Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie
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Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie (MPI-MP) Das Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie (MPI-MP) betreibt Grundlagenforschung, wie alle 80 der zur Max-Planck-Gesellschaft gehörenden Institute. Foto: Lox oder Bergmann Fotodesign Berlin Direktorium Prof. Dr. Dr. h.c. Mark Stitt Prof. Dr. Ralph Bock Prof. Dr. Lothar Willmitzer (v.l.) Mitarbeiter 370, davon Wissenschaftler 262 147 Drittmittelstellen Institut der Der Anwendung muss das Erkennen voraus gehen Anders als die Anwendungsforschung, die darauf ausgerichtet ist Anwendungen zu ermöglichen oder vorhandene Verfahren zu verbessern, dient Grundlagenforschung dem grundlegenden Verständnis von Abläufen und Zusammenhängen. Dieses (Grundlagen-)Verständnis ist die Voraussetzung für mögliche spätere Anwendungen und technologische Innovationen. Max-Planck formulierte dazu: „Der Anwendung muss das Erkennen voraus gehen.“ In der Regel sind längere Zeiträume notwendig, um Forschungsergebnisse aus der Grundlagenforschung in die Praxis umzusetzen. Dass Grundlagenforschung in Anwendung übergehen kann, hat das Institut auf eindrucksvolle Weise unter Beweis gestellt. Zwei Firmen sind aus dem Institut ausgegründet worden, PlantTec und Meta- nomics, die sich in Berlin-Brandenburg angesiedelt haben. Mittlerweile sind sie als Teile größerer Firmen erfolgreich und beschäftigen insgesamt 170 Mitarbeiter. MPI-MP im Wissenschaftspark Golm Das Institut wurde 1994 gegründet und nahm in einem Interims-Gebäude auf dem Gelände der Universität Potsdam 1995 seine wissenschaftliche Arbeit auf. 1999 wurde der Neubau für das Forschungsinstitut zusammen mit den Max-PlanckInstituten für Gravitationsphysik und für Kolloid- und Grenzflächenforschung auf einem gemeinsamen Max-Planck-Campus fertig gestellt. In der Folgezeit wurde der Golmer Standort der Universität Potsdam weiter ausgebaut, und es kamen zwei Fraunhoferinstitute (für angewandte Polymerforschung und biomedizinische Technik) dazu sowie das Gründerzentrum Golm Innovation (Go:In). Mit diesem Ausbau hat sich der Wissenschaftspark zum größten Forschungsstandort Brandenburgs entwickelt. Max-Planck-Campus, Golm www.mpg.de Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie Am Mühlenberg 1 14476 Potsdam Tel.: +49 (0)331 567-80 Fax: +49 (0)331 567-8408 [email protected] www.mpimp-golm.mpg.de 58 Forschen für den ländlichen Raum Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie (MPI-MP) Direktor der Abteilung Organellbiologie, Biotechnologie und molekulare Ökophysiologie Prof. Dr. Ralph Bock Geschäftsführender Direktor bis Januar 2010 Arbeitsgruppen der Abteilung • Organellenbiologie und Biotechnologie (Prof. Dr. Ralph Bock) • Energiestoffwechsel (Dr. Joost van Dongen) • Photosyntheseforschung (Dr. Mark Aurel Schöttler) Hauptnutzfläche 4.500 Quadratmeter Gewächshausfläche 2.000 Quadratmeter Klimakammerfläche 200 Quadratmeter Gewächshaus des MPI-MP Organisation Seit 1995 ist die Anzahl der Mitarbeiter von 24 auf aktuell 370 angestiegen. Das Institut gliedert sich in drei Abteilungen, zwei unabhängige Max Planck Nachwuchsgruppen und zwei kooperative Forschungsgruppen der Universität Potsdam. Leiter der Abteilung Molekulare Physiologie Höherer Pflanzen ist Prof. Dr. Lothar Willmitzer, der auch der Gründungsdirektor des Instituts ist. Die