Pflanzenhormone spielen für das Wachstum eine zentrale Rolle. Auxin ist eines der wichtigsten Hormone, da es eine Vielzahl an Reizen aus der Umwelt in ein Wachstumsprogramm überführt. PIN-LIKES (PILS) sind Proteine, die als mutmaßliche Auxin-Transporter identifiziert wurden. Sie sind für den intrazellulären Auxin-Transport im Endoplasmatischen Retikulum (ER) verantwortlich. Die PILS-Aktivität schottet Auxin im ER vermutlich ab und verhindert damit die Diffusion des Hormons zum Auxinrezeptor in den Zellkern. PILS-Proteine wirken sich demzufolge negativ auf das Auxin-Signal des Zellkerns aus und haben dadurch einen direkten Einfluss auf Wachstum und Entwicklung der Pflanze. Im Gegensatz zur fest etablierten Rolle von Auxin im Hypokotyl und der Elongation der Blattstiele ist die Rolle von Auxin in Bezug auf die Reaktion der Wurzeln bei höherer Temperatur umstritten und noch nicht ausreichend erforscht. Ebenso wurde auch die Rolle von Auxin bei der Regulierung der Entwicklung der weiblichen Blütenorgane bei erhöhter Temperatur noch nicht genau untersucht. Wenn man die bevorstehenden Konsequenzen der globalen Erwärmung in Betracht zieht, ist die Reaktion des Pflanzenwachstums in Bezug auf erhöhte Temperatur ein zeitgemäßes Thema. Diese Grundlagenforschung wird daher zusätzlichen Potential für weitere Felder in der angewandten Forschung haben. In diesem Projekt werde ich den molekularen Mechanismus des PILS6-abhängigen Auxin-Signals im Kern während der Entwicklung der Wurzeln und der Entwicklung der weiblichen Blütenorgane bei erhöhter Temperatur aufzeigen. Diese Studie soll zunächst neue Gene identifizieren die in der adaptiven Antwort der Organe auf erhöhte Temperatur involviert sind. Des Weiteren sollen Kontroversen in der Literatur aufgeklärt werden und ich möchte herausfinden ob der von mir entdeckte Auxin-abhängige Mechanismus bei verschiedenen Pflanzenorganen Anwendung findet. Drittens wird diese Forschungsarbeit das Verständnis für den Mechanismus der weiblichen Blütenorgane und der Fruchtentwicklung verbessern, hier wird der Auxin-Einfluss auf die Blütenentwicklung unter erhöhten Temperaturbedingungen erforscht. Ich beabsichtige mit meinem Projekt Wissenslücken zu füllen und Kontroversen in Bezug auf die Antwort von Auxin auf die Umgebungstemperatur aufzulösen. Die Arbeit wird zu mehreren Forschungsfeldern beitragen, da es sich mit Temperwahrnehmung, intrazellulären Auxin Transport und adaptives Pflanzenwachstum befasst.
Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2018-08-01 - 2022-01-31

Die proteinmodifizierende beta-Galaktosidase von Tabak Die Tabak-verwandte Pflanzenart Nicotiana benthamiana wird zunehmend als Alternative zu tierischen Zellen für die Herstellung von rekombinanten pharmazeutischen Proteinen verwendet. Glykosylierung zählt zu den häufigsten Formen der Proteinmodifizierung in allen Eukaryonten. Die proteingebundenen Zuckerketten beeinflussen zahlreiche biologische Prozesse und sind essenziell für die Entwicklung von Organismen und es gibt zunehmend Hinweise auf eine wichtige Rolle der Zuckerketten für die Wirksamkeit von pharmazeutischen Proteinen. Die Zuckerketten der in Pflanzen hergestellten pharmazeutischen Proteine sind jedoch nicht ident mit denen des Menschen. In den letzten Jahren hat das Team der Antragstellerin eine Methode zur kontrollierten Herstellung von genau definiert proteingebundene Zuckerketten in Pflanzen etabliert. Mit der Methode konnten sehr erfolgreich Antikörpervarianten mit human-spezifischem Glykosylierungsmuster erzeugt und funktionell getestet werden. Bei anderen pharmazeutischen Proteinen wurden jedoch verkürzte Zuckerketten gefunden, bei denen ein wichtiger Zucker, eine Galaktose, abgespalten wurde. Die dafür verantwortlichen Enzyme, beta-Galaktosidasen, sollen in diesem Projekt in N. benthamiana identifiziert und charakterisiert werden. In weiterer Folge, werden Pflanzenlinien generiert, in denen die Expression der identifizierten beta-Galaktosidase blockiert ist. Neben dem biotechnologischen Aspekt, ermöglicht das Projekt die Untersuchung einer bisher weitgehend unbekannten Enzym-Familie in Pflanzen, die eine Rolle bei der pflanzlichen Zellwand-Biosynthese spielt.
Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2018-04-01 - 2020-05-31

