Forschungsüberblick der Abteilung

Unsere Forschung verfolgt das Ziel zu verstehen, wie Pflanzen in ihrer natürlichen Umgebung überleben. Nicht wenige Agrarpflanzen leben nur eine einzige Vegetationsperiode, ohne gedüngt, bewässert und vor Konkurrenten, Krankheitserregern und Pflanzenfressern geschützt zu werden. Im Laufe der Geschichte haben Menschen Nutzpflanzen für unsere Ernährung gezüchtet, denn den Urvorfahren unserer Nutzpflanzen gelang es nicht, der Menschheit ausreichend Nahrung zu bieten. Andererseits wurden die Nutzpflanzen durch die Züchtung aber besonders angreifbar durch die Umwelt.

Das Überleben in der realen Welt fordert die Fähigkeit der Pflanzen heraus, ihren Metabolismus quantitativ so zu verändern, dass sie den Anforderungen von Wachstum, Verteidigung und Reproduktion gerecht werden, um ihre Darwin'sche Fitness zu erhöhen, d.h. das Maximum an Nachkommen zu erzeugen. Wir wissen sehr wenig über die Gene, die dies möglich machen. Unserer Meinung nach gibt es daher nur zwei Möglichkeiten, dieses Wissenslücke zu schließen: die Entwicklung geeigneter experimenteller Verfahren und eine gezielte Studentenausbildung.

Während viele Technologien, wie zum Beispiel HTP Sequenzierung, Transcriptomics, Metabolomics und Proteomics, die die molekularbiologische Revolution angefacht haben, einfach zwischen den Taxa übertragen werden können, trifft dies für die Verfahren der Manipulation der Genexpression (mittels stabiler und transienter Transformation) nicht zu, da diese nicht nur Spezies-spezifisch, sondern manchmal sogar Kultivar-spezifisch sind. Wir erhielten eine langwährende Förderung durch die Max-Planck-Gesellschaft und konnten dadurch molekulare Verfahren für zwei Wildpflanzenarten und deren Herbivoren entwickeln, welche von uns sorgsam auf Grund ihrer Naturgeschichte ausgesucht worden sind, um mehr über deren Eigenschaften zu erfahren, die die Pflanze stark gemacht hat, um in der landwirtschaftlichen Nische zu überleben. Wir haben schnelle und effiziente, auf Agrobacterium basierende Transformationssysteme für beide Arten entwickelt und nutzen außerdem speziell entwickelte Vektoren, um ein auf Tobacco Rattle Virus basierendes gene silencing durchzuführen. Diese beiden Pflanzenarten mit den ihren ökologischen Nischen sind die „ökologischen Expressionssysteme“, an die unsere Gruppe Fragen stellt, um die genetische Basis für deren ökologisch hohen Entwicklungsstand herauszubekommen.

Nicotiana attenuata (Wilder Tabak), eine einjährige, wild vorkommende Pflanze in der Great Basin Wüste im Südwesten der USA, tritt in großen Populationen nach Bränden und anschließender Keimung der in der Erde „schlafenden“ Samen auf. Die Keimung wird durch einen in der Asche des Wüstenbrandes enthaltenen Stimulator initiiert. Als Konsequenz dieses speziellen Keimungsverhaltens tritt die Wildpflanze immer nach Bränden in bestimmten ökologischen Nischen auf und hat sich so entwickelt, dass sie vergleichbar einem ähnlichen Selektionsdruck standhalten kann, dem auch landwirtschaftliche Nutzpflanzen in der Agrikultur standhalten müssen: nämlich einer großen intraspezifischen Konkurrenz und einer Selektion nach schnellstem Wachstum in stickstoffreichen Böden. Die Selektion in Richtung eines schnellen und synchronen Wachstums hat Pflanzen mit einer hochentwickelten Wachstums-Verteidigungs-Strategie hervorgebracht, mit der die Pflanzen ihren Phenotyp an ihre jeweilige individuelle Umgebung anpassen können. Solanum nigrum (Schwarzer Nachtschatten) ist ein weit verbreitetes Wildkraut, das panarktisch besonders auf landwirtschaftlich genutzten Flächen mit einer eigenen, spezifischen Herbivorengemeinschaft vorkommt.

Wir studieren diese beiden Pflanzenarten im Untersuchungsgebiet auf unserer Feldstation, die sich auf der Lytle Ranch Preserve der Brigham Young University im Südwesten des Bundesstaates Utah in den USA befindet. Diese Feldstation spielt eine große Rolle für unsere Forschung, denn die meisten unserer Forschungsfragen entstehen aus Beobachtungen im Feld, und um diese zu beantworten, entwerfen wir Experimente, die dann mit Hilfe transformierter Pflanzen auf dieser Feldstation durchgeführt werden.

Die Verfügbarkeit moderner molekularer Verfahren für Wildpflanzen ist nicht die einzige Voraussetzung, um herauszufinden, wie das Überleben von Pflanzen in der Natur funktioniert. Durch die rasante Entwicklung der Molekularbiologie teilten sich die meisten biologischen Abteilungen der großen Universitäten weltweit in Unterabteilungen auf, beispielsweise in „Zell- und Molekularbiologie“ und „Ökologie und Evolution“. Während die meisten Universitäten große Anstrengungen unternommen haben, diese Teilung im Studienprogramm zu überwinden, leidet die Doktorandenausbildung immer noch darunter. Als Konsequenz daraus sind die meisten in den molekularbiologischen und chemischen Methoden ausgebildeten Studenten weniger auf ökologischem Gebiet ausgebildet, und umgekehrt. Unser Ziel ist es daher, einen neuen Typ von Biowissenschaftlern auszubilden, nämlich einen genome-enabled field biologists, also einen im Freiland arbeitenden Biologen mit molekulargenetischen Kenntnissen, der in der Lage ist, die molekular-biologischen und analytisch-chemischen Verfahren für das Studium natürlicher Habitaten anzuwenden und die Natur somit als „natürliches Laboratorium“ zu nutzen. Dadurch können wir einen Wechsel in der wissenschaftlichen Herangehensweise und Hypothesenbildung initiieren, indem nun ökologisch bedingte Interaktionen unter Einbeziehung neuester Erkenntnisse aus der Molekularbiologie und Analytischen Chemie untersucht und betrachtet werden können.

In unserer Abteilung unterstützen Ingenieure und Technische Assistent(inn)en die Ausbildung der genome-enabled field biologists, indem sie den Zugang zu den molekularen, analytischen und ökologischen Verfahren gewährleisten und junge Wissenschaftler(innen) dahingehend unterstützen, mittels dieser technischen Plattformen ökologisch relevanten Eigenschaften nachzuspüren und nachfolgend unter Freilandbedingungen zu beeinflussen.

 

Dr. Klaus Gase  betreut die molecular biology platform

Dr. Matthias Schöttner
  betreut die analytical chemistry platform

Mr. Danny Kessler  betreut die ecological platform.