Kiel Life Science

Interdisziplinäre lebenswissenschaftliche Forschung

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Interdisziplinäre Forschung unter dem Dach von Kiel Life Science (KLS) verbindet die Expertise von Forscherinnen und Forschern auf den Gebieten der Bioinformatik, Umweltgenetik, Agrarwissenschaften, Evolutionsbiologie und Genetik, Lebensmittelwissenschaften und Evolutionsmedizin. Der fächerübergreifende Ansatz zeigt sich institutionell in der Beteiligung der forschungsstärksten Fakultäten, herausragender Forschungszentren und weiterer großer Verbundforschungsprojekte an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel. Gemeinsames Ziel innerhalb des Forschungsschwerpunkts KLS ist es, die lebenswissenschaftliche Forschung voranzutreiben und Kiel damit zu einem national und international bedeutenden Standort auf diesem Gebiet zu machen.

Aktuelle Forschungsmeldungen

Neuer Schutz vor verbreiteter Zuckerrüben-Krankheit

06.06.2017

Die Ernährungssicherheit hängt angesichts des rasanten Anstiegs der Weltbevölkerung künftig von wachsenden landwirtschaftlichen Erträgen ab. Seit jeher ist der Pflanzenbau allerdings von verschiedenen Pflanzenschädlingen bedroht, die schlimmstenfalls für umfangreiche Ernteausfälle sorgen können. Die Zuckerrübe spielt in Europa und speziell in Norddeutschland eine wichtige wirtschaftliche Rolle. Ihr Anbau ist jedoch immer stärker durch das Auftreten einer als Rizomania bezeichneten Pflanzenkrankheit bedroht. Das durch bodenlebende Pilze übertragene Virus ist weltweit für bis zu 80 Prozent der Ertragsverluste beim Zuckerrübenanbau verantwortlich. Rizomania lässt sich nicht mit herkömmlichen Schutzmethoden, zum Beispiel durch Pflanzenschutzmittel, bekämpfen. 

Eine seit Jahrzehnten eingesetzte Strategie gegen die dadurch verursachten Ertragseinbußen sind sogenannte Resistenzzüchtungen der Nutzpflanzen: In der Landwirtschaft kommen aktuell vor allem Zuckerrübensorten zum Einsatz, in die eine Resistenz gegenüber Rizomania gezüchtet wurde. Dem Krankheitserreger gelingt es aber in den letzten Jahren immer öfter, den in diesen Rüben vorhandenen Resistenzmechanismus zu überwinden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern vom Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) gelang es nun gemeinsam mit Forschenden der Universität Bielefeld und weiteren internationalen Expertinnen und Experten, ein in Wildpopulationen der Zuckerrübe vorkommendes Rizomania-Resistenzgen zu identifizieren, das für eine alternative Resistenzbildung verantwortlich ist. Die neu erlangte Kenntnis ihres genetischen Ursprungs macht diese zweite Resistenz nun gezielt für die Pflanzenzüchtung nutzbar. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forschenden heute in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Nature Communications.

Die zweite Resistenz gegen das Virus war bereits bekannt und ist auch in manchen bestehenden Rübensorten vorhanden. Daher konnte auch beobachtet werden, dass das Virus diese zweite Art der Resistenz bisher nicht überwinden konnte. Die Rübensorten, die diesen alternativen Schutz aufweisen, bringen allerdings in der Regel weniger Ertrag als die gängigen Sorten. Daher werden sie in der Landwirtschaft kaum genutzt. Bislang unbekannt war allerdings, welches Gen den zweiten Resistenzmechanismus steuert. Die Identifizierung des verantwortlichen Gens erlaubt es nun, die zweite Resistenz gezielt für die Sortenzüchtung zu nutzen. Für die Genidentifizierung nutzen die Forschenden nicht wie sonst üblich im Labor gezüchtete, künstliche Populationen der Rübe. Stattdessen widmeten sie sich dem Genom, also den gesamten genetischen Informationen, einer in Dänemark vorkommenden Wildpopulation der Zuckerrübe. Ihre Unempfindlichkeit gegenüber Rizomania war den Forschenden bereits bekannt. 

Sie konzentrierten sich auf ein spezielles Wildrübenvorkommen, das in der Küstenregion um Kalundborg auf der dänischen Insel Seeland vorkommt. "Interessanterweise haben wir festgestellt, dass resistente und anfällige Wildrüben dort auf einer Strecke von 15 Kilometern nebeneinander vorkommen", sagt Dr. Gina Capistrano-Gossmann vom Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung an der CAU. "Resistente Pflanzen haben dort also keinen Vorteil gegenüber anfälligen Pflanzen, da der Boden nicht mit dem Rizomania-Virus infiziert ist", erklärt Capistrano-Gossmann, die Erstautorin der Studie. 

Um die genetische Grundlage der Resistenzbildung in diesen Wildrüben zu entschlüsseln, setzte das Forschungsteam einen innovativen Ansatz zur Gewinnung genetischer Ressourcen aus natürlichen Wildpflanzenpopulationen ein. "Durch die Kombination von Sequenzvergleichen von wenigen resistenten und anfälligen Wildrüben mit einer Assoziationsanalyse in der gesamten Wildrübenpopulation konnte die Lage des bislang unbekannten Resistenz-Gens im Genom eingegrenzt werden", sagt Professor Bernd Weisshaar von der Universität Bielefeld, der die bioinformatische Auswertung der Studie leitete. Die Kenntnis der Gen-Sequenz, die für die Resistenzbildung verantwortlich ist, erlaubt es nun direkt zwischen resistenten und anfälligen Jungpflanzen zu unterscheiden. Außerdem ist es möglich, die von dieser Sequenz kontrollierte Resistenzreaktion der Zuckerrüben auf molekularer Ebene zu untersuchen. 

Die neuen Erkenntnisse der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler liefern eine Basis für weitere Forschungsarbeiten und ebenso für die praktische Nutzung in der Zuckerrübenzüchtung. In Zukunft könnten der Landwirtschaft damit Rübensorten zur Verfügung stehen, die zuverlässig unempfindlich gegenüber Rizomania sind. Der Ursprung dieser Resistenz in den Wildpflanzen unterstreicht nicht zuletzt, welches Potenzial in der Bewahrung der natürlichen Biodiversität und ihres genetischen Pools steckt. Dieses bleibe nur durch den Schutz der Wildpflanzenvorkommen nutzbar, die es also zum Beispiel in Schutzgebieten zu erhalten gelte, resümieren die Forschenden.

Das Forschungsprojekt wurde durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) und das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

Originalpublikation:
Gina Capistrano-Gossmann, David Ries, Daniela Holtgräwe, Andre Minoche, Thomas Kraft, Sebastian Frerichmann, Thomas Rosleff Sörensen, Juliane Dohm, Irene Gonzalez, Markus Schilhabel, Mark Varrelmann, Hendrik Tschoep, Hubert Uphoff, Katia Schütze, Dietrich Borchardt, Otto Toerjek, Wolfgang Mechelke, Jens Lein, Axel Schechert, Lothar Frese, Heinz Himmelbauer, Bernd Weisshaar, and Friedrich Kopisch-Obuch. "Crop wild relative populations of Beta vulgaris allow direct mapping of agronomically important genes". Nature Communications, Published on June 6, 2017, as DOI:10.1038/NCOMMS15708

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Von Rizomania befallene Zuckerrüben (links und Mitte) und ein gesundes Exemplar im Vergleich. 
Foto: Dr. Bernd Holtschulte
 

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Rizomania-infizierte Pflanzen zeigen eine typische Blattvergilbung (Mittelreihe). Die resistenten Zuckerrüben zeigen dagegen keine Symptome. 
Foto: Dr. Bernd Holtschulte
 

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An der dänischen Küste in der Region Kalundborg wachsen wilde Rüben, deren Gene das Forschungsteam nun analysierte. Foto: Dr. Friedrich Kopisch-Obuch
 

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Dr. Gina Capistrano-Gossmann, die Erstautorin der Studie, untersucht ein natürliches Rübenvorkommen. Foto: Dr. Gina Capistrano-Gossmann
 

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Kontakt:
Dr. Gina Capistrano-Gossmann
Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung, CAU Kiel
Tel.: 0431-880-3210
E-Mail: g.capistrano@plantbreeding.uni-kiel.de

Prof. Dr. Bernd Weisshaar
Lehrstuhl für Genomforschung, Universität Bielefeld
Tel.: 0521-1068720
E-Mail: bernd.weisshaar@uni-bielefeld.de

Weitere Informationen:
Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung, CAU Kiel
www.plantbreeding.uni-kiel.de/de

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: presse@uv.uni-kiel.de, Internet: www.uni-kiel.de
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Text / Redaktion: Christian Urban

Neuer Ansatz in der Antibiotikatherapie treibt Krankheitskeime in die Sackgasse

Doktorand Camilo Barbosa untersuchte den Effekt der „kollateralen Sensitivität“, der antibiotikaresistente Bakterien behandelbar machen kann. Foto: Christian Urban, Universität Kiel

01.06.2017

Kieler Forschungsteam nutzt evolutionäres Prinzip zur Entwicklung nachhaltiger Behandlungsformen in der Antibiotikatherapie

Die Weltgesundheitsorganisation WHO warnt immer eindringlicher vor einer dramatischen Antibiotikakrise. Sie befürchtet, dass eine post-antibiotische Ära kurz bevorsteht: Bakterielle Infektionen, die sich früher gut bekämpfen ließen, wären dann nicht mehr behandelbar. Antibiotika-resistente Krankheitskeime könnten laut Vorhersage der WHO binnen weniger Jahre zu den häufigsten Verursachern nicht-natürlicher Todesfälle werden. Diese dramatische Gefahr für die öffentliche Gesundheit beruht auf der schnellen Evolution von Antibiotika-Resistenzen, die das Spektrum wirksamer antibakterieller Medikamente weiter schrumpfen lässt. Die lebenswissenschaftliche Forschung steht vor der Herausforderung, dieser Gefahr mit neuen Behandlungsansätzen möglichst schnell begegnen zu müssen. Neben der Entwicklung neuer antibiotischer Wirkstoffe besteht eine zentrale Strategie der Forschenden darin, die Wirksamkeit der vorhandenen Antibiotika durch neue Therapieansätze zu verbessern.

Die Arbeitsgruppe Evolutionsökologie und Genetik der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) nutzt Erkenntnisse aus der Evolutionsmedizin zur Entwicklung effizienterer Behandlungsansätze. Als Teil des neu gegründeten Kiel Evolution Center (KEC) der CAU untersuchen die Forschenden unter der Leitung von Professor Hinrich Schulenburg, wie sich verschiedene Formen der Antibiotika-Gabe auf die evolutionäre Anpassung der Erreger auswirken. In einer nun gemeinsam mit internationalen Kolleginnen und Kollegen im Fachmagazin Molecular Biology and Evolution veröffentlichten Studie konnten sie belegen, dass beim Krankheitskeim Pseudomonas aeruginosa die Evolution von Resistenz gegen bestimmte Antibiotika gleichzeitig zu einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber anderen Wirkstoffen führt. Dieses Konzept der sogenannten „kollateralen Sensitivität“ eröffnet neue Perspektiven in der Bekämpfung multiresistenter Krankheitserreger.

Camilo Barbosa, Doktorand in Schulenburgs Arbeitsgruppe, untersuchte gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen, welche Antibiotika nach Resistenzbildung zu wechselseitigen Sensitivitäten führen können. Dazu führten sie im Labor ein Evolutionsexperiment mit dem Erreger Pseudomonas aeruginosa durch. Dieses Bakterium ist häufig multiresistent und besonders für immungeschwächte Patientinnen und Patienten bedrohlich. Im Experiment wurde der Erreger in 12-stündigen Intervallen immer höheren Dosierungen von acht verschiedenen Antibiotika ausgesetzt. Als Konsequenz entwickelte das Bakterium jeweils eine Resistenz gegenüber den verschiedenen Wirkstoffen. Im nächsten Schritt testeten die Forschenden, wie sich die resistenten Erreger gegenüber anderen Wirkstoffen verhielten, mit denen sie bis dahin nicht in Kontakt gekommen waren. So konnten sie feststellen, welche Resistenzbildungen zugleich eine Empfindlichkeit gegen einen anderen Wirkstoff mit sich brachten.

Als besonders effektiv stellte sich die Kombination von Antibiotika heraus, die unterschiedliche Wirkmechanismen aufweisen – insbesondere aus den Klassen der Aminoglykoside und Penicilline. Die Untersuchung der genetischen Grundlagen dieser Resistenzbildungen zeigte, dass drei spezifische Gene des Bakteriums dafür sorgten, dass es zugleich resistent und anfällig wird. „Durch den kombinierten oder abwechselnden Einsatz von Antibiotika mit wechselseitigen Sensitivitäten lassen sich die Keime potentiell in eine evolutionäre Sackgasse treiben: Sobald sie gegen das eine resistent werden, sind sie empfindlich gegen das andere und umgekehrt“, fasst Schulenburg die Bedeutung der vorliegenden Arbeit zusammen. Diese neuen Ergebnisse aus dem Labor machten Hoffnung: Eine gezielte Kombination der noch wirksamen Antibiotika könnte zumindest für eine Atempause im Kampf gegen die sehr problematischen Resistenzbildungen sorgen, so Schulenburg weiter.

Originalarbeit:
Camilo Barbosa, Vincent Trebosc, Christian Kemmer, Philip Rosenstiel, Robert Beardmore, Hinrich Schulenburg and Gunther Jansen (2017): Alternative Evolutionary Paths to Bacterial Antibiotic Resistance Cause Distinct Collateral Effects. Molecular Biology and Evolution
doi.org/10.1093/molbev/msx158

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Bildunterschrift: Der Krankheitserreger Pseudomonas aeruginosa während des Evolutionsexperiments im Labor.
Abbildung: Camilo Barbosa/Dr. Philipp Dirksen

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Bildunterschrift: Doktorand Camilo Barbosa untersuchte den Effekt der „kollateralen Sensitivität“, der antibiotikaresistente Bakterien behandelbar machen kann.
Foto: Christian Urban, Universität Kiel

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Bildunterschrift: Das Forschungsteam untersuchte insgesamt 180 Bakterienpopulationen des Erregers Pseudomonas aeruginosa.
Foto: Christian Urban, Universität Kiel

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Bildunterschrift: Die Bakterien wurden resistent gegen bestimmte Antibiotika, zugleich aber empfindlich gegenüber anderen Wirkstoffen.
Foto: Christian Urban, Universität Kiel

Kontakt:
Prof. Hinrich Schulenburg
Sprecher „Kiel Evolution Center“ (KEC), CAU Kiel
Tel.: 0431-880-4141
E-Mail: hschulenburg@zoologie.uni-kiel.de

Weitere Informationen:
Forschungszentrum „Kiel Evolution Center“, CAU Kiel:
www.kec.uni-kiel.de

Arbeitsgruppe Evolutionsökologie und Genetik, Zoologisches Institut, CAU Kiel:
www.uni-kiel.de/zoologie/evoecogen

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
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Text / Redaktion: ► Christian Urban

Doppelter Fraßschutz unterstützt Pflanzen beim Arterhalt

05.05.2017

CAU-Forschende entdecken neue Abwehrstrategie im heimischen Beinwell

Verschiedene heimische Pflanzen bilden zum Schutz vor dem Gefressenwerden natürliche Gifte aus der Gruppe der sogenannten Pyrrolizidin-Alkaloide. Am bekanntesten ist das Jakobskreuzkraut, dessen massenhafte Verbreitung in Schleswig-Holstein ein Vergiftungsrisiko vor allem für Weidetiere birgt. Pyrrolizidin-Alkaloide spielen aber auch bei der Kontamination von Lebensmitteln eine Rolle, zum Beispiel in Kräutertees oder verschiedenen Honigsorten. Forschende aus der Arbeitsgruppe Biochemische Ökologie und Molekulare Evolution am Botanischen Institut der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben nun mit dem Beinwell (Symphytum officinale) eine andere heimische Pflanze untersucht, die ebenfalls die Alkaloide produziert. Aktuell beginnt in Schleswig-Holstein die Blütezeit des Beinwells, der zum Problem kontaminierter Lebensmittel beitragen kann. Unter der Leitung von Professor Dietrich Ober beschäftigte sich Lars Hendrik Kruse im Rahmen seiner Doktorarbeit mit dem Mechanismus, der im traditionell als Heilpflanze bekannten Beinwell zur Giftbildung führt. Die Forschungsgruppe erkannte dabei, dass die Pflanze in der Nähe des Blütenstandes große Mengen der giftigen Pyrrolizidin-Alkaloide bildet. Ihre Ergebnisse publizierten sie jüngst in der aktuellen Ausgabe des renommierten Fachjournals Plant Physiology.

Aus früheren Untersuchungen war bereits bekannt, dass der Beinwell in der Wurzel Pyrrolizidin-Alkaloide bildet und diese in die oberirdischen Pflanzenteile wie Blätter und Blüten einlagert. „Wir haben entdeckt, dass die Pflanze kurz vor Beginn der Blüte auch einen zweiten Ort zur Bildung der giftigen Alkaloide aktivieren kann“, erklärt Ober, Professor für Biochemische Ökologie und Molekulare Evolution, die Entdeckung seines Teams. Bislang war nicht bekannt, dass der Beinwell auch in kleinen, unscheinbaren Blättern direkt unterhalb des Blütenstandes das Gift bilden kann. 

Die zusätzliche Giftproduktion geschieht kurz bevor die Pflanze erblüht, so dass die dort produzierten Alkaloide auf direktem Weg in die sich öffnenden Blüten gelangen können. Daraus schlossen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, dass die zusätzliche Bildung der Alkaloide direkt mit dem Reproduktionsmechanismus zusammenhängt. „Die Pflanze aktiviert diese alternative Giftbildung offenbar, um ihre Blüten und damit ihre für die Fortpflanzung und das Überleben der Art unverzichtbaren Bestandteile optimal zu schützen“, so Lars Hendrik Kruse. Der Beinwell verfügt also über eine doppelte Abwehrstrategie, die zum einen der gesamten Pflanze einen „Basisschutz“ gewährt, die aber andererseits die Blüten während der Blütezeit zusätzlich gezielt vor Fraßfeinden schützt.

Mit den nun vorliegenden Erkenntnissen trägt das Kieler Forschungsteam dazu bei, die Stoffwechselprozesse, die zur Bildung der giftigen Pyrrolizidin-Alkaloide führen, besser zu verstehen. Die Forschungsergebnisse können damit Verbraucherinnen und Verbraucher künftig bei einer verbesserten Risikoabschätzung unterstützen.

Originalarbeit:
Lars H. Kruse, Thomas Stegemann, Christian Sievert, and Dietrich Ober: 
Identification of a Second Site of Pyrrolizidine Alkaloid Biosynthesis in Comfrey to Boost Plant Defense in Floral Stage, Plant Physiology 2017 174: 47-55.; dx.doi.org/10.1104/pp.17.00265

Bildmaterial steht zum Download bereit:
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Bildunterschrift: Im Mai beginnt die Blütezeit des auch in Schleswig-Holstein häufig vorkommenden Beinwells (Symphytum officinale).
Foto: Dietrich Ober

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Bildunterschrift: Im Labor untersuchte das Kieler Forschungsteam die Stoffwechselprozesse, die der Giftbildung des Beinwells zugrunde liegen.
Foto: Christian Urban, Universität Kiel

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Bildunterschrift: Blattoberfläche einer Beinwell-Pflanze: Sie bildet nicht nur in den Wurzeln, sondern auch in bestimmten Blättern direkt unterhalb des Blütenstandes giftige Alkaloide.
Foto: Christian Urban, Universität Kiel

Kontakt:
Prof. Dietrich Ober
Biochemische Ökologie und Molekulare Evolution
Botanisches Institut und botanischer Garten, CAU
Telefon: 0431 880-4299
E-Mail: dober@bot.uni-kiel.de

Weitere Informationen:
Biochemische Ökologie und Molekulare Evolution (AG Ober), 
Botanisches Institut und botanischer Garten, CAU
http://www.ober.botanik.uni-kiel.de/

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Neue Züchtungstechniken für höhere Rapserträge

04.05.2017

Kieler Forschungsteam ermöglicht präzise Veränderung des Rapsgenoms durch „Genome Editing“

Neue Methoden zur gezielten Veränderung der Erbinformationen machen unter dem Begriff „Genome Editing“ seit einigen Jahren Schlagzeilen. Zahlreiche Beispiele belegen die Anwendungsmöglichkeiten bei unterschiedlichen Lebewesen wie Mikroorganismen, Tieren, Pflanzen und sogar beim Menschen. Die Anwendung bei Nutzpflanzen fasst man auch unter dem Begriff „Neue Züchtungstechniken“ zusammen. Inzwischen gibt es zahlreiche wissenschaftliche Arbeiten über die Veränderungen bei Modell- und auch bei Nutzpflanzen wie Weizen, Reis oder Soja. Raps ist nach der Sojabohne die zweitwichtigste Ölpflanze der Welt und die einzige Ölpflanze von Bedeutung in unseren Breiten. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) ist es nun erstmals gelungen, Ölraps gezielt mit Hilfe einer solchen „Genome Editing“-Methode, der sogenannten CRISPR-Cas-Technologie, zu verändern und die Übertragung auf nachfolgende Generationen nachzuweisen. Die Arbeit wurde kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Plant Physiology veröffentlicht.

