Scientific Report 2013-2014 - Leibniz Institute of Plant Biochemistry - IPB Halle
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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 62
Presentation of the Institute 5 Professor Alain Tissier
Grußwort des Geschäftsführenden Direktors 8 Glandular Trichome and Isoprenoid Biosynthesis 64
Vorstellung des Instituts 9 Alain Tissier
Organigramm 13 Carotenoid Metabolism & Mycorrhiza 66
Alain Tissier & Michael H. Walter
Leitung und Gremien des Instituts 14
Jasmonate Function & Mycorrhiza 68
Bettina Hause
Department of Molecular Signal Processing 16
Phenylpropanoid Metabolism & Protein Biochemistry 70
Professor Steffen Abel Thomas Vogt
Nutrient Sensing 18 Synthetic Biology 72
Steffen Abel Sylvestre Marillonnet
Defense Metabolism 20 Publications and other Activities of the Department of Cell and Metabolic Biology 74
Selma Gago Zachert & Steffen Abel
Signal Integration 22
Luz Irina A. Calderón Villalobos Independent Junior Research Groups
Auxin Signaling 24 Ubiquitination in Immunity 76
Marcel Quint Marco Trujillo
Publications and other Activities of the Department of Molecular Signal Processing 26 Protein Recognition and Degradation 78
Nico Dissmeyer
Department of Bioorganic Chemistry 28 Interdepartmental Research Group
Professor Ludger Wessjohann Proteome Analytics 80
Wolfgang Hoehenwarter
Natural Products 30
Norbert Arnold & Jürgen Schmidt Publications and other Activities of the Junior Research Groups 82
Chemoenzymatics 32 Publications of the Interdepartmental Research Group 83
Ludger Wessjohann & Wolfgang Brandt
Synthesis 34
Ludger Wessjohann & Bernhard Westermann Abteilung Administration und Infrastruktur 84
Christiane Cyron
Spectroscopy 36
Andrea Porzel & Jürgen Schmidt Mitarbeiter der Abteilung Administration und Infrastruktur 2013 / 2014 86
Screening 38 Personalübersicht des IPB 2013 / 2014 87
Norbert Arnold & Bernhard Westermann
Budget 2013 / 2014 88
Computational Chemistry 40
Wolfgang Brandt & Andrea Porzel Drittmittel 2013 / 2014 89
Publications and other Activities of the Department of Bioorganic Chemistry 42 Nationale und internationale Forschungsverbünde und -netzwerke 90
Gastwissenschaftler/innen und Stipendiat(inn)en 94
Department of Stress and Developmental Biology 46
Professor Dierk Scheel Presse- und Öffentlichkeitsarbeit 96
Sylvia Pieplow
Molecular Communication in Plant-Pathogen Interactions 48
Wolfgang Knogge Medienpräsenz, Layout und Internet 99
Cellular Signaling 50
Dierk Scheel & Justin Lee
Impressionen und Impressum 104
Induced Pathogen Defense 52
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 58
2 3
A Word from the Managing Director Presentation of the Institute
esearch at the Leibniz Institute of ty Halle-Wittenberg (MLU) that is particu- Leibniz Research Alliances, heading one
R Plant Biochemistry is focused on
plant natural products, like sec-
ondary metabolites and hormones, and
larly evident by the joint appointments
of the department heads of IPB who are
also professors at the university. The most
of them (Bioactives & Biotechnology).
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-
Signal Processing and Cell and Metabolic Biology), a
sponse to the environment. As a leading the university and regional Leibniz insti- visory Board (Wiss. Beirat), and the IPB
reorganization of parts of the administration, and the
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
holds that much value as it contributes to improve-
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 bio-
improving in 2013 and 2014, despite the time burden logical roles, and the mechanisms of action of plant and fungal natural products, with an emphasis on specialized meta-
Dear Reader,
of the evaluation. This is exemplarily documented in bolites and signaling molecules. Our aim is to develop a comprehensive molecular understanding of the adaptive and
"Omics" without end, one is inclined to think. The
this booklet. developmental processes which plants evolved as a consequence of their dynamic interaction with the environment.
comprehensive analysis of genes and transcrip-
The resulting changes in gene expression and phenotype are analyzed in interdisciplinary approaches at the genome,
tomes now increasingly is followed by studies of pro- proteome and foremost at the metabolome level. The knowledge gained will pave the way to a plant-based bioeconomy:
I thank all colleagues and staff of IPB, and the adviso-
teomes and metabolomes. Recently, publications in it will facilitate sustainable crop production, innovative biotechnology and drug development to improve the nutrition
ry and trustee board members for their help and en-
the latter two areas show a much faster growth than and health of humans, animals and plants.
