Max-Planck-Gesellschaft

Profil des Instituts

Profil des Instituts

Wir möchten herausfinden, ob und wie detailliertes, an Modellpflanzen gewonnenes Verständnis von molekularen Mechanismen zu gezielten Merkmalsveränderungen von Nutzpflanzen eingesetzt werden kann.

Beschreibung

In der Abteilung Entwicklungsbiologie der Pflanzen (George Coupland) werden primär die molekularen Mechanismen studiert, wie Umwelteinflüsse die pflanzliche Entwicklung steuern. Das Hauptinteresse gilt dabei denjenigen Mechanismen, die den Übergang zur Blühphase in Reaktion auf Umweltreize und die vielfältigen Reaktionsmuster bei der Blütenbildung kontrollieren. Die Mitarbeiter der Abteilung setzen dabei molekulargenetische, biochemische und zellbiologische Methoden bei der Modellpflanze Arabidopsis thaliana ein, um die Rolle von Schlüsselproteinen bei der Regulation der Blütenbildung zu untersuchen. Forschungsschwerpunkte sind Mechanismen, die Pflanzen in die Lage versetzen, jahreszeitliche Änderungen der Tageslänge wahrzunehmen und als Antwort darauf die Blütenbildung einzuleiten. Daneben wird die Rolle der endogenen zirkadianen Uhr, die Bedeutung von Chromatinstrukturen bei der Kontrolle von den Blühzeitpunkt regulierenden Genen und der Einfluss von Modulierungen der Regulatorproteine durch Phosphorylierungen oder Anfügen des kleinen Proteins Ubiquitin untersucht. Wie haben sich diese Prozesse in anderen Pflanzenarten entwickelt? Hier liegt der Fokus insbesondere auf 1) den Modifizierungen der mit dem Blühvorgang verbundenen Stoffwechselwege während der Domestikation von Gerste, 2) Studien, wie diese Stoffwechselwege auf abiotischen Stress, z.B. Trockenheit, reagieren, und 3) den Mechanismen, die während der unterschiedliche Lebensformen, z.B. Mehrjährigkeit, durch Änderungen bei der Regulation des Blühzeitpunktes hervorgebracht haben.

Im Mittelpunkt der Forschung in der Abteilung Pflanzenzüchtung und Genetik (Maarten Koornneef) stehen genetische und genomische Untersuchungen von Prozessen, die wesentliche Aspekte des Pflanzenwachstums und der Pflanzenentwicklung bestimmen, einschließlich ihres Bauplanes, ihres Stoffwechsels und der Samenruhe. Einen weiteren Schwerpunkt bildet die Entwicklung von Methoden zum Verständnis der genetischen Diversität innerhalb einer Art, insbesondere von agronomisch relevanten Merkmalen. Nicht nur die Vielfalt zwischen den Pflanzenarten ist enorm, auch innerhalb einer Art gibt es beträchtliche genetische Variabilität - von Natur aus und von Züchtern durch Selektion genutzt. Der Einsatz von molekulargenetischen Methoden hat zu detaillierten Einblicken in die molekulare Natur von genetischer Vielfalt geführt. Dies hat unser Verständnis von Prozessen, die genetischen Unterschieden bei Pflanzenwachstum und -entwicklung zugrunde liegenden, wesentlich erweitert. Die gewonnenen Erkenntnisse geben Pflanzenzüchtern neue Möglichkeiten an die Hand, ihre Arbeit effizienter zu gestalten, z.B. mit Hilfe von genetischen Fingerabdrücken (Markern), mit denen Genkombinationen, die für Züchter interessante Eigenschaften kontrollieren, sichtbar gemacht werden. Zunehmend detailliertes Wissen über die Funktion der Gene, die in der Natur unterschiedliche Merkmalsausprägungen zeigen, und über die molekularen Grundlagen von landwirtschaftlich bedeutsamen Eigenschaften, wird das Methodenrepertoire der Züchter möglicherweise in eine rationale Wissenschaft umwandeln. In vielen Fällen wird die natürliche genetische Variabilität eines interessanten Merkmals von mehreren Genen bedingt und zeigt komplexe Ausprägungen. Daher sind Methoden der Computer-gestützten Genetik, wie die Bestimmung von quantitativen Merkmals-Loci und Assoziationsstudien, unerlässlich. Das gewonnene Wissen wird Anwendung in der Pflanzenzüchtung finden und die Qualität unserer Nutzpflanzen verbessern. Mit der Emeritierung von Maarten Koornneef wurde die Abteilung am 31.1.2016 geschlossen.