Die CRISPR-Cas-Technologie ermöglicht es, eine präzise Veränderung an einem genau definierten Sequenzabschnitt innerhalb eines Genoms vorzunehmen. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Gen mit einer unerwünschten Funktion ausgeschaltet werden. Der Raps bereitet besondere Probleme, weil von jedem seiner Gene zwischen zwei und sechs Kopien vorliegen. Man spricht hier von einer polyploiden Pflanze. Diese Genkopien gleichzeitig auszuschalten, war mit herkömmlichen Methoden genetischer Veränderungen bisher unmöglich. Um eine solche sogenannte Mutagenese beim polyploiden Raps zu erreichen, sind also chemische Mutagenese oder Bestrahlung nicht nutzbar. Dem Kieler Forschungsteam am Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung unter der Leitung von Professor Christian Jung ist es nun gelungen, alle Kopien eines Gens auszuschalten, das die Platzfestigkeit der Rapsschoten kontrolliert. Dies eröffnet neue Perspektiven für die Züchtung von Rapssorten, deren Schoten nicht schon vor oder während der Ernte platzen, was erhebliche Ertragssteigerungen erlauben könnte.

„Wir haben die einmalige Möglichkeit, unsere Pflanzen im Vergleich mit anderen Rapsmutanten anzubauen, die durch zufällige chemische Mutagenese erzeugt worden sind“, sagt Janina Braatz, die als Doktorandin unter der Leitung von Dr. Hans Harloff die CRISPR-Cas Versuche durchgeführt hat. „Während die CRISPR-Cas Pflanzen nur über je eine Mutation an einer präzise vorhergesagten Stelle im Genom verfügen, haben in den herkömmlich mutagenisierten Pflanzen etwa einhunderttausend Mutationen stattgefunden, die bis auf eine einzige unbekannt sind. Derartige Pflanzen haben einen deutlichen Fitnessnachteil und sind nicht für die Sortenzüchtung direkt verwendbar“, so Braatz weiter.

Es wird also erwartet, dass die CRISPR-Cas modifizierten Pflanzen unter Feldbedingungen eine deutlich bessere Leistung zeigen, als die Pflanzen, die durch chemische Mutagenese entstanden sind. Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass polyploide Nutzpflanzen mittels „Genome Editing“ hocheffizient genetisch verändert werden können. Auf diese Weise eröffnen sich völlig neue Perspektiven für die gezielte Veränderung von Pflanzengenomen und somit für die züchterische Verbesserung und damit langfristig für Ertragssteigerungen bei Nutzpflanzen.

Das Forschungsprojekt wurde von der Stiftung Schleswig-Holsteinische Landschaft gefördert.

Originalpublikation:
Janina Braatz, Hans-Joachim Harloff, Martin Mascher, Nils Stein, Axel Himmelbach and Christian Jung. “CRISPR-Cas9 targeted mutagenesis leads to simultaneous modification of different homoeologous gene copies in polyploid oilseed rape (Brassica napus L.)”. Plant Physiology Preview. Published on April 18, 2017, as
DOI:10.1104/pp.17.00426

Es stehen Fotos zum Download bereit:
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Bildunterschrift: Regeneration von Rapssprossen in der Petrischale nach Crispr-Cas Mutagenese.
Foto: Janina Braatz

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Bildunterschrift: Blühende Rapspflanzen im Feld.
Foto: Janina Braatz

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Bildunterschrift: Blühende Rapspflanze, deren ALC Gene durch Crispr-Cas Mutagenese gezielt verändert worden sind.
Foto: Janina Braatz

Kontakt:
Prof. Dr. Christian Jung
Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung, CAU Kiel
Tel: 0431-880-7364
E-Mail: c.jung@plantbreeding.uni-kiel.de

MSc Janina Braatz
Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung, CAU Kiel
Tel: 0431-880-3345
E-Mail: j.braatz@plantbreeding.uni-kiel.de

Weitere Informationen:
Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung, CAU Kiel
www.plantbreeding.uni-kiel.de/de

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
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Text / Redaktion: ► Christian Urban

 

Genom der alten Kulturpflanze Quinoa entschlüsselt

Die tropische Pflanze Quinoa hat ihre Blühzeit an kurze Tage angepasst. Kieler Forschende wollen gemeinsam mit einer Gruppe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unter anderem von der King Abdullah University (Saudi Arabien) die Genvarianten suchen, die ein Erblühen bei langen Tagen ermöglichen. Copyright: Linda Polik

16.02.2017

Quinoa ist eine der ältesten Kulturpflanzen. Sie stammt aus der Andenregion und wurde dort schon vor Jahrtausenden angebaut. In den vergangenen Jahrhunderten geriet sie aber in Vergessenheit. Erst seit kurzem ist Quinoa wieder in das Zentrum des wissenschaftlichen Interesses gerückt, denn die Samen bilden Inhaltsstoffe mit sehr hoher ernährungsphysiologischer Qualität. Außerdem können die Pflanzen auch unter unvorteilhaften Umweltbedingungen wie Trocken- und Salzstress wachsen. Unter der Leitung von Professor Mark Tester von der König-Abdullah-Universität für Wissenschaft und Technologie in Djiddah (Saudi-Arabien) wurde das Quinoa-Genom entschlüsselt und die Forschungsergebnisse in der aktuellen Online-Ausgabe des Fachmagazins „Nature“ veröffentlicht. An dem Projekt waren insgesamt 33 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus vier Kontinenten beteiligt, darunter auch von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU).  
 
„Quinoa war eine Hauptkulturart der alten Anden-Zivilisationen, aber nach der Eroberung durch die Spanier verlor sie stark an Bedeutung. Das bedeutet, dass Quinoa nie vollständig domestiziert wurde und ihr genetisches Potenzial trotz des ausgewogenen Verhältnisses an positiven Inhaltsstoffen bis heute nicht ausgeschöpft wurde”, sagt Professor Tester. 
 
Für die Sequenzierung wurde eine neuartige Methode verwendet, die es erlaubt, sehr große Fragmente zu sequenzieren. Damit konnte eine annährend vollständige Sequenz erstellt werden, die auf den Chromosomen verankert wurde. Die hohe Qualität dieser Sequenz erlaubte es, züchterisch bedeutende Gene zu identifizieren und zu charakterisieren. „Dies wird eine zielgerichtete Züchtung zur Verbesserung des genetischen Potenzials stark beschleunigen“, erklärt Professor Christian Jung, der gemeinsam mit Dr. Nadine Dally, beide vom Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung der Kieler Universität, an dem Forschungsprojekt beteiligt war.
 
Ein Problem bei der Nutzung der Kulturpflanze sei die Bildung eines Bitterstoffs (Saponin) in den Samen: „Wir haben die dafür verantwortlichen Gene identifiziert und können nun zielgerichtet Saponin-freie Pflanzen züchten“, ergänzt Tester. Außerdem stehe die Selektion kurzstrohiger Typen mit besserer Standfestigkeit auf dem Programm. Derartige Pflanzen sind dann in der Lage, mehr Samen zu produzieren, ohne umzuknicken. 
 
Für die Kieler Forscherinnen und Forscher ist besonders der Zeitpunkt der Blüte von Interesse. „Wir denken auch über den Anbau von Quinoa in Mitteleuropa nach“, sagt Dally. „Dafür ist es aber notwendig den Blühzeitpunkt zu verändern. Quinoa ist nämlich eine tropische Pflanze, die an kurze Tage angepasst ist. Bei uns muss sie aber im Langtag blühen. Wir haben bereits die dafür verantwortlichen Gene identifiziert und können nun damit beginnen, in einem weltweiten Quinoa-Sortiment nach vorteilhaften Genvarianten zu suchen.“
 
Das Forschungsprojekt wurde unter anderem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Originalpublikation:
D.E. Jarvis, Y. Shwen Ho, D.J. Lightfoot, S.M. Schmöckel, B. Li, T. Borm, H. Ohyanagi, K. Mineta, C.T. Michell, N. Saber, N.M. Kharbatia, R.R. Rupper, A.R. Sharp, N. Dally, B. A Boughton, Y.H. Woo, G. Gao, E. Schijlen, X. Guo, A.A. Momin, S. Negrão, S. Al-Babili, C. Gehring, U. Roessner, C. Jung, K. Murphy, S.T. Arold, T. Gojobori, C.G. van der Linden, E.N. van Loo, E.N. Jellen, P.J. Maughan, M. Tester. „The genome of Chenopodium quinoa“
DOI: 10.1038/nature21370

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Die tropische Pflanze Quinoa hat ihre Blühzeit an kurze Tage angepasst. Kieler Forschende wollen gemeinsam mit einer Gruppe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unter anderem von der King Abdullah University (Saudi Arabien) die Genvarianten suchen, die ein Erblühen bei langen Tagen ermöglichen.
Copyright: Linda Polik

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Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der King Abdullah University (Saudi Arabien) erforschen gemeinsam mit internationalen Partnern u.a. von der Kieler Universität die Kulturpflanze Quinoa.
Copyright: Prof. Mark Tester und Dr. Ihsanullah Daur

Kontakt:
Prof. Dr. Christian Jung
Institut für Pflanzenbau und -züchtung
Christian-Albrechts Universität zu Kiel
Tel: 0431-8807364
E-Mail: c.jung@plantbreeding.uni-kiel.de

Dr. Nadine Dally
Institut für Pflanzenbau und -züchtung
Christian-Albrechts Universität zu Kiel
Tel: 0431-8805036
E-Mail: n.dally@plantbreeding.uni-kiel.de 
 
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski, Redaktion: Claudia Eulitz
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: presse@uv.uni-kiel.de, Internet: www.uni-kiel.de, Twitter: www.twitter.com/kieluni Facebook: www.facebook.com/kieluni, Instagram: instagram.com/kieluni

 

Neue Einblicke in die Evolution des Stoffwechsels

16.02.2017

Abbildung: Axel Scheidig
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In heißen Quellen, Geysiren und schwarzen Rauchern leben Urbakterien, auch Archaea genannt. Sie leben häufig unter extremen Umweltbedingungen und bevorzugen zum Beispiel hohe Temperaturen. Die Art Pyrococcus furiosus gehört zu diesen ursprünglichsten Lebewesen. Die Teams um den Mikrobiologen Professor Peter Schönheit und um den Strukturbiologen Professor Axel Scheidig, beide Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU), analysierten den Zuckerstoffwechsel dieser Archaeen-Art. Dabei fanden sie den bislang unbekannten Mechanismus heraus, durch den die Umwandlung energiereicher Verbindungen, sogenannte Thioester, in Adenosintriphosphat (ATP, dem universellen Energieüberträger aller Lebewesen) ermöglicht wird. Die Entdeckung des Katalysemechanismus erlaubt neue Einblicke in die evolutionäre Entwicklung des Stoffwechsels. Die Forschenden veröffentlichten ihre Ergebnisse kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS).

Beim Stoffwechsel machen Enzyme die Arbeit, so auch in Archaeen. Die sogenannten Acetyl-Coenzym A Synthetasen unter ihnen haben sich die Kieler Forscher genauer angeschaut. Denn sie ermöglichen die Übertragung eines Stoffwechselprodukts (aktiviertes Phosphat) zwischen zwei räumlich getrennten aktiven Zentren, um ATP zu bilden. Seit Beginn der Charakterisierung dieser Enzyme war es ein Rätsel, wie der Übergang funktioniert. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gingen seit über zehn Jahren davon aus, dass das aktivierte Phosphat durch eine Art Schwingen vom einen zum anderen Zentrum gelangt. Diese These konnte aber bislang nicht nachgewiesen werden.

Mithilfe eines speziellen Verfahrens zur Darstellung der Kristallstruktur, der sogenannten Röntgendiffraktion, ist es den Kieler Forschungsteams erstmals gelungen, die dreidimensionale Architektur der Acetyl-Coenzym A Synthetase nachzuvollziehen. Mit Hilfe von neun unterschiedlichen Kristallen konnten sie Momentaufnahmen des Enzyms während der Katalyse aufnehmen und damit den sich umlagernden Proteinbereich sichtbar machen. Mit dieser Methode konnten sie sehen, dass ein Proteinsegment im Enzym das aktivierte Phosphat (~P) überträgt. Die lang diskutierte Hypothese des Schleifen-Schwingens (‚loop swinging‘) zwischen den aktiven Zentren konnte damit bewiesen werden. „Die von uns entschlüsselten Strukturen liefern wichtige Erkenntnisse für den Katalysemechanismus dieser ungewöhnlichen Enzymklasse“, freuen sich Professor Schönheit und Professor Scheidig über die Entdeckung.

Ausgehend von ihrer Arbeit versuchen die Forschenden nun, die Enzyme, die auch in pathogenen Mikroorganismen vorkommen, weiter zu charakterisieren. Schönheit: „Unser Wunschziel ist es, dieses für den Energiehaushalt wesentliche Enzym gezielt ausschalten zu können und damit die krankheitserregenden Organismen im menschlichen Körper wirksam zu bekämpfen.“

Originalarbeit:
Weiße, R. H.-J., Faust, A., Schmidt, M. C., Schönheit, P., Scheidig, A. J. (2016). Structure of NDP forming acetyl-coenzyme A synthetase ACD1 reveals large rearrangement for phosphoryl-transfer. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 113:519-528 DOI: 10.1073/pnas.1518614113
www.pnas.org/content/113/5/E519

Weitere Informationen über die Besonderheiten der Archaeen gibt es in der unizeit:
www.uni-kiel.de/unizeit/index.php?bid=340102&light=sch%F6nheit

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Peter Schönheit und Axel Scheidig erforschten die Umwandlung energiereicher Verbindung in Urbakterien. In den Händen halten die Wissenschaftler ein Modell des Acetyl-Coenzyms A.
Foto/Copyright: Raissa Nickel, Uni Kiel
 

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Die Art Pyrococcus furiosus gehört zu den ursprünglichsten Lebewesen.
Abbildung: Dr. Annett Bellack, Universität Regensburg
 

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Die Struktur Acetyl-Coenzym A Synthetase zeigt einen ursprünglichen Energiewandler in der frühen Evolution des Stoffwechsels.
Abbildung: Axel Scheidig
 

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Kontakt:

 

Prof. Dr. Peter Schönheit
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU
Telefon: 0431 880-4328
E-Mail: peter.schoenheit@ifam.uni-kiel.de

 

Prof. Dr. Axel Scheidig
Zentrum für Biochemie und Molekularbiologie an der CAU
Telefon: 0431/880-4286
E-Mail: axel.scheidig@strubio.uni-kiel.de

 

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski
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Text / Redaktion: ► Raissa Nickel

Versteckter Sicherheitsschalter: Neue Erkenntnisse zu Todesrezeptoren bei Krebszellen

10.06.2015

Ein besseres molekulares Verständnis der Rolle von sogenannten Todesrezeptoren in der Krebsentstehung, die insbesondere Bauchspeicheldrüsenkrebs besonders aggressiv und fast immer tödlich verlaufen lassen – das ist das Ziel von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern am Institut für Experimentelle Tumorforschung an der Medizinischen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Die Arbeitsgruppe unter der Leitung von Professorin Anna Trauzold und Professor Holger Kalthoff beschäftigt sich seit mehr als zehn Jahren mit diesen Todesrezeptoren, die in fast allen Körperzellen und prinzipiell auch in Krebszellen für das kontrollierte Absterben der Zelle, den programmierten Zelltod, sorgen können. hier weiterlesen

Das Zittern liegt in den Genen

16.02.2017

Zu viel Kaffee oder eine aufregende Situation können auch bei gesunden Menschen zu einem fühlbaren und sichtbaren Zittern (Tremor) der Hände führen. Ungefähr jeder hundertste Mensch leidet aber an andauerndem und stärker ausgeprägtem Zittern, was das Krankheitsbild des Essentiellen Tremors (ET) bestimmt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Medizinischen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben in Kooperation mit internationalen Arbeitsgruppen in einer groß angelegten Studie nach möglichen Ursachen des ET gesucht und konnten drei Gene identifizieren, die mit dem Zittern in Verbindung stehen. Die Ergebnisse der Studie erscheinen heute (Freitag, 21. Oktober) in der renommierten Fachzeitschrift „Brain“.

Ein ET kann in jedem Alter beginnen und nicht nur die Hände, sondern auch andere Körperteile wie den Kopf, die Beine und sogar die Stimme erfassen. Mit steigendem Alter nimmt dabei fast immer die Intensität des Zitterns zu und beeinträchtigt Patientinnen und Patienten bei alltäglichen Tätigkeiten wie Trinken, Schreiben und anderen feinmotorischen Handlungen. Über die genauen Ursachen und den Entstehungsprozess des ET ist bisher kaum etwas bekannt.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Klinik für Neurologie, Medizinische Fakultät der CAU und Universitätsklinikum Schleswig-Holstein (UKSH), konnten in Zwillingsstudien bereits zeigen, dass der ET eine hohe Erblichkeit aufweist, allerdings bei den meisten Betroffenen genetisch komplex ist. „Als genetisch komplex bezeichnen wir eine Krankheitsentstehung, wenn genetische Risikofaktoren mit zusätzlichen Umweltfaktoren zusammenwirken“, erklärt Professor Gregor Kuhlenbäumer, Studienleiter an der Klinik für Neurologie. „In solchen Fällen finden wir oft keine direkte Vererbung der Erkrankung von Eltern auf ihre Kinder.“

In der nun veröffentlichten, groß angelegten Studie, unter Leitung der Klinik für Neurologie und des Montreal Neurological Institute, wurde der ET erstmals umfassend molekulargenetisch an fast 3000 Patientinnen und Patienten sowie 7000 Kontrollfällen aus zahlreichen europäischen, kanadischen und amerikanischen Studienzentren untersucht. „Wir konnten tatsächlich drei Gene identifizieren, von denen wir glauben, dass sie ursächlich für die Erkrankung sind“, sagt Kuhlenbäumer. „Um als gesichert zu gelten, müssen diese Ergebnisse nun allerdings in weiterführenden, unabhängigen Untersuchungen noch bestätigt werden.“

Die drei identifizierten Gene (STK32B, PPARGC1A und CTNNA3) könnten eine große Bedeutung für die Tremorforschung haben. „Wenn sich die Befunde bestätigen, so haben wir erstmals einen Anhaltspunkt, an dem wir mit biochemischen und experimentellen Methoden anknüpfen können, um mehr über die Entstehung des Zitterns zu erfahren“, sagt Kuhlenbäumer. Denn allein in Deutschland leiden etwa eine Million Menschen an ET. Die medikamentöse Therapie der Erkrankung ist allerdings nur bei ungefähr der Hälfte aller Patientinnen und Patienten erfolgreich und kann bei ihnen das Zittern auch nicht heilen, sondern nur lindern. Weltweit ist die Kieler Klinik für Neurologie in der Erforschung, Diagnostik und Therapie von Tremorkrankheiten führendes Zentrum.


Originalpublikation:
Genome-Wide Association Study in Essential Tremor Identifies Three New Loci (2016). Stefanie H. Müller, Simon L. Girard, Franziska Hopfner, Nancy D. Merner, Cynthia V. Bourassa, Delia Lorenz, Lorraine N. Clark , Lukas Tittmann, Alexandra I. Soto-Ortolaza, Stephan Klebe, Mark Hallett, Susanne A. Schneider, Colin A. Hodgkinson, Wolfgang Lieb, Zbigniew K. Wszolek, Manuela Pendziwiat, Oswaldo Lorenzo-Betancor, Werner Poewe, Sara Ortega-Cubero, Klaus Seppi, Alex Rajput, Anna Hussl, Ali H. Rajput, Daniela Berg, Patrick A. Dion, Isabel Wurster, Joshua M. Shuman, Karin Srulijes, Dietrich Haubenberger, Pau Pastor, Carles Vilariño-Güell, Ronald B. Postuma, Geneviève Bernard, Karl-Heinz Ladwig, Nicolas Dupré, Joseph Jankovic, Konstantin Strauch, Michel Panisset, Juliane Winkelmann, Claudia M. Testa, Eva Reischl, Kirsten E. Zeuner, Owen A. Ross, Thomas Arzberger, Sylvain Chouinard, Günther Deuschl, Elan D. Louis, Gregor Kuhlenbäumer, Guy A. Rouleau. Brain (2016).
DOI: 10.1093/brain/aww242

Kontakt:
Prof. Gregor Kuhlenbäumer
Klinik für Neurologie
Tel.: 0431/597-8806
E-Mail: g.kuhlenbaeumer@neurologie.uni-kiel.de



Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski
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Text / Redaktion: Dr. Ann-Kathrin Wenke

Live aus dem Labor der Evolution

05.06.2015

Studie zur Koevolution zwischen Wirt und Krankheitserregern wirft neues Licht auf Evolutionsdynamik

Jedes Jahr treten neuen Grippe- und Erkältungserreger auf und problematische Krankheitserreger wie zum Beispiel Ebola sorgen in regelmäßigen Abständen für globale Beunruhigung. Der Schlüssel für ein besseres Verständnis von Krankheitsepidemien liegt in der Veränderlichkeit und damit in der Evolution der verursachenden Krankheitserreger.Hier weiterlesen...