Abteilung Metabolische Netzwerke wird von Prof. Dr. Dr. h.c. Mark Stitt und die Abteilung Organellenbiologie, Biotechnologie und molekulare Ökophysiologie von Prof. Dr. Ralph Bock geleitet. Die unabhängige Nachwuchsgruppe von Dr. Franziska Krajinski beschäftigt sich mit der Interaktion zwischen Pflanzen und Mikroben, die Gruppe um Dr. Staffan Persson mit der Zellwandphysiologie. Die Vielfalt der Forschungsansätze wird verstärkt durch die beiden Universitätsgastgruppen von Prof. Dr. Bernd Müller-Röber zu Signalnetzwerken in Pflanzen und Prof. Dr. Joachim Selbig zur Bioinformatik, die EmmyNöther-Gruppe von Dr. Waltraud Schulze Forschen für den ländlichen Raum zur Signaltransduktion und Proteomik und zwei systembiologische Gruppen innerhalb des Programms zur Systembiologie GoFORSYS. Gastwissenschaftler und intensive nationale und internationale Kooperationen runden die Forschung ab. Forschung Seit der Institutsgründung liegt der Schwerpunkt der Forschungsarbeiten auf der Untersuchung pflanzlicher Prozesse zur Stoffaufnahme, zum Stoffaufbau, zur Verteilung und zum Transport von Stoffen. In diesem Zusammenhang interessieren selbstverständlich auch Fragen nach deren Regulation, der Signalfunktion von Inhaltsstoffen und danach wie die „Kommunikation“ zwischen den verschiedenen Organen einer Pflanze funktioniert. Zur Bearbeitung dieser Themenschwerpunkte ist eine detaillierte Analyse der Stoffwechselwege von Stoffen wie Zuckern, Stärke, Aminosäuren, Nukleotiden, Fetten und Zellulose notwendig. Von großer Wichtigkeit sind aber auch Fragen nach der Reaktion von Pflanzen auf wech- 59 Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie (MPI-MP) Direktor der Abteilung Metabolische Netzwerke Prof. Dr. Mark Stitt Arbeitsgruppen der Abteilung • Systemregulation (Prof. Dr. Mark Stitt) • Stoffwechsel der Kohlenstoffspeicherung (Dr. Peter Geigenberger) • Genfunktion (Dr. Wolfgang Lein) • Molekulare Genomik (Dr. Wolf-Rüdiger Scheible) • Signaltransduktion und Proteomik (Dr. Waltraud Schulze) • Integrative Carbon Biology (Dr. Björn Usadel) • Nukleotide und Zucker (Dr. Rita Zrenner) selnde Angebotsmengen an Stickstoff, Phosphat, Schwefel, CO2 und Sauerstoff oder ihre Reaktion auf abiotischen Stress wie hohe oder niedrige Temperaturen oder hoher Salzgehalt. Ergänzend beschäftigt sich das Institut seit der Berufung von Prof. Dr. Ralph Bock als Leiter der dritten Abteilung im Jahre 2004 verstärkt mit energetischen Prozessen wie Photosynthese und Atmung, sowie auch mit der Plastiden- und Mitochondrienbiologie inklusive der Technik zur Plastidentransformation und Fragen zur Evolution von Pflanzen. Forschungsentwicklung Aus der Entstehung der Molekularbiologie im 20. Jahrhundert, resultierte eine neue Herangehensweise an die Untersuchung von Lebensvorgängen in Pflanzen. Es wurden eine Reihe neuer Techniken hervorgebracht, die die Erforschung des genetischen Informationsflusses und seiner molekularen Details beinhaltet. Während zuvor Reaktionen von Pflanzen auf experimentelle Bedingungen nur auf der Ebene der Merkmalsausprägungen, dem Phänotyp, beschrieben werden konnten, ermögMitarbeiterin am Pipettierroboter Foto: Lox oder Bergmann Fotodesign Berlin 60 Grafik: MPI-MP Pflanzenschema lichten diese neuen molekularbiologischen Techniken Untersuchungen und Analysen auf der Ebene der genetischen Ausstattung – des Genotyps. Es konnten seither völlig neue Wege in der Pflanzenforschung