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Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie
Highlights der Forschung 2004
Wissenschaftliche Abteilungen
Scientific Departments
Natur- und Wirkstoffchemie
Bioorganic Chemistry
Prof. Ludger Wessjohann
Stress- und Entwicklungsbiologie
Stress and Developmental
Biology
Prof. Dierk Scheel
Sekundärstoffwechsel
Secondary Metabolism
Prof. Dieter Strack
Alkaloidbiosynthese
Alkaloid Biosynthesis
Toni M. Kutchan
Pflanzen- und Pilzinhaltsstoffe /
Microanalytik
Plant and Fungal Metabolites/Microanalytics
Norbert Arnold & Jürgen Schmidt
Molekulare Kommunikation in PflanzePathogen- Interaktionen
Molecular Communication in Plant- Pathogen
Interactions
Wolfgang Knogge
Molekulare Physiologie der
Mykorrhiza
Molecular Physiology of Mycorrhiza
Michael H.Walter
Schlafmohn - Biotechnologie
Opium Poppy Biotechnology
Susanne Frick
Strukturanalytik & Computerchemie
Structural Analysis & Computational Chemistry
Wolfgang Brandt & Andrea Porzel
Zelluläre Signaltransduktion
Cellular Signaling
Dierk Scheel & Justin Lee
Zellbiologie der Mykorrhiza
Cell Biology of Mycorrhiza
Bettina Hause
Jasmonat-Wirkungsweise
Mode of Action of Jasmonates
Claus Wasternack & Otto Miersch
Isoprenoide
Isoprenoids
Ludger Wessjohann
Induzierte Pathogenabwehr
Induced Pathogen Defense
Dierk Scheel & Sabine Rosahl
Biochemie der Mykorrhiza
Biochemistry of Mycorrhiza
Willibald Schliemann
Papaver Genexpressionsanalyse
Papaver Gene Expression Analysis
Jörg Ziegler
Synthese & Methodenentwicklung
Synthesis & Method Development
Ludger Wessjohann &
Bernhard Westermann
Metallhomöostase
Metal Homeostasis
Stephan Clemens
Glycosyl- und Methyltransferasen
Glycosyltransferases / Methyltransferases
Thomas Vogt
Bioinformatik &
Massenspektrometrie
Bioinformatics & Mass Sepctrometry
Dierk Scheel
Hydroxyzimtsäuren
Hydroxycinnamic Acids
Dieter Strack
Naturstoff - Biotechnologie
Natural Product
Biotechnology
Prof.Toni M. Kutchan
Metabolite Profiling in Arabidopsis und Nutzpflanzen
Metabolite Profiling in Arabidopsis and Crop Plants
(Teil des deutschen Pflanzengenomprojektes, Part of the German Plant Genom Project, GABI)
Stephan Clemens, Jürgen Schmidt, Ludger Wessjohann & Dierk Scheel
Schlafmohn-Biotechnologie
Schlafmohn (Papaver somniferum L.) wird seit Jahrtausenden als
Zier-, Öl- oder Arzneipflanze kultiviert. Der Mohn enthält in seinem Milchsaft über 80 verschiedene pharmakologisch aktive
Substanzen (Alkaloide), die medizinisch genutzt werden.
Dazu zählen das analgetisch und narkotisch wirksame
Morphin, das Antitussivum Codein, das Antitumormittel
Noscapin und das antimikrobiell wirksame Sanguinarin.
Forscher am IPB versuchen jetzt, die molekularen und biochemischen Mechanismen aufzuklären, die die Stoffwechselwege dieser Alkaloide regulieren. Durch sogenanntes "metabolic engineering" soll für die Pharmaindustrie der Gehalt
an medizinisch wertvollen Naturstoffen gesteigert werden.
Für die Lebensmittelindustrie werden alkaloidfreie Mohnsorten benötigt, die man zur Produktion von Samenölen
verwendet. Dafür haben die Wissenschaftler mittels "somatischer Embryogenese" gentechnisch veränderte Schlafmohn-Pflanzen hergestellt. So konnte erstmals gezeigt werden, dass seine stärkere Aktivität
des Gens cyp80b zu einer Erhöhung der Alkaloidkonzentration führt.
Eine verminderte Aktivität von cyp80b führt zu einer Reduktion der
Alkaloide. Das Photo zeigt den aus einer Mohnkapsel austretenden
Milchsaft.
Opium Poppy Biotechnology
For thousands of years opium poppy (Papaver somniferum L.) has been
cultivated to produce ornamentals, oilseed and medicinal plants.