couragement, and of course the many alumni,
genome analyzes. This might be because the charac-
friends and cooperation partners of the Institute for
teristic of an organism - a plant in our case - 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
human application ultimately lies in its proteins and
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-
natural products (metabolites). Our institute is in an
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-
excellent position to contribute to these exciting de- especially to young scholars and guest in Halle (Saale) within the German Aca- ing of the heads of the research groups
result of the Leibniz Senate, but first and foremost it
velopments as it was one of the first, already some scientists from around the world. The demy of Sciences (East-Berlin). After re- and representatives of postdoctoral and
is evidenced by our publications and by the excellent
fifteen years ago, to examine the secondary metabo- commitment to basic research is the unification of Germany, the academy in- doctoral fellows. A works council supports
young scientists leaving the institute to pursue their
lome of plants. starting point for innovative, application- stitutes underwent transformation, and and voices employee issues.
careers.
oriented research in the areas of plant the centre was reinstated as Institute of
This was made possible by the excellent integration and human health and nutrition, and Plant Biochemistry (IPB) on 1 January The IPB consists of four scientific depart-
This report provides you with the opportunity to
of biological and chemical expertise and the syste- 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-
matic investment in an appropriate infrastructure
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
and informatics. Analogously, plant proteomics was
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
added to complete the picture. The results now help
sitate to contact our researchers. BMBF and DFG initiatives. It cofounded Saxony-Anhalt with the legal status of a research groups including two inde-
us to understand plant performance and to improve,
and actively participates in three Leibniz foundation under public law. The IPB is pendent junior research groups (Ubiqui-
for example, the production of active ingredients.
research alliances and is a leading mem- under protection and supervision of the tination in Immunity and Protein Degra-
With these activities, our institute was evaluated in ber of the ScienceCampus Halle Plant government of Saxony-Anhalt. It became dation), and an administration and infra-
Scientifically yours,
2013 by the Senate of the Leibniz Association and 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.
Thus the preceding and significant rejuvenation of tions. major research organizations in Germa-
the institute with two new departments (Molecular 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-
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
The state and federal ministeries con- elucidation provides the basis for chemi- methods or chemical derivatization. The and adaptation on different environmen- analysis, processing and linking. The in-
clude: 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-
“The positive overall assessment of IPB and its
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-
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-
plinary combination of basic research in molec-
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-
ular plant biology and applied bioorganic chem-
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-
istry, it makes important contributions of na- tions via computer modeling. for use as biological test systems and for erated within the different research
tional and international relevance and with Research Profile The genetically determined plant devel- plant breeding. areas, towards a better understanding of
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- the biological system plant with its spe-
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 cialized metabolites and interactions.
ondary metabolites), molecular interac- tions rely on receptor-mediated percep- approaches allows new access to gene research activities on natural products,
IPB occupies an important role.”
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
• Analysis, Chemistry and Biological gene expression patterns into corre-
Activity of Natural Products 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-
• Biosynthesis and Biotechnology of tural products. This diversity is enlarged tered profiles of natural products. Mole-
Plant Secondary Metabolites through changes in the patterns of these cular interactions form the basis of these