Pflanzliche Entwicklung ist sehr flexibel – dadurch, dass Pflanzen unwirtlichen Bedingungen nicht ausweichen können, müssen sie ihre Form und ihren Stoffwechsel an ihre Umgebung anpassen, mit einer spektakulären Ausprägung: der post-embryonalen Organogenese. Abhängig von ihren Bedürfnissen, bilden unterschiedliche Individuen ihre Organe an unterschiedlichen Stellen aus, wofür es ein robustes System zum Reprogrammieren und Sichern der Identität der involvierten Zellverbände benötigt. Pflanzenhormone, wie zum Beispiel Auxin, spielen eine wichtige Rolle bei der Initiierung und Positionsbestimmung des Reprogrammierungsprozesses. Neben Hormonen oder externen Reizen kann auch die physische Beschaffenheit der kodierenden DNA, vor allem die Methylierung von Cytosinen, in hohem Maße ihren „on/off“ Status, Expressionsraten oder die Reaktion auf diverse Stimuli beeinträchtigen. Daraus ergibt sich die Fragestellung, ob Pflanzenhormone, zumindest teilweise, die Genexpression über den Methylierungsgrad der entsprechenden Gene beeinflussen können, oder im Gegenteil, ob die Methylierung der DNA den Wirkungsgrad von Hormonen bestimmen kann. Um diese wichtigen Fragen beantworten zu können, steht uns mit einer kürzlich entdeckten Mutation ein ausgezeichnetes Werkzeug zur Verfügung, bei der ein einzelner Aminosäurenaustausch in einer Untereinheit (NRPE5) des DNA-Polymerasekomplexes Pol V zu einer anomalen hormongesteuerten Entwicklung wie auch veränderten DNA-Methylierung führt. An diesen Mutanten werden wir die globale Genexpression und, parallel dazu, den detaillierten Methylierungsgrad der Gene mittels „Next Generation Sequencing“ (NGS) analysieren. Diese Mutante (genannt „freak show“, fks) zeigt eine Reihe von einzigartigen und auffälligen Phänotypen, deren Charakterisierung und Zuordnung zu den verursachenden Genomabschnitten es uns ermöglichen wird, die methylierungsabhängigen Entwicklungsprozesse genauer zu beschreiben. Durch die Kombination von fks mit Mutationen an unterschiedlichen Abschnitten im Prozess der DNA-Methylierung können wir die weitere Rolle von NRPE5 bei der Methylierung und Aufrechterhaltung von methylierten DNA-Abschnitten analysieren. Der Vergleich von fks mit anderen NRPE5 Allelen lässt vermuten, dass es sich bei dieser Mutation nicht um eine Inaktivierung, sondern um eine Veränderung der Funktion des Pol V Komplexes handelt. Ob diese Veränderung von einer anomalen Selektivität, Spezifität, Affinität, Effizienz, der Verwendung einer anderen Untereinheit oder ähnlichem beruht, stellt eine weitere interessante Frage dar, die wir mit unterschiedlichen biochemischen Methoden beantworten wollen – Assays zur Analyse von Proteinwechselwirkungen mit anderen Polymerase-Untereinheiten werden erste Aufschlüsse bieten. Die Charakterisierung des nrpe5fks Allels und dessen Nutzung in der weiteren Forschung wird uns völlig neuartige Informationen zum mechanistischen Verständnis über die Funktion und Hormonabhängigkeit von Pol V sowie ihrer Beteiligung an DNA-Methylierung in höheren Pflanzen liefern. The proposed research will be conducted at IST Austria, led by Jiří Friml and BOKU Vienna, in the group of Joseph Strauss.

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