Neue Einblicke in den Stammbaum des Lebens

16.02.2017

CAU-Mikrobiologie liefert grundlegende Erkenntnisse zur Rolle der Urbakterien in der Evolution

Um die Vielfalt des Lebens zu beschreiben, unterscheidet die Wissenschaft zum Beispiel nach dem Tier- oder Pflanzenreich. Außerdem wird sie auch in drei grundlegende Kategorien oder auch Domänen unterteilt: Die erste umfasst Lebewesen, die einen Zellkern besitzen, die Domäne der sogenannten Eukarya. Die beiden weiteren Domänen beinhalten zum einen die Urbakterien, auch Archaea genannt, zum anderen die Bakterien. Lebewesen dieser beiden Domänen besitzen keinen Zellkern. Die Domäne der Archaeen nimmt dabei eine Sonderstellung ein, da sie Merkmale sowohl der Eukarya als auch der Bakterien trägt. Aus welcher der beiden ursprünglicheren Domänen sich die eukaryotische Zelle und damit höhere Lebewesen einschließlich der Wirbeltiere im Laufe der Evolution entwickelt haben, wird bis heute kontrovers diskutiert. Kürzlich gefundene deutliche Hinweise legen nahe, dass sich die Eukarya aus der Domäne der Archaeen entwickelt haben könnten. Forschende vom Institut für Allgemeine Mikrobiologie der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) konnten zeigen, dass Archaeen ihre Erbinformationen auf sehr ähnliche Weise ablesen, um sie in Proteine umzusetzen, wie es auch Eukarya tun. Dies unterstützt die Theorie über den Ursprung der Eukarya in der Domäne der Archaeen. Die neuartigen Forschungsergebnisse veröffentlichte das Team um Professorin Ruth Schmitz-Streit von der CAU gemeinsam mit Professor Rotem Sorek vom Weizmann Institute of Science aus Rehovot, Israel, jüngst in der Fachzeitschrift Nature microbiology.

Der Schlüssel zu diesen neuen Erkenntnissen liegt in der Untersuchung der Transkription, also dem Ablesevorgang der genetischen Information. Im Laufe dieses Prozesses wird die sogenannte Boten-Ribonukleinsäure (mRNA) gebildet, deren Aufgabe die Umsetzung von genetischer Information in Proteine ist. Im Hinblick auf diese Vorgänge untersuchten die Forschenden die beiden Archaeen-Arten Methanosarcina mazei und Sulfolobus acidocaldarius

mittels genomweiter Analysen. Insbesondere das Ende des Transkriptionsvorgangs ist aufschlussreich: Bakterien weisen hier nach dem für die Codierung der Proteine zuständigen Teil nur eine sehr kurze Endsequenz auf. Die nun vorliegende Studie zeigt, dass Archaeen demgegenüber eine ähnlich lange Endsequenz der mRNA aufweisen, wie es auch bei Eukarya der Fall ist. Die vermeintlich unbeteiligten Enden der mRNA tragen also möglicherweise auch bei Archaeen zur Genregulation bei. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler konnten zudem belegen, dass über 30 Prozent der Archaeen-Gene durch eine Reihe aufeinanderfolgender alternativer Terminations-Signale in der Transkription kontrolliert werden können. In Abhängigkeit von den Umweltbedingungen entstehen also jeweils unterschiedlich lange Endsequenzen.

Die neuartigen Erkenntnisse legen einerseits die evolutionäre Nähe von Archaeen und Eukarya nahe. Andererseits weisen sie darauf hin, dass die langen und wandelbaren Endsequenzen der Archaeen auch funktionale Bedeutung haben müssen. Damit eröffnet sich ein gänzlich neues Betätigungsfeld in der Mikrobiologie, betont Schmitz-Streit: „Bislang war schlicht nicht bekannt, dass Archaeen solch lange Transkriptions-Endsequenzen besitzen. Zum einen werden so Einblicke in die evolutionäre Entwicklung des Lebens möglich. Vor allem betreten wir mit der Erforschung ihrer Funktionen wissenschaftliches Neuland und erhoffen uns überraschende neue Erkenntnisse über die Regulation bei Archaeen auf posttranskriptionaler Ebene.“

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Die methanproduzierende Archaeen-Art Methanosarcina mazei ist ein in der Mikrobiologie häufig verwendeter Modellorganismus.
Abbildung: Andrea Ulbricht
 

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Originalarbeit:

Daniel Dar, Daniela Prasse, Ruth A. Schmitz & Rotem Sorek (2016): Widespread formation of alternative 3? UTR isoforms via transcription termination in archaea. Nature Microbiology

dx.doi.org/10.1038/nmicrobiol.2016.143

 

Kontakt:

Prof. Ruth Schmitz-Streit
Molekularbiologie der Mikroorganismen,
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU
Telefon: 0431 880-4334 E-Mail: rschmitz@ifam.uni-kiel.de

 

Weitere Informationen 

Molekularbiologie der Mikroorganismen (AG Schmitz-Streit),
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU
www.mikrobio.uni-kiel.de/de/ag-schmitz-streit

 

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

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Text / Redaktion: ► Christian Urban

Fadenwürmer reisen per Anhalter

13.07.2015

Kieler Forschungsgruppe erforscht natürliche Lebensweise von Caenorhabditis elegans


Winzige Fadenwürmer zum Beispiel der Art Caenorhabditis elegans nutzen bei der Nahrungssuche Nacktschnecken und andere Wirbellose als Transportmittel. Dies fand eine Gruppe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) nun heraus. Die etwa einen Millimeter langen Tiere leben meist in kurzlebigen Umgebungen, wie beispielsweise in verrottenden Früchten oder anderem Pflanzenmaterial. Hier weiterlesen...

Neue Gene für Herzfehler entdeckt

07.09.2016

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Eine internationale Forschergruppe hat drei neue Gene gefunden, die bei der Entstehung angeborener Herzfehler eine Rolle spielen. Die Wissenschaftler haben außerdem neue Erkenntnisse darüber gewonnen, welche Arten von Herzfehlern vererbt werden und welche durch neu aufgetretene Genveränderungen verursacht werden. Diese Ergebnisse helfen, die genetische Beratung von betroffenen Familien zu verbessern. Das Konsortium unter Beteiligung des Wellcome Trust Sanger Institutes, des Kompetenznetzes Angeborene Herzfehler, des Deutschen Zentrums für Herz-Kreislauf-Forschung (DZHK) und der Klinik für angeborene Herzfehler und Kinderkardiologie, Medizinische Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, berichtet darüber in der aktuellen Ausgabe von Nature Genetics. Weiter lesen...

Neue Strategie in der Bekämpfung von Antibiotika-resistenten Krankheitskeimen

16.10.2015

Schneller Wechsel in der Medikamentengabe hemmt die Ausbildung von Resistenzen


Die schnelle Evolution von Antibiotika-Resistenzen stellt eine zunehmend dramatische Gefahr für die öffentliche Gesundheit dar. In weniger als 20 Jahren könnten Antibiotika-resistente Krankheitskeime zu den häufigsten Verursachern nicht-natürlicher Todesfälle gehören. Die Medizin steht somit vor der gewaltigen Herausforderung die erfolgreiche Behandlung von bakteriellen Infektionen weiterhin zu gewährleisten - trotz eines immer kleiner werden Spektrums wirksamer Antibiotika. Jüngste Forschungsergebnisse einer Gruppe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) zeigen nun Möglichkeiten auf, wie die Wirksamkeit der noch zur Verfügung stehenden Antibiotika länger erhalten werden kann. Weiter lesen...

Mutationen an- und wieder ausschalten

12.04.2016

fmath-botan-inst.pngKieler Forschungsteam erleichtert mit neuem Verfahren funktionale Genomik

Schimmelpilze werden vor allem mit diversen gesundheitlichen Risiken in Verbindung gebracht. Sie spielen auch eine weniger bekannte, für die Biotechnologie aber besonders wichtige Rolle. Der Schimmelpilz Aspergillus niger zum Beispiel dient seit rund 100 Jahren der industriellen Gewinnung von Zitronensäure, die in vielen Nahrungsmitteln als konservierender Zusatzstoff enthalten ist. Um die genetischen Mechanismen zu erkunden, die Aufschluss über das mögliche Anwendungsspektrum von Schimmelpilzen und ihrer Stoffwechselprodukte geben können, hat ein Forschungsteam der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen von der niederländischen Universität Leiden nun ein neues Verfahren entwickelt. Weiter lesen...

Pilze aus dem Meer enthalten vielversprechende Wirkstoffe gegen Krebs

28.10.2015

Kieler Forschungsteam identifiziert Pilz-Gene, die krebshemmende Wirkstoffe ausbilden können

Der Ozean ist bis heute einer der am wenigsten erforschten Lebensräume unseres Planeten. Forschende vermuten ein riesiges Erkenntnispotenzial in den Meeren und suchen dort deshalb auch nach neuartigen Wirkstoffen zur Krankheitsbekämpfung. Im EU-Projekt „Marine Fungi“ haben internationale Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter Beteiligung der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und des GEOMAR Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung Kiel nun systematisch nach solchen Stoffen speziell in Pilzen aus dem Meer gesucht. Ein besonders vielversprechendes Ergebnis ist die Identifizierung der Gene eines solchen Pilzes, die für die Bildung von zwei krebshemmenden Stoffen, sogenannten zyklischen Peptiden, verantwortlich sind. Ein Forschungsteam um Professor Frank Kempken, Leiter der Abteilung für Botanische Genetik und Molekularbiologie an der CAU, veröffentlichte die neuartigen Erkenntnisse nun in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins PLOS Biology. Weiter lesen...

Versteckter Sicherheitsschalter: Neue Erkenntnisse zu Todesrezeptoren bei Krebszellen

10.06.2015

Ein besseres molekulares Verständnis der Rolle von sogenannten Todesrezeptoren in der Krebsentstehung, die insbesondere Bauchspeicheldrüsenkrebs besonders aggressiv und fast immer tödlich verlaufen lassen – das ist das Ziel von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern am Institut für Experimentelle Tumorforschung an der Medizinischen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Die Arbeitsgruppe unter der Leitung von Professorin Anna Trauzold und Professor Holger Kalthoff beschäftigt sich seit mehr als zehn Jahren mit diesen Todesrezeptoren, die in fast allen Körperzellen und prinzipiell auch in Krebszellen für das kontrollierte Absterben der Zelle, den programmierten Zelltod, sorgen können. Weiter lesen...

Warum Japanerinnen und Japaner länger leben

13.11.2015

Kieler Forschungsteam zeigt positiven Einfluss bioaktiver Pflanzenstoffe in Grüntee und Soja auf die Lebensspanne

Ein Forschungsteam vom Institut für Humanernährung und Lebensmittelkunde an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat vielversprechende Zusammenhänge zwischen zwei sekundären Pflanzenstoffen, den sogenannten Catechinen und Isoflavonen, und der Lebenserwartung entdeckt. Die zugrunde liegenden Forschungsarbeiten der Kieler Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erschienen jüngst in den beiden Fachmagazinen Oncotarget und The FASEB Journal. Weiter lesen...

Die Vielfalt im Innern des Wurms

18.05.2016

fmath-botan-inst.pngKieler Forschungsteam zeigt am Beispiel von Fadenwürmern die Bedeutung einer natürlichen Bakterienbesiedelung

Er ist einer der am besten erforschten Modellorganismen der Biologie: Der winzige Fadenwurm oder Nematode der Art Caenorhabditis elegans dient Forschenden seit Jahrzehnten zur Untersuchung von zum Beispiel Entwicklungsprozessen und Funktionsweise des Nervensystems. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit nutzen dazu eine bestimmte, stark an die Laborumgebung angepasste C. elegans-Variante, die unter diesen Bedingungen keinerlei Bakterienbesiedlung aufweist. Weiter lesen...

Mutationen an- und wieder ausschalten

12.04.2016

Kieler Forschungsteam erleichtert mit neuem Verfahren funktionale Genomik

 

Schimmelpilze werden vor allem mit diversen gesundheitlichen Risiken in Verbindung gebracht. Sie spielen auch eine weniger bekannte, für die Biotechnologie aber besonders wichtige Rolle. Der Schimmelpilz Aspergillus niger zum Beispiel dient seit rund 100 Jahren der industriellen Gewinnung von Zitronensäure, die in vielen Nahrungsmitteln als konservierender Zusatzstoff enthalten ist. Um die genetischen Mechanismen zu erkunden, die Aufschluss über das mögliche Anwendungsspektrum von Schimmelpilzen und ihrer Stoffwechselprodukte geben können, hat ein Forschungsteam der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen von der niederländischen Universität Leiden nun ein neues Verfahren entwickelt. Weiter lesen...

Warum Japanerinnen und Japaner länger leben

13.11.2015

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Ein Forschungsteam vom Institut für Humanernährung und Lebensmittelkunde an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat vielversprechende Zusammenhänge zwischen zwei sekundären Pflanzenstoffen, den sogenannten Catechinen und Isoflavonen, und der Lebenserwartung entdeckt. Die zugrunde liegenden Forschungsarbeiten der Kieler Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erschienen jüngst in den beiden Fachmagazinen Oncotarget und The FASEB Journal. Weiter lesen...

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18.05.2016

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Pilze aus dem Meer enthalten vielversprechende Wirkstoffe gegen Krebs

28.10.2015

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Neue Gene für Herzfehler entdeckt

07.09.2016

Eine internationale Forschergruppe hat drei neue Gene gefunden, die bei der Entstehung angeborener Herzfehler eine Rolle spielen. Die Wissenschaftler haben außerdem neue Erkenntnisse darüber gewonnen, welche Arten von Herzfehlern vererbt werden und welche durch neu aufgetretene Genveränderungen verursacht werden. Diese Ergebnisse helfen, die genetische Beratung von betroffenen Familien zu verbessern. Das Konsortium unter Beteiligung des Wellcome Trust Sanger Institutes, des Kompetenznetzes Angeborene Herzfehler, des Deutschen Zentrums für Herz-Kreislauf-Forschung (DZHK) und der Klinik für angeborene Herzfehler und Kinderkardiologie, Medizinische Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, berichtet darüber in der aktuellen Ausgabe von Nature Genetics. Weiter lesen...

Neue Strategie in der Bekämpfung von Antibiotika-resistenten Krankheitskeimen

16.10.2015

Schneller Wechsel in der Medikamentengabe hemmt die Ausbildung von Resistenzen


Die schnelle Evolution von Antibiotika-Resistenzen stellt eine zunehmend dramatische Gefahr für die öffentliche Gesundheit dar. In weniger als 20 Jahren könnten Antibiotika-resistente Krankheitskeime zu den häufigsten Verursachern nicht-natürlicher Todesfälle gehören. Die Medizin steht somit vor der gewaltigen Herausforderung die erfolgreiche Behandlung von bakteriellen Infektionen weiterhin zu gewährleisten - trotz eines immer kleiner werden Spektrums wirksamer Antibiotika. Jüngste Forschungsergebnisse einer Gruppe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) zeigen nun Möglichkeiten auf, wie die Wirksamkeit der noch zur Verfügung stehenden Antibiotika länger erhalten werden kann. Weiter lesen...

Unsere Gene beeinflussen die Darmflora

12.10.2016

Überraschende Erkenntnisse aus der Kieler Mikrobiom-Forschung
 

Ein internationales Konsortium unter Federführung von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Medizinischen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat herausgefunden, dass das menschliche Genom einen großen Einfluss auf die Zusammensetzung der Bakterien im Darm hat. Die Ergebnisse dieser Studie erscheinen heute (Montag, 10. Oktober) in der renommierten Fachzeitschrift "Nature Genetics".
 
Im menschlichen Darm lebt eine Vielzahl von unterschiedlichen Bakterien, die einen wichtigen Einfluss auf unsere Gesundheit haben. Unter anderem spalten sie Nährstoffe, beeinflussen unser Immunsystem und sorgen für ein ausgeglichenes Hormonsystem. Verändert sich die Zusammensetzung der Darmflora, zum Beispiel durch die Gabe von Antibiotika, können verschiedene Krankheiten wie entzündliche Darmerkrankungen, Diabetes oder Autismus entstehen.
 
Um das komplexe Zusammenspiel und den Einfluss der menschlichen Darmflora auf die Entstehung von Krankheiten besser zu verstehen, haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Uni Kiel zusammen mit weiteren Arbeitsgruppen aus dem Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie in Plön und Oslo in der bislang größten Studie dieser Art die Zusammensetzung der Darmbakterien von über 1.800 Norddeutschen untersucht. Sie identifizierten eine Reihe von Faktoren wie Ernährung, Lebensgewohnheiten und genetische Variationen, die die Zusammensetzung des Darm-Mikrobioms beeinflussen. Mit dem Einfluss von genetischen Unterschieden hat sich das Kieler Forschungsteam dann näher beschäftigt.
 
Insgesamt konnten die Forscherinnen und Forscher 42 Bereiche im menschlichen Genom finden, die die Vielfalt der Darmflora beeinflussen. Für weitere 42 Genbereiche konnten sie nachweisen, dass sie über das Vorkommen und die Häufigkeit bestimmter Bakterienarten im Verdauungstrakt mitbestimmen. Insgesamt sind diese genetischen Faktoren für rund 10 Prozent der Bakterienvielfalt im Darm verantwortlich. „Dass unser Genom einen solch großen Einfluss auf die Darmbakterien hat, war eine große Überraschung für uns“, sagt Professor Andre Franke, Studienleiter und Direktor des Instituts für Klinische Molekularbiologie (IKMB), Medizinische Fakultät der CAU. „Eine ähnliche Größenordnung ist aus Mausstudien bekannt und lässt darauf schließen, dass wir es hier mit evolutionär konservierten Prozessen zu tun haben.“
 
Ein spezielles Gen, das die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in dieser Studie identifiziert haben, war für sie besonders interessant: Es kodiert für den Vitamin D Rezeptor, der Gallensäuren bindet, die wiederum für die Fettverdauung wichtig sind. „Den Einfluss jedes einzelnen Faktors, den wir identifizieren konnten, wollen wir nun in weiterführenden Studien genauer untersuchen“, sagt Louise Thingholm, Erstautorin der Studie vom IKMB. Dieses Vorhaben ist Teil des neuen Sonderforschungsbereichs (SFB) 1182 „Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen“ an der CAU, der seit Anfang dieses Jahres von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit rund 10 Millionen Euro finanziert wird.    

Originalpublikation:
Genome-wide association analysis identifies variation in vitamin D receptor and other host factors influencing the gut microbiota (2016). Jun Wang, Louise B Thingholm, Jurgita Skiecevicienė, Philipp Rausch et al. Nature Genetics. DOI: 10.1038/ng.3695

Abbildungen zum Thema stehen zum Download bereit:
www.uni-kiel.de/download/pm/2016/2016-322-1.jpg  
Bildunterschrift: Die Abbildung zeigt, dass viele bekannte Gene, die das Darmmikrobiom in der Maus beeinflussen, mit den menschlichen Genen identisch sind, die von der Kieler Studie identifiziert wurden (Verbindungslinien innerhalb des Kreises). Die linke Seite zeigt dabei die Positionen auf der Maus-DNA, die rechte Seite die menschlichen Chromosomenabschnitte.
Copyright: Institut für Klinische Molekularbiologie/CAU
 
www.uni-kiel.de/download/pm/2016/2016-322-2.jpg   
Bildunterschrift: Für die Analyse der Zusammensetzung der Darmflora werden die Stuhlproben im Labor vorbereitet.
Copyright: Institut für Klinische Molekularbiologie/CAU
 
www.uni-kiel.de/download/pm/2016/2016-322-3.jpg   
Bildunterschrift: Eine Technische Angestellte bearbeitet die Stuhlproben unter der Laborbank.
Copyright: Institut für Klinische Molekularbiologie/CAU
 
Weitere Informationen:
www.ikmb.uni-kiel.de/research/genetics-bioinformatics/microbiome-studies-0  

Kontakt:
Prof. Dr. Andre Franke
Institut für Klinische Molekularbiologie, CAU
Telefon: 0431/500-15110; 0179-4851891
E-Mail: a.franke@mucosa.de
 
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
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Fadenwürmer reisen per Anhalter

13.07.2015

2015-263-1.jpgKieler Forschungsgruppe erforscht natürliche Lebensweise von Caenorhabditis elegans


Winzige Fadenwürmer zum Beispiel der Art Caenorhabditis elegans nutzen bei der Nahrungssuche Nacktschnecken und andere Wirbellose als Transportmittel. Dies fand eine Gruppe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) nun heraus. Die etwa einen Millimeter langen Tiere leben meist in kurzlebigen Umgebungen, wie beispielsweise in verrottenden Früchten oder anderem Pflanzenmaterial. Hier weiterlesen...