beschritten werden. Zur Anwendung kommen seither zwei verschiedene genetische Ansätze, die auch als „Vorwärtsgenetik“ (forward genetics, vom Phänotyp zum Gen) und „Rückwärtsgenetik“ (reverse genetics, vom Gen zum Phänotyp) bezeichnet werden. Bei der klassischen „Vorwärtsgenetik“ bei Pflanzen werden durch Strahlung oder Chemikalien zufällige Veränderungen des Erbguts (Mutationen) ausgelöst. Daraus resultieren Pflanzen mit geänderter Merkmalszusammensetzung (Phänotyp). Aus diesen Pflanzen werden diejenigen Individuen ausgesucht, die eine für die Forschung interessante Eigenschaft besitzen. Ausgehend von dieser Eigenschaft untersucht der Wissenschaftler anschließend das Erbgut dieser Pflanze und sucht nach dem speziellen Gen, das im Vergleich zu dem entsprechenden Gen der Kontrollpflanzen verändert ist und die Eigenschaftsveränderung bewirkt hat. Forschen für den ländlichen Raum Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie (MPI-MP) Bei der „Rückwärtsgenetik“ wird der Genotyp durch die Einbringung oder Stummschaltung eines Gens verändert (Gentechnik). In den sich anschließenden Untersuchungen des Phänotyps der Pflanze, werden die Konsequenzen ermittelt, die diese Genveränderung auf die Pflanze hat. Forward und reverse Genetics und Mischungen beider Methoden werden nicht nur im MPI-MP eingesetzt, sondern haben sich weltweit als unerlässliche Verfahren der experimentellen Pflanzenforschung durchgesetzt. Linkliste: www.mpg.de www.wpgolm.uni-potsdam.de www.mpimp-golm.mpg.de www.goforsys.de www.komm-ins-beet.mpg.de www.aei.mpg.de www.mpikg-golm.mpg.de www.uni-potsdam.de www.unipotsdam.de/fakultaeten/ matnat.html www.iap.fhg.de www.ibmt.fraunhofer.de Möglich wurden diese Untersuchungsansätze durch Techniken, die eine Isolierung, Identifizierung und Sequenzierung von Genen gestatten oder auch Techniken zur Vervielfältigung der DNA. Ziel solcher Untersuchungen ist es, Gen-Funktionsbeziehungen herzustellen, d.h. die Funktion von Genen zu bestimmen und darüber Stoffwechselabläufe, pflanzliches Wachstum und pflanzliche Entwicklung zu verstehen. www.goin-potsdam.de Gewebekulturen Im Rahmen der Forschungen am MPI-MP sind zur Untersuchung des Phänotyps eine ganze Reihe neuer Technologien eingeführt und weiterentwickelt worden, wie die Untersuchung von Transskipten (Abschriften der DNA, die zur Bildung von Proteinen führen), die Identifizierung und Messung von Proteinen und Stoffwechselprodukten (Metabolite), Enzymaktivitäten, Einzelzelluntersuchungen mit Lasertechniken. Zur Erhöhung der Effektivität dieser Messungen wurden Verfahren entwickelt, die es ermöglichen eine große Menge von Stoffen parallel zu messen und zu untersuchen. Durch diese Verfahren hat sich das Institut weltweit einen Namen gemacht und kann diese Werkzeuge in einer Reihe internationaler Kooperationen einbringen. Während bei Eingriffen in das Erbgut durch Einbringung oder Stummschaltung einzelner Gene oder durch Mutation nur begrenzte Änderungen im Geno- und Phänotyp ausgelöst werden, können sich Pflanzen desselben Typs je nach Lebensraum und Züchtungsstand erheblich in ihren Eigenschaften und ihrem Erbgut unterscheiden (natürliche Diversität). Um diese vielfältigen Eigenschaftsunterschie- Forschen für den ländlichen Raum de zu erfassen und zu analysieren, sind multiparallele Untersuchungen gepaart mit molekularbiologischen Methoden notwendig. Erst dieses neue Methodenspektrum macht die