Die Forschungsaktivitäten in der Abteilung Pflanze-Mikroben Interaktionen (Paul Schulze-Lefert) befassen sich mit den grundlegenden molekularen Vorgängen in Interaktionen von Pflanzen und pathogenen Mikroorganismen. Im Brennpunkt der Forschung stehen das pflanzliche Immunsystem und die Mechanismen mikrobieller Pathogenese. Mit Hilfe eines integrierten Forschungsansatzes, der Wissenschaftsdisziplinen wie Genetik, Biochemie, Molekularbiologie und Zellbiologie miteinander kombiniert, werden insbesondere Wechselwirkungen von Pflanzen mit Pilzen untersucht.
Obwohl der Aufbau des pflanzlichen Immunsystems eine effiziente Verteidigung gegen die Mehrzahl pathogener Mikroorganismen sicherstellt, gelingt es dennoch wenigen Angreifern, der Erkennung durch pflanzliche Immunrezeptoren zu entgehen oder Immunantworten zu unterdrücken. Ein wesentliches Ziel der Arbeiten ist die Erstellung eines regulatorischen Netzwerks des pflanzlichen Immunsystems, mit dem langfristig molekulare Simulationen und Vorhersagen durchgeführt werden können. Letztendlich kann die Kenntnis der Logik des pflanzlichen Immunsystems Grundlage für zukünftige rationale Pflanzenzüchtung mit dem Ziel eines verbesserten Pflanzenschutzes sein.

Miltos Tsiantis ist seit dem 1. Juli 2012 neuer Direktor der am MPIPZ. Zentrale Themen der Forschung in der Abteilung Vergleichende Entwicklungsgenetik sind morphogenetische Prozesse, die zur Formbildung der Pflanze führen und die evolutionären Mechanismen, die der natürlichen Formenvielfalt zugrunde liegen. Cardamine hirsuta wurde hierfür als Modellsystem entwickelt. In vergleichenden Studien mit der verwandten Referenz-Pflanze Arabidopsis thaliana und weiteren Arten soll das Spektrum der natürlichen Variation analysiert werden. In Kombination von Genetik, bildgebenden Verfahren, Genomik und Computermodellierung sollen Voraussagen über die Entwicklung biologischer Formen und ihrer Diversifikation möglich werden.

Das Institut gibt jungen, talentierten Wissenschaftlern aus verschiedenen Bereichen Gelegenheit, sich als Leiter von Unabhängigen Forschergruppen zu bewähren, und ergänzt und erweitert auf diese Weise die Forschungsschwerpunke in den Abteilungen. Diese Gruppen arbeiten unabhängig von den Abteilungen und können in einem Zeitraum von 5 Jahren eigene Forschungsthemen bearbeiten. Zurzeit unterstützt das Institut Unabhängige Forschergruppen, die Fachwissen in chemischer und quantitativer Genetik von Nutzpflanzen einbringen. Renier van der Hoorn leitet die "Plant Chemetics"-Gruppe, die als Teil einer Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Molekulare Physiologie in Dortmund aufgebaut worden ist. Achim Tresch ist Inhaber einer Stiftungsprofessur, die gemeinsam mit der Universität zu Köln ins Leben gerufen wurde. Er leitet eine Arbeitsgruppe am MPIPZ, die sich mit “Computational Biology” und regulatorischen Netzwerken beschäftigt.  Eric Kemen arbeitet seit Juli 2012 als Leiter einer Max-Planck Forschungsgruppe zur Pilzlichen Biodiversität am MPIPZ

Servicegruppen arbeiten ebenfalls unabhängig von den Abteilungen. Die leitenden Wissenschaftler bearbeiten eigene Forschungsthemen und leisten in Zusammenarbeit mit Forschungsgruppen innerhalb und außerhalb des Institutes einen Service in Bereichen wie bildgebende Verfahren (Elmon Schmelzer), Massenspektrometrie (Jürgen Schmidt), Biologische Sicherheit (Bernd Reiss) oder Chemische Biologie (Erich Kombrink).

Zukünftige Ausrichtung

Die Entwicklung von neuen DNA Sequenzierungstechnologien (next generation sequencing) eröffnet der Genomforschung auf dem Gebiet der Biodiversität neue Perspektiven. Zurzeit nutzt das Institut diese Technologie zur Sequenzierung des Genoms mehrerer pathogener Pilzarten und von Arabis alpina; ebenso wird diese bei Genexpressionsstudien eingesetzt. Dem zunehmenden Bedarf hat die Max-Planck-Gesellschaft mit der Bewilligung zur Einrichtung eines Genomzentrums an unserem Institut entsprochen. Am "Max Planck Genome Centre Cologne" sind neben unserem Institut drei weitere Max-Planck-Institute beteiligt (MPI für Biologie des Alterns, Köln; für marine Mikrobiologie, Bremen; für terrestrische Mikrobiologie, Marburg). Der Aufbau des Zentrums wurde Anfang 2010 begonnen. Alle Abteilungen des Institutes werden von dieser Einrichtung profitieren.

 
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