products during development and adap- expiring cellular functions. An interdisci-
• Signaling Molecules of Plants and tation to environmental conditions. The plinary analysis of these interactions is
their Effects knowledge of structure and function of therefore of central importance in the
natural products is an essential prerequi- research approaches of the institute. Re-
• Plant Microbe Interactions and site for understanding development and ceptor-ligand, enzyme-ligand and pro-
Chemical Communication 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
Marcel Quint of Molecular Signal Pro- 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-
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Grußwort des Geschäftsführenden Direktors Vorstellung des Instituts
m Mittelpunkt der Forschung am Leib- nationalen und internationalen Konsor- Historisches und Organisation
auch von Außenstehenden als sehr erfolgreicher Pro-
I niz-Institut für Pflanzenbiochemie (IPB)
steht die umfassende Analyse pflanzli-
cher und pilzlicher Naturstoffe, insbeson-
tien, z.B. in EU-Projekten und Netzwerken
(COST, ERA-Net), oder in BMBF-, oder DFG-
Initiativen, vor allem aber innerhalb der
1958 gründete Kurt Mothes das Institut für
Biochemie der Pflanzen unter dem Dach
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 Biosynthe-
Heft exemplarisch dokumentiert. se sowie die biologischen Funktionen und Wirkmechanismen von pflanzlichen und pilzlichen Naturstoffen, insbesonde-
re von spezialisierten Stoffwechselprodukten und niedermolekularen Signalträgern. Ein Ziel ist es, zu einem möglichst
Ich danke allen Kollegen und Mitarbeitern des IPB umfassenden Verständnis der Anpassungs- und Entwicklungsprozesse zu gelangen, die aus dem dynamischen Wechsel-
Liebe Leser, sowie den Beirats- und Stiftungsratsmitgliedern für spiel von Pflanzen mit ihrer Umwelt resultieren. Die dadurch bedingte Umsteuerung pflanzlicher Genexpression und die
Omics und kein Ende, mag man denken. Den umfas- ihren Einsatz, und natürlich den vielen Alumni, Freun- phänotypischen Veränderungen werden in interdisziplinären Forschungsansätzen auf den Ebenen des Genoms, des Pro-
1
senden Analysen der Gene und Transkriptome fol- den und Kooperationspartnern des Instituts für die teoms und insbesondere des Metaboloms untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse eröffnen neue Wege für eine pflan-
2
gen zunehmend Untersuchungen von Proteom und Unterstützung und das Vertrauen in unsere Partner- zenbasierte Bioökonomie. Sie dienen einer Ressourcen-schonenden Pflanzenproduktion, einer innovativen Biotechno-
3
Metabolom . Veröffentlichungen zu letzteren beiden schaft. Die hohe Qualität unserer Ergebnisse basiert logie und Wirkstoffentwicklung, und damit der Gesundheit und Ernährung von Mensch, Tier und Pflanze.
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 Bund und vom Land Sachsen-Anhalt fi-
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-
Jahren untersuchen wir als eines der ersten Institute thoden sowie die zugehörige Informatik der wissenschaftlichen Leitungsposi- des Sachsen-Anhalt neu gegründet. Seit-
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
Informatik. Analoge Proteomuntersuchungen kom- kunden. Dabei nimmt die Grundlagenfor- und Postdoktoranden derzeit zwei ei- und Biodiversität abdeckt. Es ist an drei
plettieren das Bild, und die Ergebnisse nutzen wir, Ihr 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
förderung durch Bund und Land. Damit sind die er- 1
Im Bereich der Pflanzenwissenschaften tionellen Partner im Deutschen Zentrum und das Direktorium. Der Geschäftsfüh-
die wirklich abgelesenen Gene
heblichen Veränderungen der Vorjahre wie die Neu- 2 zählt das IPB damit zu den führenden In- für integrative Biodiversitätsforschung rende Direktor und die Administrative Lei-
die mit den abgelesenen Genen produzierten Eiweiße,
orientierung von zwei Abteilungen (MSV und SZB) z.B. Enzyme als Biokatalysatoren stituten. Es ist bestrebt, seinen Mitarbei- (iDiv: www.idiv-biodiversity.de), welches terin sind Teil des Direktoriums und bilden
und von Teilen der Verwaltung, sowie die Einrichtung 3
die niedermolekularen chemischen Inhaltsstoffe tern und insbesondere den Nachwuchs- 2012 nach einem 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
8 9
und Vertretern der Postdoktoranden und • Analytik, Chemie und biologische pflanzlichen Entwicklung und Anpassung
Doktoranden – berät das Direktorium und Wirkung von Naturstoffen an fluktuierende Umwelt- und Standort-
den Stiftungsrat in grundsätzlichen wis- bedingungen. Neben einer Plastizität ziel-
senschaftlichen Fragen. Der Personalrat • Biosynthese und Biotechnologie gerichteten Organwachstums reagieren