Opium poppy contains more than 80 different pharmacologically active substances (alkaloids) in latex, several of which
are medicinally relevant.These include the analgesic and narcotic drug morphine, the cough suppressant codeine, the antitumoric agent noscapine
and the antimicrobial sanguinarine. Our group at
the IPB works to elucidate the molecular and biochemical mechanisms that regulate these alkaloid
pathways. "Metabolic engineering" could increase
the content of medicinally valuable natural products for the pharmaceutical industry. Alkaloidfree varieties are needed by food industry for the
production of seed oils. Scientists of the Department of Natural
Product Biotechnology produced genetically modified opium poppy
plants via somatic embryogenesis.They were able to show that a higher activity of the gene cyp80b leads to an increased alkaloid concentration.A decreased activity of cyp80b causes a reduction of alkaloids.
The picture shows a poppy capsule exuding latex.
Sylvia Pieplow +++ Presse- und Öffentlichkeitsarbeit +++ Weinberg 3 +++ 06120 Halle
Tel. 0049 (0) 345 5582 1110 +++ Fax 0049 (0) 345 5582 1119 +++ [email protected] +++ www.ipb-halle.de
Leibniz Institute of Plant Biochemistry
Research Highlights 2004
Strukturanalytik & Computerchemie
Structural Analysis & Computational Chemistry
Selenoproteine enthalten das Spurenelement Selen in Form der ungewöhnlichen Aminosäure Selenocystein. Diese Proteine sind physiologisch
äußerst wichtig z. B. für die Spermienreifung oder die Synthese von
Schilddrüsenhormon. Die Selenoproteine der Thioredoxinreduktasen spielen bei rheumatischer Arthritis oder
AIDS eine wichtige Rolle. Die Entwicklung neuer, spezifischer Inhibitoren und damit neuer Wirkstoffe gegen diese
Krankheiten setzt die Kenntnis der räumlichen Struktur
und des Katalysemechanismus der menschlichen Thioredoxinreduktasen voraus. Mittels Homologiemodelling von
Proteinen konnten wir erstmals eine dreidimensionale
Struktur der menschlichen Thioredoxinreduktase entwikkeln. Auf der Basis dieser Struktur wurde ein neuer Typ
der Enzymkatalyse entdeckt, eine katalytische Triade aus
den Aminosäuren Selenocystein (Sec), Histidin und Glutamat. Die Ergebnisse
aufwändiger ab initio quantenmechanischer Berechnungen führten zu neuen
Einblicken in den detaillierten molekularen Mechanismus und erklären erstmals
die spezielle Rolle des Selens. Das Bild zeigt die Struktur der katalytischen
Triade, Sec-His-Glu, zusammen mit einem Teil des Liganden Thioredoxin mit
S-S-Brücke, welche durch das Enzym reduziert wird.
Selenoproteins are responsible for many important physiological processes,
such as maturation of sperm, synthesis of thyroid hormones, or production of
antioxidative substances.They contain the trace element Selenium in form of
the rare amino acid selenocystein (Sec). Thioredoxin reductases are selenoproteins involved in the
manifestation of rheumatoid arthritis and aids.The
development of specific inhibitors can help to elucidate its function in humans as well as in other
organisms. This requires the knowledge of the
structure and catalysis mechanism. Based on homology modelling methods we were able to develop the three-dimensional structure of human
thioredoxin reductase. Based on this structure
and extensive quantum mechanical ab initio calculations we discovered a probable new mechanism of enzyme catalysis, a catalytic triad consisting of selenocystein (Sec), histidine and glutamic acid. For the
first time, detailed information about the specific role of selenium in comparison to sulfur analogues could be obtained. The figure shows details of the
catalytic triad, Sec-His-Glu, and a part of the disulfide ligand bound to thioredoxin reductase.The S-S bridge of the ligand will be reduced by the enzyme.