Wichtige Zellgruppe für die lokale Immunreaktion entdeckt

20.10.2016

Kieler Team des Exzellenzclusters Entzündungsforschung identifiziert bisher unbekannte Quelle für den Botenstoff Interleukin 9
 

Interleukin 9 (IL-9) ist ein Botenstoff des Immunsystems mit vielfältigen Wirkungen. Es spielt eine Rolle bei allergischen Reaktionen, der Durchlässigkeit von Epithelzellen und der Anti-Tumor-Aktivität des Immunsystems. Unter welchen Bedingungen IL-9 in nennenswertem Umfang gebildet wird, hat eine Arbeitsgruppe des Exzellenzclusters Entzündungsforschung an der Medizinischen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) mit in-vitro-Zellkulturstudien aufgeklärt. Das Team unter Leitung von Prof. Dieter Kabelitz (Institut für Immunologie) identifizierte in der Studie eine bisher unbekannte Quelle für die IL-9-Produktion, die so genannten gamma/delta-T-Lymphozyten. In Geweben wie zum Beispiel der Darm- oder Bronchialschleimhaut ist dieser Zelltyp dominierend. „Botenstoffe, die von diesen Zellen im Gewebe produziert werden, können insofern eine erhebliche Bedeutung für die lokale Entzündungsreaktion haben“, erklärt Kabelitz. Die Ergebnisse dieser Studie werden jetzt in der Fachzeitschrift  Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States (PNAS) publiziert.

Der Kieler Immunologe Prof. Dieter Kabelitz erforscht schon seit vielen Jahren gamma/delta-T-Zellen (γδ-T-Zellen), die zwar nur eine kleine Untergruppe im Blut sind; im Gewebe wie der Darmschleimhaut dagegen etwa 20 bis 30 Prozent aller Immunzellen ausmachen und zum Beispiel auch. im Lungengewebe vorkommen. Sein Interesse an den Zellen begründet sich vor allem auf der Erkenntnis, dass γδ-T-Zellen einen „Riecher“ dafür haben, wenn Zellen gestresst werden und in der Folge im Stoffwechsel etwas falsch läuft, was dann eine entsprechende Immunantwort einleitet. Sie spielen daher eine große Rolle in der lokalen Immunüberwachung gegenüber Entzündung, Infektion und maligner (bösartiger) Entartung von Zellen.

In diesem Zusammenhang könnte auch die Produktion von Interleukin-9 (IL-9) relevant sein. Der Botenstoff kann das Wachstum von  Immunzellen  stimulieren sowie die Durchlässigkeit von Epithelzellen regulieren. Darüber hinaus wird durch IL-9 die Produktion von Antikörpern der IgE Klasse stimuliert, die bei allergischen Reaktionen und in der Wurmabwehr eine wichtige Rolle haben. Zusätzlich wird durch IL-9 aber auch die Aktivität von Killerzellen gesteigert, die zum Beispiel in der immunologischen Tumorabwehr  von Bedeutung sind.

Als IL-9 produzierende Zellen im Immunsystem war bisher nur eine Untergruppe der CD4-positiven T-Lymphozyten (kurz CD4-Zellen) bekannt. Voraussetzung für die Freisetzung von IL-9 ist die Aktivierung mit den Botenstoffen Transforming Growth Factor-beta (TGFβ) und Interleukin-4. „Wir haben gezeigt, dass auch gamma/delta-T-Zellen IL-9 produzieren und zwar deutlich mehr als CD4-Zellen“, sagt Kabelitz. Außerdem sei bei γδ-T-Zellen für die IL-9-Produktion nur eine Stimulation mit TGFβ nötig gewesen. „Das erforderliche TGFβ wird von Epithelzellen und von vielen Tumorzellen produziert. Es ist daher denkbar, dass in entzündlichem Gewebe, aber auch im Tumor-Mikromilieu, durch TGFβ in vor Ort befindlichen gamma/delta T-Zellen direkt IL-9 induziert wird. Dadurch kann die lokale Immunreaktion entscheidend beeinflusst werden“. In weiteren Untersuchungen ist geplant, die in Gewebekultur erzielten Ergebnisse in Krankheitssituationen zu überprüfen.

Gefördert wurde diese Studie mit Mitteln des Exzellenzcluster Entzündungsforschung, der Else-Kröner-Fresenius Stiftung und der Medizinischen Fakultät der CAU.

 

Originalpublikation:

Christian Peters, Robert Häsler, Daniela Wesch, Dieter Kabelitz: Human Vδ2 T cells are a major source of Interleukin-9. PNAS 2016;

www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1607136113

 

Kontakt:

Prof. Dr. Dieter Kabelitz
Institut für Immunologie
Tel.: 0431/500 31000
Dietrich.Kabelitz@uksh.de
 
Dr. Christian Peters
Institut für Immunologie
Tel.: 0431/500 31037
Christian.Peters@uksh.de

 

Exzellenzcluster Entzündungsforschung
Wissenschaftliche Geschäftsstelle, Leitung: Dr. habil. Susanne Holstein
Presse und Kommunikation, Sonja Petermann, Text: Kerstin Nees
Postanschrift: Christian-Albrechts-Platz 4, D-24118 Kiel
Telefon: (0431) 880-4850, Telefax: (0431) 880-4894

 

Der Exzellenzcluster „Inflammation at Interfaces/Entzündungsforschung“ wird seit 2007 durch die Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder mit einem Gesamtbudget von 68 Millionen Euro gefördert; derzeit befindet er sich in der zweiten Förderphase. Die rund 300 Clustermitglieder an den insgesamt vier Standorten: Kiel (Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Universitätsklinikum Schleswig-Holstein), Lübeck (Universität zu Lübeck, UKSH), Plön (Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie) und Borstel (Forschungszentrum Borstel – Leibniz-Zentrum für Medizin und Biowissenschaften) forschen in einem innovativen, systemischen Ansatz an dem Phänomen Entzündung, das alle Barriereorgane wie Darm, Lunge und Haut befallen kann.

Artikelaktio

Live aus dem Labor der Evolution

05.06.2015

Studie zur Koevolution zwischen Wirt und Krankheitserregern wirft neues Licht auf Evolutionsdynamik

Jedes Jahr treten neuen Grippe- und Erkältungserreger auf und problematische Krankheitserreger wie zum Beispiel Ebola sorgen in regelmäßigen Abständen für globale Beunruhigung. Der Schlüssel für ein besseres Verständnis von Krankheitsepidemien liegt in der Veränderlichkeit und damit in der Evolution der verursachenden Krankheitserreger.Hier weiterlesen...

Neue Einblicke in den Stammbaum des Lebens

20.10.2016

CAU-Mikrobiologie liefert grundlegende Erkenntnisse zur Rolle der Urbakterien in der Evolution

Um die Vielfalt des Lebens zu beschreiben, unterscheidet die Wissenschaft zum Beispiel nach dem Tier- oder Pflanzenreich. Außerdem wird sie auch in drei grundlegende Kategorien oder auch Domänen unterteilt: Die erste umfasst Lebewesen, die einen Zellkern besitzen, die Domäne der sogenannten Eukarya. Die beiden weiteren Domänen beinhalten zum einen die Urbakterien, auch Archaea genannt, zum anderen die Bakterien. Lebewesen dieser beiden Domänen besitzen keinen Zellkern. Die Domäne der Archaeen nimmt dabei eine Sonderstellung ein, da sie Merkmale sowohl der Eukarya als auch der Bakterien trägt. Aus welcher der beiden ursprünglicheren Domänen sich die eukaryotische Zelle und damit höhere Lebewesen einschließlich der Wirbeltiere im Laufe der Evolution entwickelt haben, wird bis heute kontrovers diskutiert. Kürzlich gefundene deutliche Hinweise legen nahe, dass sich die Eukarya aus der Domäne der Archaeen entwickelt haben könnten. Forschende vom Institut für Allgemeine Mikrobiologie der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) konnten zeigen, dass Archaeen ihre Erbinformationen auf sehr ähnliche Weise ablesen, um sie in Proteine umzusetzen, wie es auch Eukarya tun. Dies unterstützt die Theorie über den Ursprung der Eukarya in der Domäne der Archaeen. Die neuartigen Forschungsergebnisse veröffentlichte das Team um Professorin Ruth Schmitz-Streit von der CAU gemeinsam mit Professor Rotem Sorek vom Weizmann Institute of Science aus Rehovot, Israel, jüngst in der Fachzeitschrift Nature microbiology.

Der Schlüssel zu diesen neuen Erkenntnissen liegt in der Untersuchung der Transkription, also dem Ablesevorgang der genetischen Information. Im Laufe dieses Prozesses wird die sogenannte Boten-Ribonukleinsäure (mRNA) gebildet, deren Aufgabe die Umsetzung von genetischer Information in Proteine ist. Im Hinblick auf diese Vorgänge untersuchten die Forschenden die beiden Archaeen-Arten Methanosarcina mazei und Sulfolobus acidocaldarius

mittels genomweiter Analysen. Insbesondere das Ende des Transkriptionsvorgangs ist aufschlussreich: Bakterien weisen hier nach dem für die Codierung der Proteine zuständigen Teil nur eine sehr kurze Endsequenz auf. Die nun vorliegende Studie zeigt, dass Archaeen demgegenüber eine ähnlich lange Endsequenz der mRNA aufweisen, wie es auch bei Eukarya der Fall ist. Die vermeintlich unbeteiligten Enden der mRNA tragen also möglicherweise auch bei Archaeen zur Genregulation bei. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler konnten zudem belegen, dass über 30 Prozent der Archaeen-Gene durch eine Reihe aufeinanderfolgender alternativer Terminations-Signale in der Transkription kontrolliert werden können. In Abhängigkeit von den Umweltbedingungen entstehen also jeweils unterschiedlich lange Endsequenzen.

Die neuartigen Erkenntnisse legen einerseits die evolutionäre Nähe von Archaeen und Eukarya nahe. Andererseits weisen sie darauf hin, dass die langen und wandelbaren Endsequenzen der Archaeen auch funktionale Bedeutung haben müssen. Damit eröffnet sich ein gänzlich neues Betätigungsfeld in der Mikrobiologie, betont Schmitz-Streit: „Bislang war schlicht nicht bekannt, dass Archaeen solch lange Transkriptions-Endsequenzen besitzen. Zum einen werden so Einblicke in die evolutionäre Entwicklung des Lebens möglich. Vor allem betreten wir mit der Erforschung ihrer Funktionen wissenschaftliches Neuland und erhoffen uns überraschende neue Erkenntnisse über die Regulation bei Archaeen auf posttranskriptionaler Ebene.“

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Die methanproduzierende Archaeen-Art Methanosarcina mazei ist ein in der Mikrobiologie häufig verwendeter Modellorganismus.
Abbildung: Andrea Ulbricht

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Originalarbeit:

Daniel Dar, Daniela Prasse, Ruth A. Schmitz & Rotem Sorek (2016): Widespread formation of alternative 3? UTR isoforms via transcription termination in archaea. Nature Microbiology

dx.doi.org/10.1038/nmicrobiol.2016.143

 

Kontakt:

Prof. Ruth Schmitz-Streit
Molekularbiologie der Mikroorganismen,
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU
Telefon: 0431 880-4334 E-Mail: rschmitz@ifam.uni-kiel.de

 

Weitere Informationen 

Molekularbiologie der Mikroorganismen (AG Schmitz-Streit),
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU
www.mikrobio.uni-kiel.de/de/ag-schmitz-streit

 

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski
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Text / Redaktion: ► Christian Urban

Giftige Symbiose

25.03.2015

Kieler Studie zeigt: Mikrobe des Jahres verantwortlich für Pflanzengifte

Eine Arbeitsgruppe der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) um den Professor Dietrich Ober hat herausgefunden, dass Symbiosen von Pflanzen und Bakterien nicht nur, wie bisher vermutet, für die Bindung von Nährstoffen, sondern auch für die Produktion von Pflanzengiften verantwortlich sein können.

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Das Zittern liegt in den Genen

21.10.2016

Zu viel Kaffee oder eine aufregende Situation können auch bei gesunden Menschen zu einem fühlbaren und sichtbaren Zittern (Tremor) der Hände führen. Ungefähr jeder hundertste Mensch leidet aber an andauerndem und stärker ausgeprägtem Zittern, was das Krankheitsbild des Essentiellen Tremors (ET) bestimmt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Medizinischen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben in Kooperation mit internationalen Arbeitsgruppen in einer groß angelegten Studie nach möglichen Ursachen des ET gesucht und konnten drei Gene identifizieren, die mit dem Zittern in Verbindung stehen. Die Ergebnisse der Studie erscheinen heute (Freitag, 21. Oktober) in der renommierten Fachzeitschrift „Brain“.

Ein ET kann in jedem Alter beginnen und nicht nur die Hände, sondern auch andere Körperteile wie den Kopf, die Beine und sogar die Stimme erfassen. Mit steigendem Alter nimmt dabei fast immer die Intensität des Zitterns zu und beeinträchtigt Patientinnen und Patienten bei alltäglichen Tätigkeiten wie Trinken, Schreiben und anderen feinmotorischen Handlungen. Über die genauen Ursachen und den Entstehungsprozess des ET ist bisher kaum etwas bekannt.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Klinik für Neurologie, Medizinische Fakultät der CAU und Universitätsklinikum Schleswig-Holstein (UKSH), konnten in Zwillingsstudien bereits zeigen, dass der ET eine hohe Erblichkeit aufweist, allerdings bei den meisten Betroffenen genetisch komplex ist. „Als genetisch komplex bezeichnen wir eine Krankheitsentstehung, wenn genetische Risikofaktoren mit zusätzlichen Umweltfaktoren zusammenwirken“, erklärt Professor Gregor Kuhlenbäumer, Studienleiter an der Klinik für Neurologie. „In solchen Fällen finden wir oft keine direkte Vererbung der Erkrankung von Eltern auf ihre Kinder.“

In der nun veröffentlichten, groß angelegten Studie, unter Leitung der Klinik für Neurologie und des Montreal Neurological Institute, wurde der ET erstmals umfassend molekulargenetisch an fast 3000 Patientinnen und Patienten sowie 7000 Kontrollfällen aus zahlreichen europäischen, kanadischen und amerikanischen Studienzentren untersucht. „Wir konnten tatsächlich drei Gene identifizieren, von denen wir glauben, dass sie ursächlich für die Erkrankung sind“, sagt Kuhlenbäumer. „Um als gesichert zu gelten, müssen diese Ergebnisse nun allerdings in weiterführenden, unabhängigen Untersuchungen noch bestätigt werden.“

Die drei identifizierten Gene (STK32B, PPARGC1A und CTNNA3) könnten eine große Bedeutung für die Tremorforschung haben. „Wenn sich die Befunde bestätigen, so haben wir erstmals einen Anhaltspunkt, an dem wir mit biochemischen und experimentellen Methoden anknüpfen können, um mehr über die Entstehung des Zitterns zu erfahren“, sagt Kuhlenbäumer. Denn allein in Deutschland leiden etwa eine Million Menschen an ET. Die medikamentöse Therapie der Erkrankung ist allerdings nur bei ungefähr der Hälfte aller Patientinnen und Patienten erfolgreich und kann bei ihnen das Zittern auch nicht heilen, sondern nur lindern. Weltweit ist die Kieler Klinik für Neurologie in der Erforschung, Diagnostik und Therapie von Tremorkrankheiten führendes Zentrum.


Originalpublikation:
Genome-Wide Association Study in Essential Tremor Identifies Three New Loci (2016). Stefanie H. Müller, Simon L. Girard, Franziska Hopfner, Nancy D. Merner, Cynthia V. Bourassa, Delia Lorenz, Lorraine N. Clark , Lukas Tittmann, Alexandra I. Soto-Ortolaza, Stephan Klebe, Mark Hallett, Susanne A. Schneider, Colin A. Hodgkinson, Wolfgang Lieb, Zbigniew K. Wszolek, Manuela Pendziwiat, Oswaldo Lorenzo-Betancor, Werner Poewe, Sara Ortega-Cubero, Klaus Seppi, Alex Rajput, Anna Hussl, Ali H. Rajput, Daniela Berg, Patrick A. Dion, Isabel Wurster, Joshua M. Shuman, Karin Srulijes, Dietrich Haubenberger, Pau Pastor, Carles Vilariño-Güell, Ronald B. Postuma, Geneviève Bernard, Karl-Heinz Ladwig, Nicolas Dupré, Joseph Jankovic, Konstantin Strauch, Michel Panisset, Juliane Winkelmann, Claudia M. Testa, Eva Reischl, Kirsten E. Zeuner, Owen A. Ross, Thomas Arzberger, Sylvain Chouinard, Günther Deuschl, Elan D. Louis, Gregor Kuhlenbäumer, Guy A. Rouleau. Brain (2016).
DOI: 10.1093/brain/aww242

Kontakt:
Prof. Gregor Kuhlenbäumer
Klinik für Neurologie
Tel.: 0431/597-8806
E-Mail: g.kuhlenbaeumer@neurologie.uni-kiel.de



Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
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Text / Redaktion: Dr. Ann-Kathrin Wenke

Kieler Forschungsteam entschlüsselt Erbgut des Kieler Erregers

25.03.2015

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) ist es erstmalig gelungen, das Erbgut des Ausbruchsstamms Acinetobacter baumannii zu entschlüsseln. Dabei handelt es sich um einen multiresistenten Erreger, gegen den alle vier wesentlichen Gruppen von Antibiotika nicht mehr wirken (4MRGN).

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Neue Einblicke in die Evolution des Stoffwechsels

14.12.2016

Abbildung: Axel Scheidig
Foto zum Herunterladen: www.uni-kiel.de/download/pm/2016/2016-420-1.jpg


In heißen Quellen, Geysiren und schwarzen Rauchern leben Urbakterien, auch Archaea genannt. Sie leben häufig unter extremen Umweltbedingungen und bevorzugen zum Beispiel hohe Temperaturen. Die Art Pyrococcus furiosus gehört zu diesen ursprünglichsten Lebewesen. Die Teams um den Mikrobiologen Professor Peter Schönheit und um den Strukturbiologen Professor Axel Scheidig, beide Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU), analysierten den Zuckerstoffwechsel dieser Archaeen-Art. Dabei fanden sie den bislang unbekannten Mechanismus heraus, durch den die Umwandlung energiereicher Verbindungen, sogenannte Thioester, in Adenosintriphosphat (ATP, dem universellen Energieüberträger aller Lebewesen) ermöglicht wird. Die Entdeckung des Katalysemechanismus erlaubt neue Einblicke in die evolutionäre Entwicklung des Stoffwechsels. Die Forschenden veröffentlichten ihre Ergebnisse kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS).

Beim Stoffwechsel machen Enzyme die Arbeit, so auch in Archaeen. Die sogenannten Acetyl-Coenzym A Synthetasen unter ihnen haben sich die Kieler Forscher genauer angeschaut. Denn sie ermöglichen die Übertragung eines Stoffwechselprodukts (aktiviertes Phosphat) zwischen zwei räumlich getrennten aktiven Zentren, um ATP zu bilden. Seit Beginn der Charakterisierung dieser Enzyme war es ein Rätsel, wie der Übergang funktioniert. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gingen seit über zehn Jahren davon aus, dass das aktivierte Phosphat durch eine Art Schwingen vom einen zum anderen Zentrum gelangt. Diese These konnte aber bislang nicht nachgewiesen werden.

Mithilfe eines speziellen Verfahrens zur Darstellung der Kristallstruktur, der sogenannten Röntgendiffraktion, ist es den Kieler Forschungsteams erstmals gelungen, die dreidimensionale Architektur der Acetyl-Coenzym A Synthetase nachzuvollziehen. Mit Hilfe von neun unterschiedlichen Kristallen konnten sie Momentaufnahmen des Enzyms während der Katalyse aufnehmen und damit den sich umlagernden Proteinbereich sichtbar machen. Mit dieser Methode konnten sie sehen, dass ein Proteinsegment im Enzym das aktivierte Phosphat (~P) überträgt. Die lang diskutierte Hypothese des Schleifen-Schwingens (‚loop swinging‘) zwischen den aktiven Zentren konnte damit bewiesen werden. „Die von uns entschlüsselten Strukturen liefern wichtige Erkenntnisse für den Katalysemechanismus dieser ungewöhnlichen Enzymklasse“, freuen sich Professor Schönheit und Professor Scheidig über die Entdeckung.