vertritt die Arbeitnehmer des Institutes. pflanzlicher Sekundärstoffe Pflanzen auf Umweltveränderungen und Forschungsschwerpunkte - Unser Weg in die Zukunft
lokale Herausforderungen mit einer flexi-
Das Institut besteht aus vier wissenschaft- • Pflanzliche Signalmoleküle und ihre blen Umsteuerung ihres zentralen und pe-
lichen Abteilungen: Stress- und Entwick- Wirkung ripheren Stoffwechsels. Mit Hilfe nieder-
lungsbiologie (SEB), Natur- und Wirkstoff- molekularer 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- chemisch kommuniziert. Pflanzliche An-
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 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-
von grundlagenorientierter molekularer Pflan-
Pflanzen haben sich im Laufe der Evolu- sche Plattformen und Datenbanken unter-
zenbiologie und anwendungsorientierter Natur-
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-
IPB eine wichtige Rolle.“
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
10 11
Institutsvorstellung und Organigramm Foundation Council
Ministerialrat Thomas Reitmann
Senior Superior Counsellor
Public Relations Dr. Henk van Liempt Scientific Advisory Board
moderne analytische Verfahren einge- kleinsäuren bilden funktionale Module für kriptom-, Proteom- und Metabolom-Ana- Superior Counsellor
setzt und neu entwickelt. Dies bildet die diese molekularen Prozesse als auch lysen zur funktionellen Charakterisierung Sylvia Pieplow Prof. Tina Romeis
Personal Assistant to the Managing Director Chairwoman
Grundlage zur Untersuchung der biologi- geeignete Interventionsziele für die ange- von Genen, die im Rahmen des Stoff-
schen Funktionen von Naturstoffen und wandte Wirkstoffforschung. Unter diesen wechsels von Naturprodukten eine ent- Prof. Norbert Sewald
Board of Directors Vice-Chairman
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 Funding and Cooperation Prof. Ludger Wessjohann
Managing Director
turaufklärung, chemische Synthese und insbesondere von Pflanzen mit pilzlichen die zunehmende Zahl sequenzierter
Dr. Daniela Geisler Christiane Cyron
Derivatisierung von Naturstoffen liefern Symbionten oder Phytopathogenen, so- pflanzlicher Genome und Transkriptome Head of Administration
einen wichtigen Beitrag zur Aufklärung ih- wie die Organisation von Signaltransduk- gewinnen systembiologische Ansätze für
Prof. Steffen Abel
rer biologischen Aktivität, Erweiterung ih- tions-, Biosynthese-, Transport- und Ab- die Analyse metabolischer und regulatori-
Prof. Dierk Scheel
rer strukturellen Diversität und Entwick- bauwegen. Dabei kommen umfassende scher Netzwerke an Bedeutung.
Prof. Alain Tissier
lung von Wirkstoffen. Die Charakterisie- Transkriptom-, Proteom- und Metabolom-
rung von Enzymen und regulatorischen Analysen zum Einsatz, die zunehmend 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 Human Resources Chemical Store
Administration and Infrastructure
Organisation von Biosynthesewegen und und Entwicklung moderner zellbiologi- und organismische Interaktionen - gene- Finance and Accounting Technical Equipment and IT Support
deren Kontrollebenen und damit der scher Methoden im Rahmen abteilungs- rierten enormen Datenmengen ist nur mit- Christiane Cyron Purchasing Gardening Services
Information and Documentation Buildings and Facility Management
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- Molecular Bioorganic Stress and Cell and Independent
Signal Processing Chemistry Developmental Biology Metabolic Biology Research Groups
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- Prof. Steffen Abel Prof. Ludger Wessjohann Prof. Dierk Scheel Prof. Alain Tissier
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 Molecular Communi-
Natural Products Glandular Trichome and Ubiquitination
Die genetisch determinierte pflanzliche gewünschten Eigenschaften (z.B. Wirk- Datensätzen und damit ein besseres Ver- Nutrient Sensing cation in Plant-Pathogen
Norbert Arnold & Isoprenoid Biosynthesis in Immunity
Entwicklung und ihre Modulation im Kon- stoffe, Signalträger, Enzyme) selektiert ständnis des biologischen Systems Pflan- Steffen Abel Interactions
Jürgen Schmidt Alain Tissier Marco Trujillo
Wolfgang Knogge
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
Carotenoid Metabolism
rezeptorvermittelten Perzeption von abio- tionsprozesse sowie geeigneter Assay- Untersuchungen der Genprodukte, Struk- Defense Metabolism Chemoenzymatics Cellular Signaling Protein Recognition
& Mycorrhiza
tischen und biotischen Parametern und und Analyseverfahren, die durch die Visu- tur-Funktions-Analysen sowie molekulare Selma Gago Zachert & Ludger Wessjohann & Dierk Scheel & and Degradation
Michael H. Walter &
Steffen Abel Wolfgang Brandt Justin Lee Nico Dissmeyer