Metabolite Profiling in Arabidopsis und Metabolite Profiling in Arabidopsis
and Crop Plants
Nutzpflanzen
Die meisten der von Pflanzen gebildeten Stoffe sind noch nicht
bekannt und wir wissen wenig über ihre Funktion und die Dynamik ihrer Synthese. Es ist jedoch von allergrößtem Interesse sowohl
für das Verständnis des pflanzlichen Stoffwechsels als auch für die
Sicherung und Verbesserung der Nahrungsqualität, ein möglichst umfassendes Bild der von einer Pflanze gebildeten Substanzen zu haben. Für
das "Metabolite Profiling", die simultane Detektion, Quantifizierung und
auch Identifizierung von möglichst vielen Metaboliten des pflanzlichen
Stoffwechsels, machen wir uns das Potenzial von modernen Hochleistungsmassenspektrometern nutzbar. In der Modellpflanze Arabidopsis
thaliana (siehe Bild) z.B. lassen sich nach derzeitigem Stand etwa 2000
Massensignale auflösen. Kleine Unterschiede im Stoffwechsel zwischen
zwei Linien einer Pflanzenart sind damit ebenso aufzuspüren wie Veränderungen, die in der Pflanze als Reaktion auf wechselnde Umweltbedingungen auftreten. Die Entwicklung von Werkzeugen für die
Datenverarbeitung ermöglicht uns die Analyse und den Vergleich von
vielen Proben. Grundsätzlich sind die entwickelten Techniken auf jedes
andere biologische System übertragbar.
It is of paramount importance for the understanding of
plant biology as well as for improving food security and
food quality to be able to closely monitor plant metabolism. However, a large number of plant metabolites are
not characterized yet and we know very little about the
dynamics of their synthesis and accumulation.The concept of metabolomics (or metabolite profiling) has been
developed in recent years to tackle this problem.We are
using the potential of state-of-the-art mass spectrometry (capillary LC coupled to electrospray ionization quadrupole time-of-flight MS) for the simultaneous detection, quantification and identification of as many plant metabolites as possible. Currently we are resolving about
2000 mass signals in extracts of the model plant Arabidopsis thaliana (see picture).
Bioinformatics tools allow us to process and analyze large data sets. Thus, we are
now able to detect small metabolic differences between genetically nearly identical
plant lines or to monitor metabolic changes elicited by environmental stimuli.
This approach is not restricted to Arabidopsis thaliana but transferable to other
biological systems.
Zellbiologie der Mykorrhiza
Über 80 % der Landpflanzen besitzen die Fähigkeit, mit Pilzen der
Ordnung Glomeromycota eine symbiontische Interaktion, die arbuskuläre Mykorrhiza, einzugehen. Der Pilz besiedelt den Cortex der
Pflanzenwurzel und bildet dort hoch differenzierte Strukturen aus, die
sogenannten Arbuskeln. Äußere Hyphen des Pilzes bilden die Verbindung
zwischen Boden und Pflanze und gewährleisten eine verbesserte Aufnahme von Nährstoffen; die Pflanze stellt
ihrerseits Saccharose für den Pilz zur Verfügung. Da der Pilz
vorrangig Glucose aufnimmt, muss die pflanzliche Saccharose zunächst in Glukose umgewandelt werden. Diese Umwandlung (Hydrolyse) wird durch spezifische Enzyme, den
Invertasen, katalysiert. Die Bereitstellung von Saccharose
und deren Hydrolyse ist deshalb ein essentieller Faktor für
die Interaktion. Unsere AG analysiert die Rolle der Invertasen bei der Ausbildung der Symbiose. Dabei soll der
Einfluss der veränderten Zuckerbereitstellung auf die Etablierung der Symbiose untersucht werden. Das Bild zeigt
einen Teil des Querschnitts einer mykorrhizierten Tomaten-Wurzel, in dem
Invertase-Aktivität innerhalb der arbuskelhaltigen Zellen (Pfeil) mittels einer
spezifischen Farbreaktion nachgewiesen wurde.
Cell Biology of Mycorrhiza
The roots of most plants are able to get engaged in a symbiotic interaction
with fungi of the order Glomeromycota. This interaction - the arbuscular
mycorrhiza (AM) - is the most widespread form of mycorrhizas on earth.
The fungus penetrates the root surface colonizing the intercellular space of
root cortex.Tree-like fungal structures, called arbuscules, are formed within
individual root cortical cells.The main benefit for the symbiotic partners is the exchange of nutrients: Mineral nutrients are supplied to the plant by the fungus and carbohydrates for the fungus are provided by the plant.The fungus can taken up mainly hexoses. Hence, sucrose released
by root cortex cells has to be converted into hexoses by
acid invertases.The supply of sucrose and its hydrolysis by
invertases is therefore an essential factor for the symbiosis.The work done in our group is focused on the study of
the role of invertases in the mycorrhizal interaction. The
picture shows a cross section through a mycorrhizal root
of tomato.The section was stained by an invertase activity
stain and exhibits label in the arbusculated cell (arrow). To analyse the
importance of carbohydrate supply on the establishment of AM, plants with
modulated carbohydrate metabolism within the roots are used.
Sylvia Pieplow +++ Presse- und Öffentlichkeitsarbeit +++ Weinberg 3 +++ 06120 Halle
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