Ausgehend von ihrer Arbeit versuchen die Forschenden nun, die Enzyme, die auch in pathogenen Mikroorganismen vorkommen, weiter zu charakterisieren. Schönheit: „Unser Wunschziel ist es, dieses für den Energiehaushalt wesentliche Enzym gezielt ausschalten zu können und damit die krankheitserregenden Organismen im menschlichen Körper wirksam zu bekämpfen.“

Originalarbeit:
Weiße, R. H.-J., Faust, A., Schmidt, M. C., Schönheit, P., Scheidig, A. J. (2016). Structure of NDP forming acetyl-coenzyme A synthetase ACD1 reveals large rearrangement for phosphoryl-transfer. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 113:519-528 DOI: 10.1073/pnas.1518614113
www.pnas.org/content/113/5/E519

Weitere Informationen über die Besonderheiten der Archaeen gibt es in der unizeit:
www.uni-kiel.de/unizeit/index.php?bid=340102&light=sch%F6nheit

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Peter Schönheit und Axel Scheidig erforschten die Umwandlung energiereicher Verbindung in Urbakterien. In den Händen halten die Wissenschaftler ein Modell des Acetyl-Coenzyms A.
Foto/Copyright: Raissa Nickel, Uni Kiel

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Die Art Pyrococcus furiosus gehört zu den ursprünglichsten Lebewesen.
Abbildung: Dr. Annett Bellack, Universität Regensburg

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Die Struktur Acetyl-Coenzym A Synthetase zeigt einen ursprünglichen Energiewandler in der frühen Evolution des Stoffwechsels.
Abbildung: Axel Scheidig

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Kontakt:

 

Prof. Dr. Peter Schönheit
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU
Telefon: 0431 880-4328
E-Mail: peter.schoenheit@ifam.uni-kiel.de

 

Prof. Dr. Axel Scheidig
Zentrum für Biochemie und Molekularbiologie an der CAU
Telefon: 0431/880-4286
E-Mail: axel.scheidig@strubio.uni-kiel.de

 

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: ► presse@uv.uni-kiel.de, Internet: ► www.uni-kiel.de
Twitter: ► www.twitter.com/kieluni, Facebook: ► www.facebook.com/kieluni, Instagram: ► www.instagram.com/kieluni
Text / Redaktion: ► Raissa Nickel

Darmflora könnte Artbildung beeinflussen

25.03.2015

Wir sind nicht allein. Und das waren wir auch nie: Bakterien besiedelten die Erde lange vor vielzelligen Organismen und beeinflussten deren Evolution von Anbeginn. Dabei könnten sogar neue Arten entstehen. In einer neuen Studie untersuchten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Exzellenzclusters „Entzündungsforschung“ die Bakteriengemeinschaften im Darm zweier Mäuse-Unterarten und ihrer Mischlinge.

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Genom der alten Kulturpflanze Quinoa entschlüsselt

Die tropische Pflanze Quinoa hat ihre Blühzeit an kurze Tage angepasst. Kieler Forschende wollen gemeinsam mit einer Gruppe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unter anderem von der King Abdullah University (Saudi Arabien) die Genvarianten suchen, die ein Erblühen bei langen Tagen ermöglichen. Copyright: Linda Polik

09.02.2017

Quinoa ist eine der ältesten Kulturpflanzen. Sie stammt aus der Andenregion und wurde dort schon vor Jahrtausenden angebaut. In den vergangenen Jahrhunderten geriet sie aber in Vergessenheit. Erst seit kurzem ist Quinoa wieder in das Zentrum des wissenschaftlichen Interesses gerückt, denn die Samen bilden Inhaltsstoffe mit sehr hoher ernährungsphysiologischer Qualität. Außerdem können die Pflanzen auch unter unvorteilhaften Umweltbedingungen wie Trocken- und Salzstress wachsen. Unter der Leitung von Professor Mark Tester von der König-Abdullah-Universität für Wissenschaft und Technologie in Djiddah (Saudi-Arabien) wurde das Quinoa-Genom entschlüsselt und die Forschungsergebnisse in der aktuellen Online-Ausgabe des Fachmagazins „Nature“ veröffentlicht. An dem Projekt waren insgesamt 33 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus vier Kontinenten beteiligt, darunter auch von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU).  
 
„Quinoa war eine Hauptkulturart der alten Anden-Zivilisationen, aber nach der Eroberung durch die Spanier verlor sie stark an Bedeutung. Das bedeutet, dass Quinoa nie vollständig domestiziert wurde und ihr genetisches Potenzial trotz des ausgewogenen Verhältnisses an positiven Inhaltsstoffen bis heute nicht ausgeschöpft wurde”, sagt Professor Tester. 
 
Für die Sequenzierung wurde eine neuartige Methode verwendet, die es erlaubt, sehr große Fragmente zu sequenzieren. Damit konnte eine annährend vollständige Sequenz erstellt werden, die auf den Chromosomen verankert wurde. Die hohe Qualität dieser Sequenz erlaubte es, züchterisch bedeutende Gene zu identifizieren und zu charakterisieren. „Dies wird eine zielgerichtete Züchtung zur Verbesserung des genetischen Potenzials stark beschleunigen“, erklärt Professor Christian Jung, der gemeinsam mit Dr. Nadine Dally, beide vom Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung der Kieler Universität, an dem Forschungsprojekt beteiligt war.
 
Ein Problem bei der Nutzung der Kulturpflanze sei die Bildung eines Bitterstoffs (Saponin) in den Samen: „Wir haben die dafür verantwortlichen Gene identifiziert und können nun zielgerichtet Saponin-freie Pflanzen züchten“, ergänzt Tester. Außerdem stehe die Selektion kurzstrohiger Typen mit besserer Standfestigkeit auf dem Programm. Derartige Pflanzen sind dann in der Lage, mehr Samen zu produzieren, ohne umzuknicken. 
 
Für die Kieler Forscherinnen und Forscher ist besonders der Zeitpunkt der Blüte von Interesse. „Wir denken auch über den Anbau von Quinoa in Mitteleuropa nach“, sagt Dally. „Dafür ist es aber notwendig den Blühzeitpunkt zu verändern. Quinoa ist nämlich eine tropische Pflanze, die an kurze Tage angepasst ist. Bei uns muss sie aber im Langtag blühen. Wir haben bereits die dafür verantwortlichen Gene identifiziert und können nun damit beginnen, in einem weltweiten Quinoa-Sortiment nach vorteilhaften Genvarianten zu suchen.“
 
Das Forschungsprojekt wurde unter anderem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Originalpublikation:
D.E. Jarvis, Y. Shwen Ho, D.J. Lightfoot, S.M. Schmöckel, B. Li, T. Borm, H. Ohyanagi, K. Mineta, C.T. Michell, N. Saber, N.M. Kharbatia, R.R. Rupper, A.R. Sharp, N. Dally, B. A Boughton, Y.H. Woo, G. Gao, E. Schijlen, X. Guo, A.A. Momin, S. Negrão, S. Al-Babili, C. Gehring, U. Roessner, C. Jung, K. Murphy, S.T. Arold, T. Gojobori, C.G. van der Linden, E.N. van Loo, E.N. Jellen, P.J. Maughan, M. Tester. „The genome of Chenopodium quinoa“
DOI: 10.1038/nature21370

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Die tropische Pflanze Quinoa hat ihre Blühzeit an kurze Tage angepasst. Kieler Forschende wollen gemeinsam mit einer Gruppe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unter anderem von der King Abdullah University (Saudi Arabien) die Genvarianten suchen, die ein Erblühen bei langen Tagen ermöglichen.
Copyright: Linda Polik

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Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der King Abdullah University (Saudi Arabien) erforschen gemeinsam mit internationalen Partnern u.a. von der Kieler Universität die Kulturpflanze Quinoa.
Copyright: Prof. Mark Tester und Dr. Ihsanullah Daur

Kontakt:
Prof. Dr. Christian Jung
Institut für Pflanzenbau und -züchtung
Christian-Albrechts Universität zu Kiel
Tel: 0431-8807364
E-Mail: c.jung@plantbreeding.uni-kiel.de

Dr. Nadine Dally
Institut für Pflanzenbau und -züchtung
Christian-Albrechts Universität zu Kiel
Tel: 0431-8805036
E-Mail: n.dally@plantbreeding.uni-kiel.de 
 
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski, Redaktion: Claudia Eulitz
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: presse@uv.uni-kiel.de, Internet: www.uni-kiel.de, Twitter: www.twitter.com/kieluni Facebook: www.facebook.com/kieluni, Instagram: instagram.com/kieluni

 

Neue Züchtungstechniken für höhere Rapserträge

04.05.2017

Kieler Forschungsteam ermöglicht präzise Veränderung des Rapsgenoms durch „Genome Editing“

Neue Methoden zur gezielten Veränderung der Erbinformationen machen unter dem Begriff „Genome Editing“ seit einigen Jahren Schlagzeilen. Zahlreiche Beispiele belegen die Anwendungsmöglichkeiten bei unterschiedlichen Lebewesen wie Mikroorganismen, Tieren, Pflanzen und sogar beim Menschen. Die Anwendung bei Nutzpflanzen fasst man auch unter dem Begriff „Neue Züchtungstechniken“ zusammen. Inzwischen gibt es zahlreiche wissenschaftliche Arbeiten über die Veränderungen bei Modell- und auch bei Nutzpflanzen wie Weizen, Reis oder Soja. Raps ist nach der Sojabohne die zweitwichtigste Ölpflanze der Welt und die einzige Ölpflanze von Bedeutung in unseren Breiten. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) ist es nun erstmals gelungen, Ölraps gezielt mit Hilfe einer solchen „Genome Editing“-Methode, der sogenannten CRISPR-Cas-Technologie, zu verändern und die Übertragung auf nachfolgende Generationen nachzuweisen. Die Arbeit wurde kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Plant Physiology veröffentlicht.

Die CRISPR-Cas-Technologie ermöglicht es, eine präzise Veränderung an einem genau definierten Sequenzabschnitt innerhalb eines Genoms vorzunehmen. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Gen mit einer unerwünschten Funktion ausgeschaltet werden. Der Raps bereitet besondere Probleme, weil von jedem seiner Gene zwischen zwei und sechs Kopien vorliegen. Man spricht hier von einer polyploiden Pflanze. Diese Genkopien gleichzeitig auszuschalten, war mit herkömmlichen Methoden genetischer Veränderungen bisher unmöglich. Um eine solche sogenannte Mutagenese beim polyploiden Raps zu erreichen, sind also chemische Mutagenese oder Bestrahlung nicht nutzbar. Dem Kieler Forschungsteam am Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung unter der Leitung von Professor Christian Jung ist es nun gelungen, alle Kopien eines Gens auszuschalten, das die Platzfestigkeit der Rapsschoten kontrolliert. Dies eröffnet neue Perspektiven für die Züchtung von Rapssorten, deren Schoten nicht schon vor oder während der Ernte platzen, was erhebliche Ertragssteigerungen erlauben könnte.

„Wir haben die einmalige Möglichkeit, unsere Pflanzen im Vergleich mit anderen Rapsmutanten anzubauen, die durch zufällige chemische Mutagenese erzeugt worden sind“, sagt Janina Braatz, die als Doktorandin unter der Leitung von Dr. Hans Harloff die CRISPR-Cas Versuche durchgeführt hat. „Während die CRISPR-Cas Pflanzen nur über je eine Mutation an einer präzise vorhergesagten Stelle im Genom verfügen, haben in den herkömmlich mutagenisierten Pflanzen etwa einhunderttausend Mutationen stattgefunden, die bis auf eine einzige unbekannt sind. Derartige Pflanzen haben einen deutlichen Fitnessnachteil und sind nicht für die Sortenzüchtung direkt verwendbar“, so Braatz weiter.

Es wird also erwartet, dass die CRISPR-Cas modifizierten Pflanzen unter Feldbedingungen eine deutlich bessere Leistung zeigen, als die Pflanzen, die durch chemische Mutagenese entstanden sind. Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass polyploide Nutzpflanzen mittels „Genome Editing“ hocheffizient genetisch verändert werden können. Auf diese Weise eröffnen sich völlig neue Perspektiven für die gezielte Veränderung von Pflanzengenomen und somit für die züchterische Verbesserung und damit langfristig für Ertragssteigerungen bei Nutzpflanzen.

Das Forschungsprojekt wurde von der Stiftung Schleswig-Holsteinische Landschaft gefördert.

Originalpublikation:
Janina Braatz, Hans-Joachim Harloff, Martin Mascher, Nils Stein, Axel Himmelbach and Christian Jung. “CRISPR-Cas9 targeted mutagenesis leads to simultaneous modification of different homoeologous gene copies in polyploid oilseed rape (Brassica napus L.)”. Plant Physiology Preview. Published on April 18, 2017, as
DOI:10.1104/pp.17.00426

Es stehen Fotos zum Download bereit:
www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-137-1.jpg
Bildunterschrift: Regeneration von Rapssprossen in der Petrischale nach Crispr-Cas Mutagenese.
Foto: Janina Braatz

www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-137-2.jpg
Bildunterschrift: Blühende Rapspflanzen im Feld.
Foto: Janina Braatz

www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-137-3.jpg
Bildunterschrift: Blühende Rapspflanze, deren ALC Gene durch Crispr-Cas Mutagenese gezielt verändert worden sind.
Foto: Janina Braatz

Kontakt:
Prof. Dr. Christian Jung
Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung, CAU Kiel
Tel: 0431-880-7364
E-Mail: c.jung@plantbreeding.uni-kiel.de

MSc Janina Braatz
Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung, CAU Kiel
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Text / Redaktion: ► Christian Urban

 

Doppelter Fraßschutz unterstützt Pflanzen beim Arterhalt

05.05.2017

CAU-Forschende entdecken neue Abwehrstrategie im heimischen Beinwell

Verschiedene heimische Pflanzen bilden zum Schutz vor dem Gefressenwerden natürliche Gifte aus der Gruppe der sogenannten Pyrrolizidin-Alkaloide. Am bekanntesten ist das Jakobskreuzkraut, dessen massenhafte Verbreitung in Schleswig-Holstein ein Vergiftungsrisiko vor allem für Weidetiere birgt. Pyrrolizidin-Alkaloide spielen aber auch bei der Kontamination von Lebensmitteln eine Rolle, zum Beispiel in Kräutertees oder verschiedenen Honigsorten. Forschende aus der Arbeitsgruppe Biochemische Ökologie und Molekulare Evolution am Botanischen Institut der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben nun mit dem Beinwell (Symphytum officinale) eine andere heimische Pflanze untersucht, die ebenfalls die Alkaloide produziert. Aktuell beginnt in Schleswig-Holstein die Blütezeit des Beinwells, der zum Problem kontaminierter Lebensmittel beitragen kann. Unter der Leitung von Professor Dietrich Ober beschäftigte sich Lars Hendrik Kruse im Rahmen seiner Doktorarbeit mit dem Mechanismus, der im traditionell als Heilpflanze bekannten Beinwell zur Giftbildung führt. Die Forschungsgruppe erkannte dabei, dass die Pflanze in der Nähe des Blütenstandes große Mengen der giftigen Pyrrolizidin-Alkaloide bildet. Ihre Ergebnisse publizierten sie jüngst in der aktuellen Ausgabe des renommierten Fachjournals Plant Physiology.

Aus früheren Untersuchungen war bereits bekannt, dass der Beinwell in der Wurzel Pyrrolizidin-Alkaloide bildet und diese in die oberirdischen Pflanzenteile wie Blätter und Blüten einlagert. „Wir haben entdeckt, dass die Pflanze kurz vor Beginn der Blüte auch einen zweiten Ort zur Bildung der giftigen Alkaloide aktivieren kann“, erklärt Ober, Professor für Biochemische Ökologie und Molekulare Evolution, die Entdeckung seines Teams. Bislang war nicht bekannt, dass der Beinwell auch in kleinen, unscheinbaren Blättern direkt unterhalb des Blütenstandes das Gift bilden kann. 

Die zusätzliche Giftproduktion geschieht kurz bevor die Pflanze erblüht, so dass die dort produzierten Alkaloide auf direktem Weg in die sich öffnenden Blüten gelangen können. Daraus schlossen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, dass die zusätzliche Bildung der Alkaloide direkt mit dem Reproduktionsmechanismus zusammenhängt. „Die Pflanze aktiviert diese alternative Giftbildung offenbar, um ihre Blüten und damit ihre für die Fortpflanzung und das Überleben der Art unverzichtbaren Bestandteile optimal zu schützen“, so Lars Hendrik Kruse. Der Beinwell verfügt also über eine doppelte Abwehrstrategie, die zum einen der gesamten Pflanze einen „Basisschutz“ gewährt, die aber andererseits die Blüten während der Blütezeit zusätzlich gezielt vor Fraßfeinden schützt.

Mit den nun vorliegenden Erkenntnissen trägt das Kieler Forschungsteam dazu bei, die Stoffwechselprozesse, die zur Bildung der giftigen Pyrrolizidin-Alkaloide führen, besser zu verstehen. Die Forschungsergebnisse können damit Verbraucherinnen und Verbraucher künftig bei einer verbesserten Risikoabschätzung unterstützen.

Originalarbeit:
Lars H. Kruse, Thomas Stegemann, Christian Sievert, and Dietrich Ober: 
Identification of a Second Site of Pyrrolizidine Alkaloid Biosynthesis in Comfrey to Boost Plant Defense in Floral Stage, Plant Physiology 2017 174: 47-55.; dx.doi.org/10.1104/pp.17.00265

Bildmaterial steht zum Download bereit:
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Bildunterschrift: Im Mai beginnt die Blütezeit des auch in Schleswig-Holstein häufig vorkommenden Beinwells (Symphytum officinale).
Foto: Dietrich Ober

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Bildunterschrift: Im Labor untersuchte das Kieler Forschungsteam die Stoffwechselprozesse, die der Giftbildung des Beinwells zugrunde liegen.
Foto: Christian Urban, Universität Kiel

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Bildunterschrift: Blattoberfläche einer Beinwell-Pflanze: Sie bildet nicht nur in den Wurzeln, sondern auch in bestimmten Blättern direkt unterhalb des Blütenstandes giftige Alkaloide.
Foto: Christian Urban, Universität Kiel

Kontakt:
Prof. Dietrich Ober
Biochemische Ökologie und Molekulare Evolution
Botanisches Institut und botanischer Garten, CAU
Telefon: 0431 880-4299
E-Mail: dober@bot.uni-kiel.de

Weitere Informationen:
Biochemische Ökologie und Molekulare Evolution (AG Ober), 
Botanisches Institut und botanischer Garten, CAU
http://www.ober.botanik.uni-kiel.de/

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski, Text: Christian Urban
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Neuer Ansatz in der Antibiotikatherapie treibt Krankheitskeime in die Sackgasse

Doktorand Camilo Barbosa untersuchte den Effekt der „kollateralen Sensitivität“, der antibiotikaresistente Bakterien behandelbar machen kann. Foto: Christian Urban, Universität Kiel

01.06.2017

Kieler Forschungsteam nutzt evolutionäres Prinzip zur Entwicklung nachhaltiger Behandlungsformen in der Antibiotikatherapie

Die Weltgesundheitsorganisation WHO warnt immer eindringlicher vor einer dramatischen Antibiotikakrise. Sie befürchtet, dass eine post-antibiotische Ära kurz bevorsteht: Bakterielle Infektionen, die sich früher gut bekämpfen ließen, wären dann nicht mehr behandelbar. Antibiotika-resistente Krankheitskeime könnten laut Vorhersage der WHO binnen weniger Jahre zu den häufigsten Verursachern nicht-natürlicher Todesfälle werden. Diese dramatische Gefahr für die öffentliche Gesundheit beruht auf der schnellen Evolution von Antibiotika-Resistenzen, die das Spektrum wirksamer antibakterieller Medikamente weiter schrumpfen lässt. Die lebenswissenschaftliche Forschung steht vor der Herausforderung, dieser Gefahr mit neuen Behandlungsansätzen möglichst schnell begegnen zu müssen. Neben der Entwicklung neuer antibiotischer Wirkstoffe besteht eine zentrale Strategie der Forschenden darin, die Wirksamkeit der vorhandenen Antibiotika durch neue Therapieansätze zu verbessern.

Die Arbeitsgruppe Evolutionsökologie und Genetik der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) nutzt Erkenntnisse aus der Evolutionsmedizin zur Entwicklung effizienterer Behandlungsansätze. Als Teil des neu gegründeten Kiel Evolution Center (KEC) der CAU untersuchen die Forschenden unter der Leitung von Professor Hinrich Schulenburg, wie sich verschiedene Formen der Antibiotika-Gabe auf die evolutionäre Anpassung der Erreger auswirken. In einer nun gemeinsam mit internationalen Kolleginnen und Kollegen im Fachmagazin Molecular Biology and Evolution veröffentlichten Studie konnten sie belegen, dass beim Krankheitskeim Pseudomonas aeruginosa die Evolution von Resistenz gegen bestimmte Antibiotika gleichzeitig zu einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber anderen Wirkstoffen führt. Dieses Konzept der sogenannten „kollateralen Sensitivität“ eröffnet neue Perspektiven in der Bekämpfung multiresistenter Krankheitserreger.

Camilo Barbosa, Doktorand in Schulenburgs Arbeitsgruppe, untersuchte gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen, welche Antibiotika nach Resistenzbildung zu wechselseitigen Sensitivitäten führen können. Dazu führten sie im Labor ein Evolutionsexperiment mit dem Erreger Pseudomonas aeruginosa durch. Dieses Bakterium ist häufig multiresistent und besonders für immungeschwächte Patientinnen und Patienten bedrohlich. Im Experiment wurde der Erreger in 12-stündigen Intervallen immer höheren Dosierungen von acht verschiedenen Antibiotika ausgesetzt. Als Konsequenz entwickelte das Bakterium jeweils eine Resistenz gegenüber den verschiedenen Wirkstoffen. Im nächsten Schritt testeten die Forschenden, wie sich die resistenten Erreger gegenüber anderen Wirkstoffen verhielten, mit denen sie bis dahin nicht in Kontakt gekommen waren. So konnten sie feststellen, welche Resistenzbildungen zugleich eine Empfindlichkeit gegen einen anderen Wirkstoff mit sich brachten.