Einbeziehung der natürlichen Diversität in Forschung und Züchtung möglich. Für die Auswertung und Modellierung der Vielzahl der gemessenen Daten in der Forschung ist eine hochqualifizierte Bioinformatik Voraussetzung. Forschungsausblick Durch gentechnische Forschungsansätze und die Nutzung natürlicher Diversität unter Einsatz einer weiten Spannbreite von Techniken verfolgt das Institut das Ziel, nicht nur einzelne Stoffwechselkreisläufe zu verstehen, sondern gleichfalls ihre Regulation und ihre Vernetzung untereinander. Durch einen interdisziplinären Ansatz sollen die in Pflanzen ablaufenden komplexen biologischen Prozesse aufgeklärt werden und mathematische Modelle zu diesen Prozessen entwickelt werden. Als besonders wichtig erscheint es, bei den Herausforderungen der Zukunft zur umweltverträglichen Produktion einer ausrei- 61 Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie (MPI-MP) Direktor der Abteilung Molekulare Physiologie höherer Pflanzen Prof. Dr. Lothar Willmitzer Arbeitsgruppen der Abteilung • Gene und kleine Moleküle (Prof. Dr. Lothar Willmitzer) • Pflanzliche Lipide (Dr. Peter Dörmann) • Zentraler Metabolismus (Dr. Alisdair Fernie) • Aminosäure- und Schwefel-Stoffwechsel (Dr. Rainer Höfgen) • Mikro- und Proteinanalyse (Dr. Julia Kehr) • Angewandte MetabolomAnalyse/ Wurzelmetabolismus (Dr. Joachim Kopka) • System-Integration (Dr. Viktoria Nikiforova/ Prof. Dr. Lothar Willmitzer) chenden Menge an Nahrungsmitteln bei gleichzeitiger Nutzung von Pflanzen als nachwachsenden Rohstoff mehr über das Wachstum und den Zuwachs an Biomasse zu verstehen. Biomasseproduktion ist ein sehr komplexer Prozess verschiedener miteinander verknüpfter Abläufe, die von einer Reihe äußerer und innerer Faktoren beeinflusst werden, einschließlich Nährstoffverfügbarkeit, der Aktivität von Stoffwechselwegen, Verteilung und Speicherung von Stoffen, sowie einer Reihe abiotischer Faktoren wie Licht, Temperatur und Wasserverfügbarkeit. Zu vielen dieser Themen gibt es arbeitsgruppenübergreifende Forschungsprojekte am Institut. Welcher Forschungsansatz für welche Fragestellung gewählt wird, richtet sich danach, welche Methodik den größten Erfolg verspricht. Forschungsbeispiele Pflanzen mit hohem Biomasseertrag frühzeitig erkennen Pflanzen bieten sich zur Energiegewinnung an, da sie in der Lage sind, das Son- nenlicht zur Bildung energiereicher organischer Stoffe zu nutzen unter Festlegung von Kohlendioxid. Für die Züchtung solcher „Energiepflanzen“ wäre es von entscheidender Bedeutung, bereits frühzeitig ihr Ertragspotenzial zu erkennen. Im Zuge von Untersuchungen zur Regulation von Wachstumsprozessen ist es Wissenschaftlern des Instituts zusammen mit Wissenschaftlern der Universität Potsdam gelungen bei der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) eine Reihe von Inhaltsstoffen zu identifizieren, die in einem engen Zusammenhang zum Biomasseertrag der Pflanzen stehen. Die Wissenschaftler gingen in ihrem Versuch der Frage nach, wie und wodurch die Pflanze das Wachstum steuert. Zur Beantwortung dieser Frage nutzten sie eine große Zahl genetisch gut charakterisierter Linien der Ackerschmalwand (natürliche Diversität), die sich durch große Unterschiede im Wachstum auszeichneten. Bekannt war bereits, dass die in Pflanzen gebildeten Inhaltsstoffe, wie z.B. Zucker, als Signale für Wachstumsänderungen wirken können. Deshalb lag die Vermu- Probenentnahme bei