auf der Generierung Stimulus-spezifi- alisierung molekularer Wechselwirkungen Interaktionsstudien die Voraussetzung für Alain Tissier
scher endogener Signale. Der Informa- mittels Computational Modeling unter- ein umfassendes molekulares Verständnis
tionsgehalt chemischer Signalträger wird stützt werden. der Gen-, Protein- und Metabolitenfunktio- Induced
Synthesis Jasmonate Function &
über zelluläre und systemische Netzwerke nen und somit für eine gezielte Wirkstoff- Signal Integration Pathogen Defense
Ludger Wessjohann & Mycorrhiza
Luz Irina Calderón Villalobos Dierk Scheel &
interpretiert und mittels veränderter Gen- Die enge Kombination naturstoffchemi- forschung. Der Einsatz von spezifischen Bernhard Westermann Bettina Hause
Sabine Rosahl
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- Phenylpropanoid
Spectroscopy Bioinformatics &
nen gezielt umgewandelt, die in der Regel Forschungsansätze ermöglicht eine funk- logische Analyse der Genfunktion, son- Auxin Signaling Metabolism & Proteome Analytics
Andrea Porzel & Mass Spectrometry
auf transient und lokal veränderten tionsbasierte Genidentifizierung sowie dern auch die Erzeugung von Modellpflan- Marcel Quint Protein Biochemistry Wolfgang Hoehenwarter
Jürgen Schmidt Steffen Neumann
Thomas Vogt
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- Screening
Metabolite Profiling Synthetic Biology
die Grundlage. Ihre interdisziplinäre genese, Analyse der natürlichen Variabili- stimmte Standorte und Umweltsituatio- Norbert Arnold &
Dierk Scheel Sylvestre Marillonnet
Bernhard Westermann
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 Computational
mit niedermolekularen Liganden oder mit essentiellen als auch quantitativ abge- unverzichtbar und für die nachhaltige Pro- Chemistry
Wolfgang Brandt & Stand: 07. 10. 2014
zwischen Makromolekülen sowie kovalen- stuften Funktionen im pflanzlichen Stoff- duktion wertvoller Naturstoffe und Biokata-
Andrea Porzel
te Modifikationen von Proteinen und Nu- wechsel. Im Gesamtkonzept folgen Trans- lysatoren von hoher Anwendungsrelevanz.
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Leitung und Gremien des Instituts
Geschäftsleitung und Direktorium Wissenschaftlicher Beirat 2013 - 2014
Prof. Ludger Wessjohann 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 Prof. Norbert Sewald
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
Prof. François Buscot
Ministerialrat Thomas Reitmann Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH (UFZ), Halle
Vorsitzender des Stiftungsrats
Ministerium für Wissenschaft und Wirtschaft des Landes Sachsen-Anhalt
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
Prof. Norbert Sewald Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK), Gatersleben
Stellvertretender Vorsitzender des Wissenschaftlichen Beirats
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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 characterization of UGT74 glucosyltransferases and on the iden- as übergreifende Forschungsthema unserer Abteilung besondere von Multigenfamilien, durch sogenannte natural anti-
T plants perceive and respond to environmental change, a
topic of heightened importance for basic and translational
plant research. Plants evolved to masters of resilience as a con-
tification of regulatory genes of the glucosinolate pathway. Since
the departure of Dr. Grubb in fall 2013, research on RNA-media-
ted control of gene expression, in particular of multigene fami-
D besteht darin, zu ergründen, wie Pflanzen auf veränderte
Umweltbedingungen reagieren und sich optimal anpas-
sen. Diese Thematik ist von hohem Interesse für die Grundlagen-
sense long non-coding RNAs (NAT-lncRNAs) in den Mittelpunkt
dieser AG gerückt (Projektgruppe RNA Biology).
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-
opportunity with directional growth for stress evasion or habitat der Anpassung und Widerstandsfähigkeit entwickelt. So rea- Korezeptor-Komplexe. Die Bildung solcher Komplexe wird über
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-
for optimal growth. During Projektgruppen interaktiv verfolgt. Besondere Schwerpunkte pressionanalysen kombiniert, um in einem Phylotranscriptomics-
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 berufen. Katharina Bürstenbinder (Calcium Sensing) wurde mit
mental parameters such as nutrient availability or temperature 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-
The Nutrient Sensing group investigated how bioavailabilities of phylotranscriptomics). Projektgruppe Calcium Sensing bearbeitete eine neue Klasse reich für das Leibniz-Mentoring-Program für junge Wissenschaft-
immobile nutrients, in particular phosphate and iron, inform root calmodulin-regulierter Proteine, die an Mikrotubuli binden und lerinnen beworben.