Als besonders effektiv stellte sich die Kombination von Antibiotika heraus, die unterschiedliche Wirkmechanismen aufweisen – insbesondere aus den Klassen der Aminoglykoside und Penicilline. Die Untersuchung der genetischen Grundlagen dieser Resistenzbildungen zeigte, dass drei spezifische Gene des Bakteriums dafür sorgten, dass es zugleich resistent und anfällig wird. „Durch den kombinierten oder abwechselnden Einsatz von Antibiotika mit wechselseitigen Sensitivitäten lassen sich die Keime potentiell in eine evolutionäre Sackgasse treiben: Sobald sie gegen das eine resistent werden, sind sie empfindlich gegen das andere und umgekehrt“, fasst Schulenburg die Bedeutung der vorliegenden Arbeit zusammen. Diese neuen Ergebnisse aus dem Labor machten Hoffnung: Eine gezielte Kombination der noch wirksamen Antibiotika könnte zumindest für eine Atempause im Kampf gegen die sehr problematischen Resistenzbildungen sorgen, so Schulenburg weiter.

Originalarbeit:
Camilo Barbosa, Vincent Trebosc, Christian Kemmer, Philip Rosenstiel, Robert Beardmore, Hinrich Schulenburg and Gunther Jansen (2017): Alternative Evolutionary Paths to Bacterial Antibiotic Resistance Cause Distinct Collateral Effects. Molecular Biology and Evolution
doi.org/10.1093/molbev/msx158

Es stehen Fotos/Materialien zum Download bereit:

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Bildunterschrift: Der Krankheitserreger Pseudomonas aeruginosa während des Evolutionsexperiments im Labor.
Abbildung: Camilo Barbosa/Dr. Philipp Dirksen

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Bildunterschrift: Doktorand Camilo Barbosa untersuchte den Effekt der „kollateralen Sensitivität“, der antibiotikaresistente Bakterien behandelbar machen kann.
Foto: Christian Urban, Universität Kiel

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Bildunterschrift: Das Forschungsteam untersuchte insgesamt 180 Bakterienpopulationen des Erregers Pseudomonas aeruginosa.
Foto: Christian Urban, Universität Kiel

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Bildunterschrift: Die Bakterien wurden resistent gegen bestimmte Antibiotika, zugleich aber empfindlich gegenüber anderen Wirkstoffen.
Foto: Christian Urban, Universität Kiel

Kontakt:
Prof. Hinrich Schulenburg
Sprecher „Kiel Evolution Center“ (KEC), CAU Kiel
Tel.: 0431-880-4141
E-Mail: hschulenburg@zoologie.uni-kiel.de

Weitere Informationen:
Forschungszentrum „Kiel Evolution Center“, CAU Kiel:
www.kec.uni-kiel.de

Arbeitsgruppe Evolutionsökologie und Genetik, Zoologisches Institut, CAU Kiel:
www.uni-kiel.de/zoologie/evoecogen

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Text / Redaktion: ► Christian Urban

Neuer Schutz vor verbreiteter Zuckerrüben-Krankheit

06.06.2017

Die Ernährungssicherheit hängt angesichts des rasanten Anstiegs der Weltbevölkerung künftig von wachsenden landwirtschaftlichen Erträgen ab. Seit jeher ist der Pflanzenbau allerdings von verschiedenen Pflanzenschädlingen bedroht, die schlimmstenfalls für umfangreiche Ernteausfälle sorgen können. Die Zuckerrübe spielt in Europa und speziell in Norddeutschland eine wichtige wirtschaftliche Rolle. Ihr Anbau ist jedoch immer stärker durch das Auftreten einer als Rizomania bezeichneten Pflanzenkrankheit bedroht. Das durch bodenlebende Pilze übertragene Virus ist weltweit für bis zu 80 Prozent der Ertragsverluste beim Zuckerrübenanbau verantwortlich. Rizomania lässt sich nicht mit herkömmlichen Schutzmethoden, zum Beispiel durch Pflanzenschutzmittel, bekämpfen. 

Eine seit Jahrzehnten eingesetzte Strategie gegen die dadurch verursachten Ertragseinbußen sind sogenannte Resistenzzüchtungen der Nutzpflanzen: In der Landwirtschaft kommen aktuell vor allem Zuckerrübensorten zum Einsatz, in die eine Resistenz gegenüber Rizomania gezüchtet wurde. Dem Krankheitserreger gelingt es aber in den letzten Jahren immer öfter, den in diesen Rüben vorhandenen Resistenzmechanismus zu überwinden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern vom Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) gelang es nun gemeinsam mit Forschenden der Universität Bielefeld und weiteren internationalen Expertinnen und Experten, ein in Wildpopulationen der Zuckerrübe vorkommendes Rizomania-Resistenzgen zu identifizieren, das für eine alternative Resistenzbildung verantwortlich ist. Die neu erlangte Kenntnis ihres genetischen Ursprungs macht diese zweite Resistenz nun gezielt für die Pflanzenzüchtung nutzbar. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forschenden heute in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Nature Communications.

Die zweite Resistenz gegen das Virus war bereits bekannt und ist auch in manchen bestehenden Rübensorten vorhanden. Daher konnte auch beobachtet werden, dass das Virus diese zweite Art der Resistenz bisher nicht überwinden konnte. Die Rübensorten, die diesen alternativen Schutz aufweisen, bringen allerdings in der Regel weniger Ertrag als die gängigen Sorten. Daher werden sie in der Landwirtschaft kaum genutzt. Bislang unbekannt war allerdings, welches Gen den zweiten Resistenzmechanismus steuert. Die Identifizierung des verantwortlichen Gens erlaubt es nun, die zweite Resistenz gezielt für die Sortenzüchtung zu nutzen. Für die Genidentifizierung nutzen die Forschenden nicht wie sonst üblich im Labor gezüchtete, künstliche Populationen der Rübe. Stattdessen widmeten sie sich dem Genom, also den gesamten genetischen Informationen, einer in Dänemark vorkommenden Wildpopulation der Zuckerrübe. Ihre Unempfindlichkeit gegenüber Rizomania war den Forschenden bereits bekannt. 

Sie konzentrierten sich auf ein spezielles Wildrübenvorkommen, das in der Küstenregion um Kalundborg auf der dänischen Insel Seeland vorkommt. "Interessanterweise haben wir festgestellt, dass resistente und anfällige Wildrüben dort auf einer Strecke von 15 Kilometern nebeneinander vorkommen", sagt Dr. Gina Capistrano-Gossmann vom Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung an der CAU. "Resistente Pflanzen haben dort also keinen Vorteil gegenüber anfälligen Pflanzen, da der Boden nicht mit dem Rizomania-Virus infiziert ist", erklärt Capistrano-Gossmann, die Erstautorin der Studie. 

Um die genetische Grundlage der Resistenzbildung in diesen Wildrüben zu entschlüsseln, setzte das Forschungsteam einen innovativen Ansatz zur Gewinnung genetischer Ressourcen aus natürlichen Wildpflanzenpopulationen ein. "Durch die Kombination von Sequenzvergleichen von wenigen resistenten und anfälligen Wildrüben mit einer Assoziationsanalyse in der gesamten Wildrübenpopulation konnte die Lage des bislang unbekannten Resistenz-Gens im Genom eingegrenzt werden", sagt Professor Bernd Weisshaar von der Universität Bielefeld, der die bioinformatische Auswertung der Studie leitete. Die Kenntnis der Gen-Sequenz, die für die Resistenzbildung verantwortlich ist, erlaubt es nun direkt zwischen resistenten und anfälligen Jungpflanzen zu unterscheiden. Außerdem ist es möglich, die von dieser Sequenz kontrollierte Resistenzreaktion der Zuckerrüben auf molekularer Ebene zu untersuchen. 

Die neuen Erkenntnisse der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler liefern eine Basis für weitere Forschungsarbeiten und ebenso für die praktische Nutzung in der Zuckerrübenzüchtung. In Zukunft könnten der Landwirtschaft damit Rübensorten zur Verfügung stehen, die zuverlässig unempfindlich gegenüber Rizomania sind. Der Ursprung dieser Resistenz in den Wildpflanzen unterstreicht nicht zuletzt, welches Potenzial in der Bewahrung der natürlichen Biodiversität und ihres genetischen Pools steckt. Dieses bleibe nur durch den Schutz der Wildpflanzenvorkommen nutzbar, die es also zum Beispiel in Schutzgebieten zu erhalten gelte, resümieren die Forschenden.

Das Forschungsprojekt wurde durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) und das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

Originalpublikation:
Gina Capistrano-Gossmann, David Ries, Daniela Holtgräwe, Andre Minoche, Thomas Kraft, Sebastian Frerichmann, Thomas Rosleff Sörensen, Juliane Dohm, Irene Gonzalez, Markus Schilhabel, Mark Varrelmann, Hendrik Tschoep, Hubert Uphoff, Katia Schütze, Dietrich Borchardt, Otto Toerjek, Wolfgang Mechelke, Jens Lein, Axel Schechert, Lothar Frese, Heinz Himmelbauer, Bernd Weisshaar, and Friedrich Kopisch-Obuch. "Crop wild relative populations of Beta vulgaris allow direct mapping of agronomically important genes". Nature Communications, Published on June 6, 2017, as DOI:10.1038/NCOMMS15708

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Von Rizomania befallene Zuckerrüben (links und Mitte) und ein gesundes Exemplar im Vergleich. 
Foto: Dr. Bernd Holtschulte
 

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Rizomania-infizierte Pflanzen zeigen eine typische Blattvergilbung (Mittelreihe). Die resistenten Zuckerrüben zeigen dagegen keine Symptome. 
Foto: Dr. Bernd Holtschulte
 

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An der dänischen Küste in der Region Kalundborg wachsen wilde Rüben, deren Gene das Forschungsteam nun analysierte. Foto: Dr. Friedrich Kopisch-Obuch
 

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Dr. Gina Capistrano-Gossmann, die Erstautorin der Studie, untersucht ein natürliches Rübenvorkommen. Foto: Dr. Gina Capistrano-Gossmann
 

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Dr. Gina Capistrano-Gossmann
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Prof. Dr. Bernd Weisshaar
Lehrstuhl für Genomforschung, Universität Bielefeld
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Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
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Text / Redaktion: Christian Urban

Darmflora könnte Artbildung beeinflussen

25.03.2015

Wir sind nicht allein. Und das waren wir auch nie: Bakterien besiedelten die Erde lange vor vielzelligen Organismen und beeinflussten deren Evolution von Anbeginn. Dabei könnten sogar neue Arten entstehen. In einer neuen Studie untersuchten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Exzellenzclusters „Entzündungsforschung“ die Bakteriengemeinschaften im Darm zweier Mäuse-Unterarten und ihrer Mischlinge.

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Kieler Forschungsteam entschlüsselt Erbgut des Kieler Erregers

25.03.2015

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) ist es erstmalig gelungen, das Erbgut des Ausbruchsstamms Acinetobacter baumannii zu entschlüsseln. Dabei handelt es sich um einen multiresistenten Erreger, gegen den alle vier wesentlichen Gruppen von Antibiotika nicht mehr wirken (4MRGN).

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Giftige Symbiose

25.03.2015

Kieler Studie zeigt: Mikrobe des Jahres verantwortlich für Pflanzengifte

Eine Arbeitsgruppe der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) um den Professor Dietrich Ober hat herausgefunden, dass Symbiosen von Pflanzen und Bakterien nicht nur, wie bisher vermutet, für die Bindung von Nährstoffen, sondern auch für die Produktion von Pflanzengiften verantwortlich sein können.

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Live aus dem Labor der Evolution

05.06.2015

Studie zur Koevolution zwischen Wirt und Krankheitserregern wirft neues Licht auf Evolutionsdynamik

Jedes Jahr treten neuen Grippe- und Erkältungserreger auf und problematische Krankheitserreger wie zum Beispiel Ebola sorgen in regelmäßigen Abständen für globale Beunruhigung. Der Schlüssel für ein besseres Verständnis von Krankheitsepidemien liegt in der Veränderlichkeit und damit in der Evolution der verursachenden Krankheitserreger.Hier weiterlesen...

Fadenwürmer reisen per Anhalter

13.07.2015

2015-263-1.jpgKieler Forschungsgruppe erforscht natürliche Lebensweise von Caenorhabditis elegans


Winzige Fadenwürmer zum Beispiel der Art Caenorhabditis elegans nutzen bei der Nahrungssuche Nacktschnecken und andere Wirbellose als Transportmittel. Dies fand eine Gruppe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) nun heraus. Die etwa einen Millimeter langen Tiere leben meist in kurzlebigen Umgebungen, wie beispielsweise in verrottenden Früchten oder anderem Pflanzenmaterial. Hier weiterlesen...

Neue Strategie in der Bekämpfung von Antibiotika-resistenten Krankheitskeimen

16.10.2015

Schneller Wechsel in der Medikamentengabe hemmt die Ausbildung von Resistenzen


Die schnelle Evolution von Antibiotika-Resistenzen stellt eine zunehmend dramatische Gefahr für die öffentliche Gesundheit dar. In weniger als 20 Jahren könnten Antibiotika-resistente Krankheitskeime zu den häufigsten Verursachern nicht-natürlicher Todesfälle gehören. Die Medizin steht somit vor der gewaltigen Herausforderung die erfolgreiche Behandlung von bakteriellen Infektionen weiterhin zu gewährleisten - trotz eines immer kleiner werden Spektrums wirksamer Antibiotika. Jüngste Forschungsergebnisse einer Gruppe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) zeigen nun Möglichkeiten auf, wie die Wirksamkeit der noch zur Verfügung stehenden Antibiotika länger erhalten werden kann. Weiter lesen...

Pilze aus dem Meer enthalten vielversprechende Wirkstoffe gegen Krebs

28.10.2015

fmath-botan-inst.pngKieler Forschungsteam identifiziert Pilz-Gene, die krebshemmende Wirkstoffe ausbilden können

Der Ozean ist bis heute einer der am wenigsten erforschten Lebensräume unseres Planeten. Forschende vermuten ein riesiges Erkenntnispotenzial in den Meeren und suchen dort deshalb auch nach neuartigen Wirkstoffen zur Krankheitsbekämpfung. Im EU-Projekt „Marine Fungi“ haben internationale Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter Beteiligung der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und des GEOMAR Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung Kiel nun systematisch nach solchen Stoffen speziell in Pilzen aus dem Meer gesucht. Ein besonders vielversprechendes Ergebnis ist die Identifizierung der Gene eines solchen Pilzes, die für die Bildung von zwei krebshemmenden Stoffen, sogenannten zyklischen Peptiden, verantwortlich sind. Ein Forschungsteam um Professor Frank Kempken, Leiter der Abteilung für Botanische Genetik und Molekularbiologie an der CAU, veröffentlichte die neuartigen Erkenntnisse nun in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins PLOS Biology. Weiter lesen...

Warum Japanerinnen und Japaner länger leben

13.11.2015

Kieler Forschungsteam zeigt positiven Einfluss bioaktiver Pflanzenstoffe in Grüntee und Soja auf die Lebensspanne

Ein Forschungsteam vom Institut für Humanernährung und Lebensmittelkunde an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat vielversprechende Zusammenhänge zwischen zwei sekundären Pflanzenstoffen, den sogenannten Catechinen und Isoflavonen, und der Lebenserwartung entdeckt. Die zugrunde liegenden Forschungsarbeiten der Kieler Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erschienen jüngst in den beiden Fachmagazinen Oncotarget und The FASEB Journal. Weiter lesen...

Die Vielfalt im Innern des Wurms

18.05.2016

fmath-botan-inst.pngKieler Forschungsteam zeigt am Beispiel von Fadenwürmern die Bedeutung einer natürlichen Bakterienbesiedelung

Er ist einer der am besten erforschten Modellorganismen der Biologie: Der winzige Fadenwurm oder Nematode der Art Caenorhabditis elegans dient Forschenden seit Jahrzehnten zur Untersuchung von zum Beispiel Entwicklungsprozessen und Funktionsweise des Nervensystems. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit nutzen dazu eine bestimmte, stark an die Laborumgebung angepasste C. elegans-Variante, die unter diesen Bedingungen keinerlei Bakterienbesiedlung aufweist. Weiter lesen...

Versteckter Sicherheitsschalter: Neue Erkenntnisse zu Todesrezeptoren bei Krebszellen

10.06.2015

Ein besseres molekulares Verständnis der Rolle von sogenannten Todesrezeptoren in der Krebsentstehung, die insbesondere Bauchspeicheldrüsenkrebs besonders aggressiv und fast immer tödlich verlaufen lassen – das ist das Ziel von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern am Institut für Experimentelle Tumorforschung an der Medizinischen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Die Arbeitsgruppe unter der Leitung von Professorin Anna Trauzold und Professor Holger Kalthoff beschäftigt sich seit mehr als zehn Jahren mit diesen Todesrezeptoren, die in fast allen Körperzellen und prinzipiell auch in Krebszellen für das kontrollierte Absterben der Zelle, den programmierten Zelltod, sorgen können. Weiter lesen...

Mutationen an- und wieder ausschalten

12.04.2016

fmath-botan-inst.pngKieler Forschungsteam erleichtert mit neuem Verfahren funktionale Genomik

Schimmelpilze werden vor allem mit diversen gesundheitlichen Risiken in Verbindung gebracht. Sie spielen auch eine weniger bekannte, für die Biotechnologie aber besonders wichtige Rolle. Der Schimmelpilz Aspergillus niger zum Beispiel dient seit rund 100 Jahren der industriellen Gewinnung von Zitronensäure, die in vielen Nahrungsmitteln als konservierender Zusatzstoff enthalten ist. Um die genetischen Mechanismen zu erkunden, die Aufschluss über das mögliche Anwendungsspektrum von Schimmelpilzen und ihrer Stoffwechselprodukte geben können, hat ein Forschungsteam der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen von der niederländischen Universität Leiden nun ein neues Verfahren entwickelt. Weiter lesen...

Neue Gene für Herzfehler entdeckt

07.09.2016

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Eine internationale Forschergruppe hat drei neue Gene gefunden, die bei der Entstehung angeborener Herzfehler eine Rolle spielen. Die Wissenschaftler haben außerdem neue Erkenntnisse darüber gewonnen, welche Arten von Herzfehlern vererbt werden und welche durch neu aufgetretene Genveränderungen verursacht werden. Diese Ergebnisse helfen, die genetische Beratung von betroffenen Familien zu verbessern. Das Konsortium unter Beteiligung des Wellcome Trust Sanger Institutes, des Kompetenznetzes Angeborene Herzfehler, des Deutschen Zentrums für Herz-Kreislauf-Forschung (DZHK) und der Klinik für angeborene Herzfehler und Kinderkardiologie, Medizinische Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, berichtet darüber in der aktuellen Ausgabe von Nature Genetics. Weiter lesen...

Neue Einblicke in den Stammbaum des Lebens

16.02.2017

CAU-Mikrobiologie liefert grundlegende Erkenntnisse zur Rolle der Urbakterien in der Evolution

Um die Vielfalt des Lebens zu beschreiben, unterscheidet die Wissenschaft zum Beispiel nach dem Tier- oder Pflanzenreich. Außerdem wird sie auch in drei grundlegende Kategorien oder auch Domänen unterteilt: Die erste umfasst Lebewesen, die einen Zellkern besitzen, die Domäne der sogenannten Eukarya. Die beiden weiteren Domänen beinhalten zum einen die Urbakterien, auch Archaea genannt, zum anderen die Bakterien. Lebewesen dieser beiden Domänen besitzen keinen Zellkern. Die Domäne der Archaeen nimmt dabei eine Sonderstellung ein, da sie Merkmale sowohl der Eukarya als auch der Bakterien trägt. Aus welcher der beiden ursprünglicheren Domänen sich die eukaryotische Zelle und damit höhere Lebewesen einschließlich der Wirbeltiere im Laufe der Evolution entwickelt haben, wird bis heute kontrovers diskutiert. Kürzlich gefundene deutliche Hinweise legen nahe, dass sich die Eukarya aus der Domäne der Archaeen entwickelt haben könnten. Forschende vom Institut für Allgemeine Mikrobiologie der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) konnten zeigen, dass Archaeen ihre Erbinformationen auf sehr ähnliche Weise ablesen, um sie in Proteine umzusetzen, wie es auch Eukarya tun. Dies unterstützt die Theorie über den Ursprung der Eukarya in der Domäne der Archaeen. Die neuartigen Forschungsergebnisse veröffentlichte das Team um Professorin Ruth Schmitz-Streit von der CAU gemeinsam mit Professor Rotem Sorek vom Weizmann Institute of Science aus Rehovot, Israel, jüngst in der Fachzeitschrift Nature microbiology.