der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) 62 Forschen für den ländlichen Raum Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie (MPI-MP) Becher, Hanna Witucka-Wall, Ottó Törjék, Oliver Fiehn, Änne Eckhardt, Lothar Willmitzer, Joachim Selbig, Thomas Altmann The metabolic signature related to high plant growth rate in Arabidospsis thaliana PNAS, 5. März 2007 Forschungskoordinator Dr. Rainer Höfgen Nährwertveränderung bei Reis Dipl. Biologe Joachim Rinder Anmeldung zu Führungen Tel. +49 (0)331-567 82 75 [email protected] Untersuchungsgegenstand eines großen Gemeinschaftsprojektes zwischen dem MPI-MP und dem Institute of Biotechnology in Hanoi, Vietnam, war die Aminosäurenzusammensetzung in Reis. Besondere Aufmerksamkeit wurde der essentiellen Aminosäure Methionin gewidmet. Reisversuche tung nahe, dass es einen Zusammenhang zwischen der Art und Menge von Inhaltsstoffen und dem Wachstum von Pflanzen gibt. Die Forscher ernteten die oberirischen Pflanzenteile und trennten die Proben nach ihren Bestandteilen auf und bestimmten Art und Menge der Stoffe. Diese Inhaltsstoffzusammensetzung wurde in Beziehung zum Biomasseertrag der jeweiligen Pflanzen gesetzt. Es zeigte sich, dass zwischen der Inhaltsstoffzusammensetzung und der Biomasse eine enge Beziehung besteht, die es ermöglichte, den Biomasseertrag vorauszusagen. Sollte sich auch in anderen Pflanzenbeständen ein Zusammenhang zwischen der Inhaltsstoffzusammensetzung junger Pflanzen und ihrem späteren Biomasseertrag zeigen, so hätte man mit diesem Analyseverfahren, dem sogenannten Metabolitenprofiling, eine hochwirksame Methode gefunden, um bereits im frühen Stadium der Pflanzenentwicklung Voraussagen über die Biomasseproduktion einer Pflanze zu treffen. Originalveröffentlichung: Rhonda C. Meyer, Matthias Steinfath, Jan Lisec, Martina Forschen für den ländlichen Raum Öffentlichkeitsarbeit Dipl.Ing.agr. Ursula Roß-Stitt Tel. +49 (0)331-567 83 10 [email protected] Essentielle Aminosäuren sind Aminosäuren, die der menschliche Körper benötigt, aber nicht selber aus elementaren Bestandteilen der Nahrung aufbauen kann. Eine ausreichende Zufuhr an essentiellen Aminosäuren ist wichtig, da Aminosäuren die Bausteine für den Aufbau von Eiweiß (Protein) darstellen. Eine zu geringe Aufnahme von Aminosäuren führt dazu, dass auch bereits aufgenommene Aminosäuren nicht zum Proteinaufbau genutzt werden können, sondern zu Fetten und Zuckern umgebaut oder ausgeschieden werden. Innerhalb des Gemeinschaftsprojektes mit Vietnam gelang es durch gentechnische Veränderung des Reises, den Gehalt der essentiellen Aminosäure Methionin zu verdoppeln. Zusätzlich konnten die Gehalte der schwefelhaltigen Vorläufer des Methionin, Cystein und Gluthation, die für die Stressresistenz der Pflanze von entscheidender Bedeutung sind, gleichfalls nahezu verdoppelt werden. Damit ist es gelungen, den normalerweise Methionin-armen Reis in einer wertvollen Nähstoffkomponente zu verbessern. In diesem Falle war eine gentechnische Veränderung das Mittel der Wahl, weil das für die Methioninbildung zuständige Enzym durch diese Methode vermehrt wird und daraus ein erhöhter Gehalt an Methionin resultiert. Eine Nutzung der natürlichen Diversität bei Reis war in diesem Falle nicht möglich, da in parallel durchgeführten Untersuchungen verschiedenster Reissorten keine konventionellen Zuchtlinien mit erhöhtem Methioningehalt identifiziert werden konnten. 63