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-
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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)
transcription factor. Thus, antagonistic in-
Fe availability. The analysis of endoge-
nous and exuded organic acids also sug-
University of Göttingen, Germany
Gerd Hause
University of Halle, Germany
teractions of Pi and Fe availability adjust gests their contribution to cell specific Fe
Head: Steffen Abel primary root growth rate via meristem- deposition after Pi deprivation. Katie L. Moore
University of Oxford
specific callose deposition, which is likely
triggered by LPR1-dependent ROS forma- Calcium Sensing
Our group pursues two directions of re- 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-
Fig. 2: Model of local Pi sensing in
ability directly impacts bioenergetics and interaction and revealed subcellular loca- phorylation events) to regulate transport
the Arabidopsis root meristem. The
plant performance. Pi immobility and re- lization to the cell nucleus (including nu- of specific cargo along microtubule tracks
PDR2-LPR1 module regulates Pi- and
sultant Pi limitation are caused by com- cleolus) and cytoskeleton (microtubules). via kinesin motor proteins. Because IQD1
Fe-dependent ROS formation and
plex soil chemistries involving Fe and other A yeast two-hybrid screen identified kine- interacts with nucleic acids, IQD proteins
callose deposition in the stem cell
transition metals. To cope with low Pi avail- sin light chain-related 1 (KLCR1) as an in- may further facilitate subcellular RNA lo-
niche, which impacts symplastic
ability, plants activate a set of adaptive teractor, which we confirmed in planta by calization as one mechanism to control
communication (e.g., SHR move-
responses that reprioritize internal Pi allo- IQD1-dependent recruitment to microtu- gene expression (Fig. 3).
ment).
cation and maximize external Pi acquisi- Fig. 1: Redesign of Arabidopsis root system architecture in response to Pi
tion. Such countermeasures include re- limitation.
programming of metabolism to maintain Metabolite Profiling
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-
plants attenuate primary root extension, codes the single orphan P5-type ATPase, geted profiling methods for polar and
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 spe-
Fig. 3: Model of IQD1 function as a scaffold protein in cellular signaling and traf-
cific Fe accumulation as these com- ficking.
pounds play important roles in controlling
Group Members
Laura Bertermann Stefanie Kümmel Paul Pflug Janine Teller
Research Assistant Bachelor Student PhD Student Master Student
ie physikochemischen Eigenschaften von Phosphat (Pi) schränken dessen biologische Verfügbarkeit für Pflanzen im
D
Katharina Bürstenbinder Pratibha Kumari Romina Plötner Domenika Thieme
Postdoctoral Scientist PhD Student Bachelor & Master Student Technician Boden erheblich ein. Pflanzen reagieren auf Pi-Mangel mit einer Umprogrammierung des Stoffwechsels und Anpas-
Ranju Chutia Dipannita Mitra Jakob Quegwer Theresa Toev sung der Wurzelsystemarchitektur, um Pi-Ressourcen effizienter zu nutzen und zu erschliessen. Wir identifizierten
PhD Student & Scholarship Holder PhD Student & Scholarship Holder Master & PhD Student PhD Student erste molekulare Komponenten eines Pi-abhängigen Signalweges in Arabidopsis, der die Aktivität von Wurzelmeristemen an
Kristin Eismann Jens Müller Anne Rehkamp Annika Wieghaus die lokale Pi-Verfügbarkeit anpasst. Ein wichtiges Modul in diesem Prozess bilden eine ER-lokalisierte P5-ATPase und sekre-
Technician Postdoctoral Scientist Bachelor Student Master Student
tierte Ferroxidase. Diese regulieren die interzelluläre Kommunikation durch Plasmodesmata in der Stammzellnische der
Marcus Heisters Birgit Ortel Ahmed Romel Jörg Ziegler
PhD Student Technician PhD Student Postdoctoral Scientist
Wurzel über eine Pi- und Fe-abhängige, zellspezifische Bildung von Callose und somit das Wurzelwachstum. Weitere gene-
tische und biochemische Arbeiten widmeten sich der funktionellen Charakterisierung von calmodulin-bindenden Plattform-
Anshu Khatri Sophie Perthel Gina Stamm
Master Student Master Student Technician Proteinen, die mit dem Zytoskelett (Mikrotubuli) assoziiert sind.
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