Der Schlüssel zu diesen neuen Erkenntnissen liegt in der Untersuchung der Transkription, also dem Ablesevorgang der genetischen Information. Im Laufe dieses Prozesses wird die sogenannte Boten-Ribonukleinsäure (mRNA) gebildet, deren Aufgabe die Umsetzung von genetischer Information in Proteine ist. Im Hinblick auf diese Vorgänge untersuchten die Forschenden die beiden Archaeen-Arten Methanosarcina mazei und Sulfolobus acidocaldarius

mittels genomweiter Analysen. Insbesondere das Ende des Transkriptionsvorgangs ist aufschlussreich: Bakterien weisen hier nach dem für die Codierung der Proteine zuständigen Teil nur eine sehr kurze Endsequenz auf. Die nun vorliegende Studie zeigt, dass Archaeen demgegenüber eine ähnlich lange Endsequenz der mRNA aufweisen, wie es auch bei Eukarya der Fall ist. Die vermeintlich unbeteiligten Enden der mRNA tragen also möglicherweise auch bei Archaeen zur Genregulation bei. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler konnten zudem belegen, dass über 30 Prozent der Archaeen-Gene durch eine Reihe aufeinanderfolgender alternativer Terminations-Signale in der Transkription kontrolliert werden können. In Abhängigkeit von den Umweltbedingungen entstehen also jeweils unterschiedlich lange Endsequenzen.

Die neuartigen Erkenntnisse legen einerseits die evolutionäre Nähe von Archaeen und Eukarya nahe. Andererseits weisen sie darauf hin, dass die langen und wandelbaren Endsequenzen der Archaeen auch funktionale Bedeutung haben müssen. Damit eröffnet sich ein gänzlich neues Betätigungsfeld in der Mikrobiologie, betont Schmitz-Streit: „Bislang war schlicht nicht bekannt, dass Archaeen solch lange Transkriptions-Endsequenzen besitzen. Zum einen werden so Einblicke in die evolutionäre Entwicklung des Lebens möglich. Vor allem betreten wir mit der Erforschung ihrer Funktionen wissenschaftliches Neuland und erhoffen uns überraschende neue Erkenntnisse über die Regulation bei Archaeen auf posttranskriptionaler Ebene.“

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Die methanproduzierende Archaeen-Art Methanosarcina mazei ist ein in der Mikrobiologie häufig verwendeter Modellorganismus.
Abbildung: Andrea Ulbricht
 

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Originalarbeit:

Daniel Dar, Daniela Prasse, Ruth A. Schmitz & Rotem Sorek (2016): Widespread formation of alternative 3? UTR isoforms via transcription termination in archaea. Nature Microbiology

dx.doi.org/10.1038/nmicrobiol.2016.143

 

Kontakt:

Prof. Ruth Schmitz-Streit
Molekularbiologie der Mikroorganismen,
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU
Telefon: 0431 880-4334 E-Mail: rschmitz@ifam.uni-kiel.de

 

Weitere Informationen 

Molekularbiologie der Mikroorganismen (AG Schmitz-Streit),
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU
www.mikrobio.uni-kiel.de/de/ag-schmitz-streit

 

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Text / Redaktion: ► Christian Urban

Das Zittern liegt in den Genen

16.02.2017

Zu viel Kaffee oder eine aufregende Situation können auch bei gesunden Menschen zu einem fühlbaren und sichtbaren Zittern (Tremor) der Hände führen. Ungefähr jeder hundertste Mensch leidet aber an andauerndem und stärker ausgeprägtem Zittern, was das Krankheitsbild des Essentiellen Tremors (ET) bestimmt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Medizinischen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben in Kooperation mit internationalen Arbeitsgruppen in einer groß angelegten Studie nach möglichen Ursachen des ET gesucht und konnten drei Gene identifizieren, die mit dem Zittern in Verbindung stehen. Die Ergebnisse der Studie erscheinen heute (Freitag, 21. Oktober) in der renommierten Fachzeitschrift „Brain“.

Ein ET kann in jedem Alter beginnen und nicht nur die Hände, sondern auch andere Körperteile wie den Kopf, die Beine und sogar die Stimme erfassen. Mit steigendem Alter nimmt dabei fast immer die Intensität des Zitterns zu und beeinträchtigt Patientinnen und Patienten bei alltäglichen Tätigkeiten wie Trinken, Schreiben und anderen feinmotorischen Handlungen. Über die genauen Ursachen und den Entstehungsprozess des ET ist bisher kaum etwas bekannt.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Klinik für Neurologie, Medizinische Fakultät der CAU und Universitätsklinikum Schleswig-Holstein (UKSH), konnten in Zwillingsstudien bereits zeigen, dass der ET eine hohe Erblichkeit aufweist, allerdings bei den meisten Betroffenen genetisch komplex ist. „Als genetisch komplex bezeichnen wir eine Krankheitsentstehung, wenn genetische Risikofaktoren mit zusätzlichen Umweltfaktoren zusammenwirken“, erklärt Professor Gregor Kuhlenbäumer, Studienleiter an der Klinik für Neurologie. „In solchen Fällen finden wir oft keine direkte Vererbung der Erkrankung von Eltern auf ihre Kinder.“

In der nun veröffentlichten, groß angelegten Studie, unter Leitung der Klinik für Neurologie und des Montreal Neurological Institute, wurde der ET erstmals umfassend molekulargenetisch an fast 3000 Patientinnen und Patienten sowie 7000 Kontrollfällen aus zahlreichen europäischen, kanadischen und amerikanischen Studienzentren untersucht. „Wir konnten tatsächlich drei Gene identifizieren, von denen wir glauben, dass sie ursächlich für die Erkrankung sind“, sagt Kuhlenbäumer. „Um als gesichert zu gelten, müssen diese Ergebnisse nun allerdings in weiterführenden, unabhängigen Untersuchungen noch bestätigt werden.“

Die drei identifizierten Gene (STK32B, PPARGC1A und CTNNA3) könnten eine große Bedeutung für die Tremorforschung haben. „Wenn sich die Befunde bestätigen, so haben wir erstmals einen Anhaltspunkt, an dem wir mit biochemischen und experimentellen Methoden anknüpfen können, um mehr über die Entstehung des Zitterns zu erfahren“, sagt Kuhlenbäumer. Denn allein in Deutschland leiden etwa eine Million Menschen an ET. Die medikamentöse Therapie der Erkrankung ist allerdings nur bei ungefähr der Hälfte aller Patientinnen und Patienten erfolgreich und kann bei ihnen das Zittern auch nicht heilen, sondern nur lindern. Weltweit ist die Kieler Klinik für Neurologie in der Erforschung, Diagnostik und Therapie von Tremorkrankheiten führendes Zentrum.


Originalpublikation:
Genome-Wide Association Study in Essential Tremor Identifies Three New Loci (2016). Stefanie H. Müller, Simon L. Girard, Franziska Hopfner, Nancy D. Merner, Cynthia V. Bourassa, Delia Lorenz, Lorraine N. Clark , Lukas Tittmann, Alexandra I. Soto-Ortolaza, Stephan Klebe, Mark Hallett, Susanne A. Schneider, Colin A. Hodgkinson, Wolfgang Lieb, Zbigniew K. Wszolek, Manuela Pendziwiat, Oswaldo Lorenzo-Betancor, Werner Poewe, Sara Ortega-Cubero, Klaus Seppi, Alex Rajput, Anna Hussl, Ali H. Rajput, Daniela Berg, Patrick A. Dion, Isabel Wurster, Joshua M. Shuman, Karin Srulijes, Dietrich Haubenberger, Pau Pastor, Carles Vilariño-Güell, Ronald B. Postuma, Geneviève Bernard, Karl-Heinz Ladwig, Nicolas Dupré, Joseph Jankovic, Konstantin Strauch, Michel Panisset, Juliane Winkelmann, Claudia M. Testa, Eva Reischl, Kirsten E. Zeuner, Owen A. Ross, Thomas Arzberger, Sylvain Chouinard, Günther Deuschl, Elan D. Louis, Gregor Kuhlenbäumer, Guy A. Rouleau. Brain (2016).
DOI: 10.1093/brain/aww242

Kontakt:
Prof. Gregor Kuhlenbäumer
Klinik für Neurologie
Tel.: 0431/597-8806
E-Mail: g.kuhlenbaeumer@neurologie.uni-kiel.de



Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
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Text / Redaktion: Dr. Ann-Kathrin Wenke

Neue Einblicke in die Evolution des Stoffwechsels

16.02.2017

Abbildung: Axel Scheidig
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In heißen Quellen, Geysiren und schwarzen Rauchern leben Urbakterien, auch Archaea genannt. Sie leben häufig unter extremen Umweltbedingungen und bevorzugen zum Beispiel hohe Temperaturen. Die Art Pyrococcus furiosus gehört zu diesen ursprünglichsten Lebewesen. Die Teams um den Mikrobiologen Professor Peter Schönheit und um den Strukturbiologen Professor Axel Scheidig, beide Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU), analysierten den Zuckerstoffwechsel dieser Archaeen-Art. Dabei fanden sie den bislang unbekannten Mechanismus heraus, durch den die Umwandlung energiereicher Verbindungen, sogenannte Thioester, in Adenosintriphosphat (ATP, dem universellen Energieüberträger aller Lebewesen) ermöglicht wird. Die Entdeckung des Katalysemechanismus erlaubt neue Einblicke in die evolutionäre Entwicklung des Stoffwechsels. Die Forschenden veröffentlichten ihre Ergebnisse kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS).

Beim Stoffwechsel machen Enzyme die Arbeit, so auch in Archaeen. Die sogenannten Acetyl-Coenzym A Synthetasen unter ihnen haben sich die Kieler Forscher genauer angeschaut. Denn sie ermöglichen die Übertragung eines Stoffwechselprodukts (aktiviertes Phosphat) zwischen zwei räumlich getrennten aktiven Zentren, um ATP zu bilden. Seit Beginn der Charakterisierung dieser Enzyme war es ein Rätsel, wie der Übergang funktioniert. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gingen seit über zehn Jahren davon aus, dass das aktivierte Phosphat durch eine Art Schwingen vom einen zum anderen Zentrum gelangt. Diese These konnte aber bislang nicht nachgewiesen werden.

Mithilfe eines speziellen Verfahrens zur Darstellung der Kristallstruktur, der sogenannten Röntgendiffraktion, ist es den Kieler Forschungsteams erstmals gelungen, die dreidimensionale Architektur der Acetyl-Coenzym A Synthetase nachzuvollziehen. Mit Hilfe von neun unterschiedlichen Kristallen konnten sie Momentaufnahmen des Enzyms während der Katalyse aufnehmen und damit den sich umlagernden Proteinbereich sichtbar machen. Mit dieser Methode konnten sie sehen, dass ein Proteinsegment im Enzym das aktivierte Phosphat (~P) überträgt. Die lang diskutierte Hypothese des Schleifen-Schwingens (‚loop swinging‘) zwischen den aktiven Zentren konnte damit bewiesen werden. „Die von uns entschlüsselten Strukturen liefern wichtige Erkenntnisse für den Katalysemechanismus dieser ungewöhnlichen Enzymklasse“, freuen sich Professor Schönheit und Professor Scheidig über die Entdeckung.

Ausgehend von ihrer Arbeit versuchen die Forschenden nun, die Enzyme, die auch in pathogenen Mikroorganismen vorkommen, weiter zu charakterisieren. Schönheit: „Unser Wunschziel ist es, dieses für den Energiehaushalt wesentliche Enzym gezielt ausschalten zu können und damit die krankheitserregenden Organismen im menschlichen Körper wirksam zu bekämpfen.“

Originalarbeit:
Weiße, R. H.-J., Faust, A., Schmidt, M. C., Schönheit, P., Scheidig, A. J. (2016). Structure of NDP forming acetyl-coenzyme A synthetase ACD1 reveals large rearrangement for phosphoryl-transfer. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 113:519-528 DOI: 10.1073/pnas.1518614113
www.pnas.org/content/113/5/E519

Weitere Informationen über die Besonderheiten der Archaeen gibt es in der unizeit:
www.uni-kiel.de/unizeit/index.php?bid=340102&light=sch%F6nheit

Es stehen Fotos/Materialien zum Download bereit:
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Peter Schönheit und Axel Scheidig erforschten die Umwandlung energiereicher Verbindung in Urbakterien. In den Händen halten die Wissenschaftler ein Modell des Acetyl-Coenzyms A.
Foto/Copyright: Raissa Nickel, Uni Kiel
 

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Die Art Pyrococcus furiosus gehört zu den ursprünglichsten Lebewesen.
Abbildung: Dr. Annett Bellack, Universität Regensburg
 

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Die Struktur Acetyl-Coenzym A Synthetase zeigt einen ursprünglichen Energiewandler in der frühen Evolution des Stoffwechsels.
Abbildung: Axel Scheidig
 

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Kontakt:

 

Prof. Dr. Peter Schönheit
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU
Telefon: 0431 880-4328
E-Mail: peter.schoenheit@ifam.uni-kiel.de

 

Prof. Dr. Axel Scheidig
Zentrum für Biochemie und Molekularbiologie an der CAU
Telefon: 0431/880-4286
E-Mail: axel.scheidig@strubio.uni-kiel.de

 

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Text / Redaktion: ► Raissa Nickel

Genom der alten Kulturpflanze Quinoa entschlüsselt

Die tropische Pflanze Quinoa hat ihre Blühzeit an kurze Tage angepasst. Kieler Forschende wollen gemeinsam mit einer Gruppe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unter anderem von der King Abdullah University (Saudi Arabien) die Genvarianten suchen, die ein Erblühen bei langen Tagen ermöglichen. Copyright: Linda Polik

16.02.2017

Quinoa ist eine der ältesten Kulturpflanzen. Sie stammt aus der Andenregion und wurde dort schon vor Jahrtausenden angebaut. In den vergangenen Jahrhunderten geriet sie aber in Vergessenheit. Erst seit kurzem ist Quinoa wieder in das Zentrum des wissenschaftlichen Interesses gerückt, denn die Samen bilden Inhaltsstoffe mit sehr hoher ernährungsphysiologischer Qualität. Außerdem können die Pflanzen auch unter unvorteilhaften Umweltbedingungen wie Trocken- und Salzstress wachsen. Unter der Leitung von Professor Mark Tester von der König-Abdullah-Universität für Wissenschaft und Technologie in Djiddah (Saudi-Arabien) wurde das Quinoa-Genom entschlüsselt und die Forschungsergebnisse in der aktuellen Online-Ausgabe des Fachmagazins „Nature“ veröffentlicht. An dem Projekt waren insgesamt 33 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus vier Kontinenten beteiligt, darunter auch von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU).  
 
„Quinoa war eine Hauptkulturart der alten Anden-Zivilisationen, aber nach der Eroberung durch die Spanier verlor sie stark an Bedeutung. Das bedeutet, dass Quinoa nie vollständig domestiziert wurde und ihr genetisches Potenzial trotz des ausgewogenen Verhältnisses an positiven Inhaltsstoffen bis heute nicht ausgeschöpft wurde”, sagt Professor Tester. 
 
Für die Sequenzierung wurde eine neuartige Methode verwendet, die es erlaubt, sehr große Fragmente zu sequenzieren. Damit konnte eine annährend vollständige Sequenz erstellt werden, die auf den Chromosomen verankert wurde. Die hohe Qualität dieser Sequenz erlaubte es, züchterisch bedeutende Gene zu identifizieren und zu charakterisieren. „Dies wird eine zielgerichtete Züchtung zur Verbesserung des genetischen Potenzials stark beschleunigen“, erklärt Professor Christian Jung, der gemeinsam mit Dr. Nadine Dally, beide vom Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung der Kieler Universität, an dem Forschungsprojekt beteiligt war.
 
Ein Problem bei der Nutzung der Kulturpflanze sei die Bildung eines Bitterstoffs (Saponin) in den Samen: „Wir haben die dafür verantwortlichen Gene identifiziert und können nun zielgerichtet Saponin-freie Pflanzen züchten“, ergänzt Tester. Außerdem stehe die Selektion kurzstrohiger Typen mit besserer Standfestigkeit auf dem Programm. Derartige Pflanzen sind dann in der Lage, mehr Samen zu produzieren, ohne umzuknicken. 
 
Für die Kieler Forscherinnen und Forscher ist besonders der Zeitpunkt der Blüte von Interesse. „Wir denken auch über den Anbau von Quinoa in Mitteleuropa nach“, sagt Dally. „Dafür ist es aber notwendig den Blühzeitpunkt zu verändern. Quinoa ist nämlich eine tropische Pflanze, die an kurze Tage angepasst ist. Bei uns muss sie aber im Langtag blühen. Wir haben bereits die dafür verantwortlichen Gene identifiziert und können nun damit beginnen, in einem weltweiten Quinoa-Sortiment nach vorteilhaften Genvarianten zu suchen.“
 
Das Forschungsprojekt wurde unter anderem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Originalpublikation:
D.E. Jarvis, Y. Shwen Ho, D.J. Lightfoot, S.M. Schmöckel, B. Li, T. Borm, H. Ohyanagi, K. Mineta, C.T. Michell, N. Saber, N.M. Kharbatia, R.R. Rupper, A.R. Sharp, N. Dally, B. A Boughton, Y.H. Woo, G. Gao, E. Schijlen, X. Guo, A.A. Momin, S. Negrão, S. Al-Babili, C. Gehring, U. Roessner, C. Jung, K. Murphy, S.T. Arold, T. Gojobori, C.G. van der Linden, E.N. van Loo, E.N. Jellen, P.J. Maughan, M. Tester. „The genome of Chenopodium quinoa“
DOI: 10.1038/nature21370

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Die tropische Pflanze Quinoa hat ihre Blühzeit an kurze Tage angepasst. Kieler Forschende wollen gemeinsam mit einer Gruppe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unter anderem von der King Abdullah University (Saudi Arabien) die Genvarianten suchen, die ein Erblühen bei langen Tagen ermöglichen.
Copyright: Linda Polik

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Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der King Abdullah University (Saudi Arabien) erforschen gemeinsam mit internationalen Partnern u.a. von der Kieler Universität die Kulturpflanze Quinoa.
Copyright: Prof. Mark Tester und Dr. Ihsanullah Daur

Kontakt:
Prof. Dr. Christian Jung
Institut für Pflanzenbau und -züchtung
Christian-Albrechts Universität zu Kiel
Tel: 0431-8807364
E-Mail: c.jung@plantbreeding.uni-kiel.de

Dr. Nadine Dally
Institut für Pflanzenbau und -züchtung
Christian-Albrechts Universität zu Kiel
Tel: 0431-8805036
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Neue Züchtungstechniken für höhere Rapserträge

04.05.2017

Kieler Forschungsteam ermöglicht präzise Veränderung des Rapsgenoms durch „Genome Editing“

Neue Methoden zur gezielten Veränderung der Erbinformationen machen unter dem Begriff „Genome Editing“ seit einigen Jahren Schlagzeilen. Zahlreiche Beispiele belegen die Anwendungsmöglichkeiten bei unterschiedlichen Lebewesen wie Mikroorganismen, Tieren, Pflanzen und sogar beim Menschen. Die Anwendung bei Nutzpflanzen fasst man auch unter dem Begriff „Neue Züchtungstechniken“ zusammen. Inzwischen gibt es zahlreiche wissenschaftliche Arbeiten über die Veränderungen bei Modell- und auch bei Nutzpflanzen wie Weizen, Reis oder Soja. Raps ist nach der Sojabohne die zweitwichtigste Ölpflanze der Welt und die einzige Ölpflanze von Bedeutung in unseren Breiten. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) ist es nun erstmals gelungen, Ölraps gezielt mit Hilfe einer solchen „Genome Editing“-Methode, der sogenannten CRISPR-Cas-Technologie, zu verändern und die Übertragung auf nachfolgende Generationen nachzuweisen. Die Arbeit wurde kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Plant Physiology veröffentlicht.

Die CRISPR-Cas-Technologie ermöglicht es, eine präzise Veränderung an einem genau definierten Sequenzabschnitt innerhalb eines Genoms vorzunehmen. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Gen mit einer unerwünschten Funktion ausgeschaltet werden. Der Raps bereitet besondere Probleme, weil von jedem seiner Gene zwischen zwei und sechs Kopien vorliegen. Man spricht hier von einer polyploiden Pflanze. Diese Genkopien gleichzeitig auszuschalten, war mit herkömmlichen Methoden genetischer Veränderungen bisher unmöglich. Um eine solche sogenannte Mutagenese beim polyploiden Raps zu erreichen, sind also chemische Mutagenese oder Bestrahlung nicht nutzbar. Dem Kieler Forschungsteam am Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung unter der Leitung von Professor Christian Jung ist es nun gelungen, alle Kopien eines Gens auszuschalten, das die Platzfestigkeit der Rapsschoten kontrolliert. Dies eröffnet neue Perspektiven für die Züchtung von Rapssorten, deren Schoten nicht schon vor oder während der Ernte platzen, was erhebliche Ertragssteigerungen erlauben könnte.

„Wir haben die einmalige Möglichkeit, unsere Pflanzen im Vergleich mit anderen Rapsmutanten anzubauen, die durch zufällige chemische Mutagenese erzeugt worden sind“, sagt Janina Braatz, die als Doktorandin unter der Leitung von Dr. Hans Harloff die CRISPR-Cas Versuche durchgeführt hat. „Während die CRISPR-Cas Pflanzen nur über je eine Mutation an einer präzise vorhergesagten Stelle im Genom verfügen, haben in den herkömmlich mutagenisierten Pflanzen etwa einhunderttausend Mutationen stattgefunden, die bis auf eine einzige unbekannt sind. Derartige Pflanzen haben einen deutlichen Fitnessnachteil und sind nicht für die Sortenzüchtung direkt verwendbar“, so Braatz weiter.

Es wird also erwartet, dass die CRISPR-Cas modifizierten Pflanzen unter Feldbedingungen eine deutlich bessere Leistung zeigen, als die Pflanzen, die durch chemische Mutagenese entstanden sind. Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass polyploide Nutzpflanzen mittels „Genome Editing“ hocheffizient genetisch verändert werden können. Auf diese Weise eröffnen sich völlig neue Perspektiven für die gezielte Veränderung von Pflanzengenomen und somit für die züchterische Verbesserung und damit langfristig für Ertragssteigerungen bei Nutzpflanzen.

Das Forschungsprojekt wurde von der Stiftung Schleswig-Holsteinische Landschaft gefördert.

Originalpublikation:
Janina Braatz, Hans-Joachim Harloff, Martin Mascher, Nils Stein, Axel Himmelbach and Christian Jung. “CRISPR-Cas9 targeted mutagenesis leads to simultaneous modification of different homoeologous gene copies in polyploid oilseed rape (Brassica napus L.)”. Plant Physiology Preview. Published on April 18, 2017, as
DOI:10.1104/pp.17.00426

Es stehen Fotos zum Download bereit:
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Bildunterschrift: Regeneration von Rapssprossen in der Petrischale nach Crispr-Cas Mutagenese.
Foto: Janina Braatz

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Bildunterschrift: Blühende Rapspflanzen im Feld.
Foto: Janina Braatz

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Bildunterschrift: Blühende Rapspflanze, deren ALC Gene durch Crispr-Cas Mutagenese gezielt verändert worden sind.
Foto: Janina Braatz

Kontakt:
Prof. Dr. Christian Jung
Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung, CAU Kiel
Tel: 0431-880-7364
E-Mail: c.jung@plantbreeding.uni-kiel.de

MSc Janina Braatz
Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung, CAU Kiel
Tel: 0431-880-3345
E-Mail: j.braatz@plantbreeding.uni-kiel.de

Weitere Informationen:
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www.plantbreeding.uni-kiel.de/de

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Text / Redaktion: ► Christian Urban

 

Doppelter Fraßschutz unterstützt Pflanzen beim Arterhalt

05.05.2017

CAU-Forschende entdecken neue Abwehrstrategie im heimischen Beinwell

Verschiedene heimische Pflanzen bilden zum Schutz vor dem Gefressenwerden natürliche Gifte aus der Gruppe der sogenannten Pyrrolizidin-Alkaloide. Am bekanntesten ist das Jakobskreuzkraut, dessen massenhafte Verbreitung in Schleswig-Holstein ein Vergiftungsrisiko vor allem für Weidetiere birgt. Pyrrolizidin-Alkaloide spielen aber auch bei der Kontamination von Lebensmitteln eine Rolle, zum Beispiel in Kräutertees oder verschiedenen Honigsorten. Forschende aus der Arbeitsgruppe Biochemische Ökologie und Molekulare Evolution am Botanischen Institut der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben nun mit dem Beinwell (Symphytum officinale) eine andere heimische Pflanze untersucht, die ebenfalls die Alkaloide produziert. Aktuell beginnt in Schleswig-Holstein die Blütezeit des Beinwells, der zum Problem kontaminierter Lebensmittel beitragen kann. Unter der Leitung von Professor Dietrich Ober beschäftigte sich Lars Hendrik Kruse im Rahmen seiner Doktorarbeit mit dem Mechanismus, der im traditionell als Heilpflanze bekannten Beinwell zur Giftbildung führt. Die Forschungsgruppe erkannte dabei, dass die Pflanze in der Nähe des Blütenstandes große Mengen der giftigen Pyrrolizidin-Alkaloide bildet. Ihre Ergebnisse publizierten sie jüngst in der aktuellen Ausgabe des renommierten Fachjournals Plant Physiology.

Aus früheren Untersuchungen war bereits bekannt, dass der Beinwell in der Wurzel Pyrrolizidin-Alkaloide bildet und diese in die oberirdischen Pflanzenteile wie Blätter und Blüten einlagert. „Wir haben entdeckt, dass die Pflanze kurz vor Beginn der Blüte auch einen zweiten Ort zur Bildung der giftigen Alkaloide aktivieren kann“, erklärt Ober, Professor für Biochemische Ökologie und Molekulare Evolution, die Entdeckung seines Teams. Bislang war nicht bekannt, dass der Beinwell auch in kleinen, unscheinbaren Blättern direkt unterhalb des Blütenstandes das Gift bilden kann. 

Die zusätzliche Giftproduktion geschieht kurz bevor die Pflanze erblüht, so dass die dort produzierten Alkaloide auf direktem Weg in die sich öffnenden Blüten gelangen können. Daraus schlossen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, dass die zusätzliche Bildung der Alkaloide direkt mit dem Reproduktionsmechanismus zusammenhängt. „Die Pflanze aktiviert diese alternative Giftbildung offenbar, um ihre Blüten und damit ihre für die Fortpflanzung und das Überleben der Art unverzichtbaren Bestandteile optimal zu schützen“, so Lars Hendrik Kruse. Der Beinwell verfügt also über eine doppelte Abwehrstrategie, die zum einen der gesamten Pflanze einen „Basisschutz“ gewährt, die aber andererseits die Blüten während der Blütezeit zusätzlich gezielt vor Fraßfeinden schützt.

Mit den nun vorliegenden Erkenntnissen trägt das Kieler Forschungsteam dazu bei, die Stoffwechselprozesse, die zur Bildung der giftigen Pyrrolizidin-Alkaloide führen, besser zu verstehen. Die Forschungsergebnisse können damit Verbraucherinnen und Verbraucher künftig bei einer verbesserten Risikoabschätzung unterstützen.

Originalarbeit:
Lars H. Kruse, Thomas Stegemann, Christian Sievert, and Dietrich Ober: 
Identification of a Second Site of Pyrrolizidine Alkaloid Biosynthesis in Comfrey to Boost Plant Defense in Floral Stage, Plant Physiology 2017 174: 47-55.; dx.doi.org/10.1104/pp.17.00265

Bildmaterial steht zum Download bereit:
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Bildunterschrift: Im Mai beginnt die Blütezeit des auch in Schleswig-Holstein häufig vorkommenden Beinwells (Symphytum officinale).
Foto: Dietrich Ober

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Bildunterschrift: Im Labor untersuchte das Kieler Forschungsteam die Stoffwechselprozesse, die der Giftbildung des Beinwells zugrunde liegen.
Foto: Christian Urban, Universität Kiel

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Bildunterschrift: Blattoberfläche einer Beinwell-Pflanze: Sie bildet nicht nur in den Wurzeln, sondern auch in bestimmten Blättern direkt unterhalb des Blütenstandes giftige Alkaloide.
Foto: Christian Urban, Universität Kiel

Kontakt:
Prof. Dietrich Ober
Biochemische Ökologie und Molekulare Evolution
Botanisches Institut und botanischer Garten, CAU
Telefon: 0431 880-4299
E-Mail: dober@bot.uni-kiel.de

Weitere Informationen:
Biochemische Ökologie und Molekulare Evolution (AG Ober), 
Botanisches Institut und botanischer Garten, CAU
http://www.ober.botanik.uni-kiel.de/

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Neuer Ansatz in der Antibiotikatherapie treibt Krankheitskeime in die Sackgasse

Doktorand Camilo Barbosa untersuchte den Effekt der „kollateralen Sensitivität“, der antibiotikaresistente Bakterien behandelbar machen kann. Foto: Christian Urban, Universität Kiel

01.06.2017

Kieler Forschungsteam nutzt evolutionäres Prinzip zur Entwicklung nachhaltiger Behandlungsformen in der Antibiotikatherapie

Die Weltgesundheitsorganisation WHO warnt immer eindringlicher vor einer dramatischen Antibiotikakrise. Sie befürchtet, dass eine post-antibiotische Ära kurz bevorsteht: Bakterielle Infektionen, die sich früher gut bekämpfen ließen, wären dann nicht mehr behandelbar. Antibiotika-resistente Krankheitskeime könnten laut Vorhersage der WHO binnen weniger Jahre zu den häufigsten Verursachern nicht-natürlicher Todesfälle werden. Diese dramatische Gefahr für die öffentliche Gesundheit beruht auf der schnellen Evolution von Antibiotika-Resistenzen, die das Spektrum wirksamer antibakterieller Medikamente weiter schrumpfen lässt. Die lebenswissenschaftliche Forschung steht vor der Herausforderung, dieser Gefahr mit neuen Behandlungsansätzen möglichst schnell begegnen zu müssen. Neben der Entwicklung neuer antibiotischer Wirkstoffe besteht eine zentrale Strategie der Forschenden darin, die Wirksamkeit der vorhandenen Antibiotika durch neue Therapieansätze zu verbessern.

Die Arbeitsgruppe Evolutionsökologie und Genetik der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) nutzt Erkenntnisse aus der Evolutionsmedizin zur Entwicklung effizienterer Behandlungsansätze. Als Teil des neu gegründeten Kiel Evolution Center (KEC) der CAU untersuchen die Forschenden unter der Leitung von Professor Hinrich Schulenburg, wie sich verschiedene Formen der Antibiotika-Gabe auf die evolutionäre Anpassung der Erreger auswirken. In einer nun gemeinsam mit internationalen Kolleginnen und Kollegen im Fachmagazin Molecular Biology and Evolution veröffentlichten Studie konnten sie belegen, dass beim Krankheitskeim Pseudomonas aeruginosa die Evolution von Resistenz gegen bestimmte Antibiotika gleichzeitig zu einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber anderen Wirkstoffen führt. Dieses Konzept der sogenannten „kollateralen Sensitivität“ eröffnet neue Perspektiven in der Bekämpfung multiresistenter Krankheitserreger.

Camilo Barbosa, Doktorand in Schulenburgs Arbeitsgruppe, untersuchte gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen, welche Antibiotika nach Resistenzbildung zu wechselseitigen Sensitivitäten führen können. Dazu führten sie im Labor ein Evolutionsexperiment mit dem Erreger Pseudomonas aeruginosa durch. Dieses Bakterium ist häufig multiresistent und besonders für immungeschwächte Patientinnen und Patienten bedrohlich. Im Experiment wurde der Erreger in 12-stündigen Intervallen immer höheren Dosierungen von acht verschiedenen Antibiotika ausgesetzt. Als Konsequenz entwickelte das Bakterium jeweils eine Resistenz gegenüber den verschiedenen Wirkstoffen. Im nächsten Schritt testeten die Forschenden, wie sich die resistenten Erreger gegenüber anderen Wirkstoffen verhielten, mit denen sie bis dahin nicht in Kontakt gekommen waren. So konnten sie feststellen, welche Resistenzbildungen zugleich eine Empfindlichkeit gegen einen anderen Wirkstoff mit sich brachten.

Als besonders effektiv stellte sich die Kombination von Antibiotika heraus, die unterschiedliche Wirkmechanismen aufweisen – insbesondere aus den Klassen der Aminoglykoside und Penicilline. Die Untersuchung der genetischen Grundlagen dieser Resistenzbildungen zeigte, dass drei spezifische Gene des Bakteriums dafür sorgten, dass es zugleich resistent und anfällig wird. „Durch den kombinierten oder abwechselnden Einsatz von Antibiotika mit wechselseitigen Sensitivitäten lassen sich die Keime potentiell in eine evolutionäre Sackgasse treiben: Sobald sie gegen das eine resistent werden, sind sie empfindlich gegen das andere und umgekehrt“, fasst Schulenburg die Bedeutung der vorliegenden Arbeit zusammen. Diese neuen Ergebnisse aus dem Labor machten Hoffnung: Eine gezielte Kombination der noch wirksamen Antibiotika könnte zumindest für eine Atempause im Kampf gegen die sehr problematischen Resistenzbildungen sorgen, so Schulenburg weiter.

Originalarbeit:
Camilo Barbosa, Vincent Trebosc, Christian Kemmer, Philip Rosenstiel, Robert Beardmore, Hinrich Schulenburg and Gunther Jansen (2017): Alternative Evolutionary Paths to Bacterial Antibiotic Resistance Cause Distinct Collateral Effects. Molecular Biology and Evolution
doi.org/10.1093/molbev/msx158

Es stehen Fotos/Materialien zum Download bereit:

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Bildunterschrift: Der Krankheitserreger Pseudomonas aeruginosa während des Evolutionsexperiments im Labor.
Abbildung: Camilo Barbosa/Dr. Philipp Dirksen

www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-171-2.jpg
Bildunterschrift: Doktorand Camilo Barbosa untersuchte den Effekt der „kollateralen Sensitivität“, der antibiotikaresistente Bakterien behandelbar machen kann.
Foto: Christian Urban, Universität Kiel

www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-171-3.jpg
Bildunterschrift: Das Forschungsteam untersuchte insgesamt 180 Bakterienpopulationen des Erregers Pseudomonas aeruginosa.
Foto: Christian Urban, Universität Kiel

www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-171-4.jpg
Bildunterschrift: Die Bakterien wurden resistent gegen bestimmte Antibiotika, zugleich aber empfindlich gegenüber anderen Wirkstoffen.
Foto: Christian Urban, Universität Kiel

Kontakt:
Prof. Hinrich Schulenburg
Sprecher „Kiel Evolution Center“ (KEC), CAU Kiel
Tel.: 0431-880-4141
E-Mail: hschulenburg@zoologie.uni-kiel.de

Weitere Informationen:
Forschungszentrum „Kiel Evolution Center“, CAU Kiel:
www.kec.uni-kiel.de

Arbeitsgruppe Evolutionsökologie und Genetik, Zoologisches Institut, CAU Kiel:
www.uni-kiel.de/zoologie/evoecogen

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Text / Redaktion: ► Christian Urban

Neuer Schutz vor verbreiteter Zuckerrüben-Krankheit

06.06.2017

Die Ernährungssicherheit hängt angesichts des rasanten Anstiegs der Weltbevölkerung künftig von wachsenden landwirtschaftlichen Erträgen ab. Seit jeher ist der Pflanzenbau allerdings von verschiedenen Pflanzenschädlingen bedroht, die schlimmstenfalls für umfangreiche Ernteausfälle sorgen können. Die Zuckerrübe spielt in Europa und speziell in Norddeutschland eine wichtige wirtschaftliche Rolle. Ihr Anbau ist jedoch immer stärker durch das Auftreten einer als Rizomania bezeichneten Pflanzenkrankheit bedroht. Das durch bodenlebende Pilze übertragene Virus ist weltweit für bis zu 80 Prozent der Ertragsverluste beim Zuckerrübenanbau verantwortlich. Rizomania lässt sich nicht mit herkömmlichen Schutzmethoden, zum Beispiel durch Pflanzenschutzmittel, bekämpfen. 

Eine seit Jahrzehnten eingesetzte Strategie gegen die dadurch verursachten Ertragseinbußen sind sogenannte Resistenzzüchtungen der Nutzpflanzen: In der Landwirtschaft kommen aktuell vor allem Zuckerrübensorten zum Einsatz, in die eine Resistenz gegenüber Rizomania gezüchtet wurde. Dem Krankheitserreger gelingt es aber in den letzten Jahren immer öfter, den in diesen Rüben vorhandenen Resistenzmechanismus zu überwinden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern vom Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) gelang es nun gemeinsam mit Forschenden der Universität Bielefeld und weiteren internationalen Expertinnen und Experten, ein in Wildpopulationen der Zuckerrübe vorkommendes Rizomania-Resistenzgen zu identifizieren, das für eine alternative Resistenzbildung verantwortlich ist. Die neu erlangte Kenntnis ihres genetischen Ursprungs macht diese zweite Resistenz nun gezielt für die Pflanzenzüchtung nutzbar. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forschenden heute in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Nature Communications.

Die zweite Resistenz gegen das Virus war bereits bekannt und ist auch in manchen bestehenden Rübensorten vorhanden. Daher konnte auch beobachtet werden, dass das Virus diese zweite Art der Resistenz bisher nicht überwinden konnte. Die Rübensorten, die diesen alternativen Schutz aufweisen, bringen allerdings in der Regel weniger Ertrag als die gängigen Sorten. Daher werden sie in der Landwirtschaft kaum genutzt. Bislang unbekannt war allerdings, welches Gen den zweiten Resistenzmechanismus steuert. Die Identifizierung des verantwortlichen Gens erlaubt es nun, die zweite Resistenz gezielt für die Sortenzüchtung zu nutzen. Für die Genidentifizierung nutzen die Forschenden nicht wie sonst üblich im Labor gezüchtete, künstliche Populationen der Rübe. Stattdessen widmeten sie sich dem Genom, also den gesamten genetischen Informationen, einer in Dänemark vorkommenden Wildpopulation der Zuckerrübe. Ihre Unempfindlichkeit gegenüber Rizomania war den Forschenden bereits bekannt. 

Sie konzentrierten sich auf ein spezielles Wildrübenvorkommen, das in der Küstenregion um Kalundborg auf der dänischen Insel Seeland vorkommt. "Interessanterweise haben wir festgestellt, dass resistente und anfällige Wildrüben dort auf einer Strecke von 15 Kilometern nebeneinander vorkommen", sagt Dr. Gina Capistrano-Gossmann vom Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung an der CAU. "Resistente Pflanzen haben dort also keinen Vorteil gegenüber anfälligen Pflanzen, da der Boden nicht mit dem Rizomania-Virus infiziert ist", erklärt Capistrano-Gossmann, die Erstautorin der Studie. 

Um die genetische Grundlage der Resistenzbildung in diesen Wildrüben zu entschlüsseln, setzte das Forschungsteam einen innovativen Ansatz zur Gewinnung genetischer Ressourcen aus natürlichen Wildpflanzenpopulationen ein. "Durch die Kombination von Sequenzvergleichen von wenigen resistenten und anfälligen Wildrüben mit einer Assoziationsanalyse in der gesamten Wildrübenpopulation konnte die Lage des bislang unbekannten Resistenz-Gens im Genom eingegrenzt werden", sagt Professor Bernd Weisshaar von der Universität Bielefeld, der die bioinformatische Auswertung der Studie leitete. Die Kenntnis der Gen-Sequenz, die für die Resistenzbildung verantwortlich ist, erlaubt es nun direkt zwischen resistenten und anfälligen Jungpflanzen zu unterscheiden. Außerdem ist es möglich, die von dieser Sequenz kontrollierte Resistenzreaktion der Zuckerrüben auf molekularer Ebene zu untersuchen. 

Die neuen Erkenntnisse der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler liefern eine Basis für weitere Forschungsarbeiten und ebenso für die praktische Nutzung in der Zuckerrübenzüchtung. In Zukunft könnten der Landwirtschaft damit Rübensorten zur Verfügung stehen, die zuverlässig unempfindlich gegenüber Rizomania sind. Der Ursprung dieser Resistenz in den Wildpflanzen unterstreicht nicht zuletzt, welches Potenzial in der Bewahrung der natürlichen Biodiversität und ihres genetischen Pools steckt. Dieses bleibe nur durch den Schutz der Wildpflanzenvorkommen nutzbar, die es also zum Beispiel in Schutzgebieten zu erhalten gelte, resümieren die Forschenden.

Das Forschungsprojekt wurde durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) und das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

Originalpublikation:
Gina Capistrano-Gossmann, David Ries, Daniela Holtgräwe, Andre Minoche, Thomas Kraft, Sebastian Frerichmann, Thomas Rosleff Sörensen, Juliane Dohm, Irene Gonzalez, Markus Schilhabel, Mark Varrelmann, Hendrik Tschoep, Hubert Uphoff, Katia Schütze, Dietrich Borchardt, Otto Toerjek, Wolfgang Mechelke, Jens Lein, Axel Schechert, Lothar Frese, Heinz Himmelbauer, Bernd Weisshaar, and Friedrich Kopisch-Obuch. "Crop wild relative populations of Beta vulgaris allow direct mapping of agronomically important genes". Nature Communications, Published on June 6, 2017, as DOI:10.1038/NCOMMS15708

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Von Rizomania befallene Zuckerrüben (links und Mitte) und ein gesundes Exemplar im Vergleich. 
Foto: Dr. Bernd Holtschulte
 

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Rizomania-infizierte Pflanzen zeigen eine typische Blattvergilbung (Mittelreihe). Die resistenten Zuckerrüben zeigen dagegen keine Symptome. 
Foto: Dr. Bernd Holtschulte
 

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An der dänischen Küste in der Region Kalundborg wachsen wilde Rüben, deren Gene das Forschungsteam nun analysierte. Foto: Dr. Friedrich Kopisch-Obuch
 

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Dr. Gina Capistrano-Gossmann, die Erstautorin der Studie, untersucht ein natürliches Rübenvorkommen. Foto: Dr. Gina Capistrano-Gossmann
 

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Kontakt:
Dr. Gina Capistrano-Gossmann
Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung, CAU Kiel
Tel.: 0431-880-3210
E-Mail: g.capistrano@plantbreeding.uni-kiel.de

Prof. Dr. Bernd Weisshaar
Lehrstuhl für Genomforschung, Universität Bielefeld
Tel.: 0521-1068720
E-Mail: bernd.weisshaar@uni-bielefeld.de

Weitere Informationen:
Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung, CAU Kiel
www.plantbreeding.uni-kiel.de/de

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
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Text / Redaktion: Christian Urban

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