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2013-2014

Scientific Report

Leibniz Institute of Plant Biochemistry

Institutstagung in Wittenberg, März 2014

Table of Contents A Word from the Managing Director

4

Department of Cell and Metabolic Biology

Presentation of the Institute

5

Professor Alain Tissier

Grußwort des Geschäftsführenden Direktors

8

Glandular Trichome and Isoprenoid Biosynthesis

Vorstellung des Instituts

9

Alain Tissier

Organigramm

13

Leitung und Gremien des Instituts

14

Department of Molecular Signal Processing

16

Professor Steffen Abel

Nutrient Sensing

20 22

Luz Irina A. Calderón Villalobos

Jasmonate Function & Mycorrhiza Phenylpropanoid Metabolism & Protein Biochemistry Synthetic Biology Publications and other Activities of the Department of Cell and Metabolic Biology

Publications and other Activities of the Department of Molecular Signal Processing

26

Protein Recognition and Degradation

Department of Bioorganic Chemistry

28

Marcel Quint

Professor Ludger Wessjohann

30 32

Ludger Wessjohann & Wolfgang Brandt

Synthesis

34

Ludger Wessjohann & Bernhard Westermann

Spectroscopy

36

Andrea Porzel & Jürgen Schmidt

Screening

40

Wolfgang Brandt & Andrea Porzel

Publications and other Activities of the Department of Bioorganic Chemistry

42

Department of Stress and Developmental Biology

46

Professor Dierk Scheel

Molecular Communication in Plant-Pathogen Interactions

48

Wolfgang Knogge

Cellular Signaling

76 78

Interdepartmental Research Group 80

Wolfgang Hoehenwarter

Publications and other Activities of the Junior Research Groups

82

Publications of the Interdepartmental Research Group

83

Abteilung Administration und Infrastruktur

84

Christiane Cyron

86

Personalübersicht des IPB 2013 / 2014

87

Budget 2013 / 2014

88

Drittmittel 2013 / 2014

89

Nationale und internationale Forschungsverbünde und -netzwerke

90

Gastwissenschaftler/innen und Stipendiat(inn)en

94

Presse- und Öffentlichkeitsarbeit

96

Sylvia Pieplow

Medienpräsenz, Layout und Internet

99

50

Dierk Scheel & Justin Lee

Induced Pathogen Defense

74

Nico Dissmeyer

Mitarbeiter der Abteilung Administration und Infrastruktur 2013 / 2014 38

Norbert Arnold & Bernhard Westermann

Computational Chemistry

72

Marco Trujillo

Proteome Analytics

Norbert Arnold & Jürgen Schmidt

Chemoenzymatics

70

Independent Junior Research Groups Ubiquitination in Immunity

Natural Products

68

Bettina Hause

24

Auxin Signaling

66

Alain Tissier & Michael H. Walter

Sylvestre Marillonnet

Selma Gago Zachert & Steffen Abel

Signal Integration

64

Thomas Vogt

18

Steffen Abel

Defense Metabolism

Carotenoid Metabolism & Mycorrhiza

62

52

Impressionen und Impressum

104

Sabine Rosahl & Dierk Scheel

Bioinformatics & Mass Spectrometry

54

Steffen Neumann

Metabolite Profiling in Arabidopsis and Crop Plants

56

Dierk Scheel

Publications and other Activities of the Department of Stress and Developmental Biology 2

58 3

A Word from the Managing Director

Presentation of the Institute

esearch at the Leibniz Institute of

R

ty Halle-Wittenberg (MLU) that is particu-

Leibniz Research Alliances, heading one

Plant Biochemistry is focused on

larly evident by the joint appointments

of them (Bioactives & Biotechnology).

plant natural products, like sec-

of the department heads of IPB who are

ondary metabolites and hormones, and

also professors at the university. The most

The bodies of the IPB are the Board of

on the role these play for plants in re-

relevant cooperation platform between

Trustees (Stiftungsrat), the Scientific Ad-

sponse to the environment. As a leading

the university and regional Leibniz insti-

visory Board (Wiss. Beirat), and the IPB

institution in the field, it is one of the few

tutes is the Science Campus Halle Plant

Board of Directors. The Managing Di-

establishment of two independent junior research

that fully integrate biological and chem-

Based Bioeconomy. The institute is also

rector (CEO) and the Administrative Head

groups, but above all our academic performance,

ical expertise and provide the infrastruc-

active in the German Centre of Integra-

(CFO), as part of the Directors Board, form

have been very positively recognized by our evalua-

ture required for a comprehensive study

ted Biodiversity Research (iDiv) Halle-

the Executive Board of the institute. The

tors and peers. Since any past performance only

of the interaction and function of small

Jena-Leipzig.

boards of directors and trustees can seek

Signal Processing and Cell and Metabolic Biology), a reorganization of parts of the administration, and the

holds that much value as it contributes to improve-

Dear Reader, "Omics" without end, one is inclined to think. The comprehensive analysis of genes and transcriptomes now increasingly is followed by studies of proteomes and metabolomes. Recently, publications in the latter two areas show a much faster growth than genome analyzes. This might be because the characteristic of an organism - a plant in our case - for human application ultimately lies in its proteins and natural products (metabolites). Our institute is in an excellent position to contribute to these exciting developments as it was one of the first, already some fifteen years ago, to examine the secondary metabolome of plants.

ments now and in the future, I am particularly

Mission Statement

pleased that our scientific productivity was steadily

Research at the Leibniz Institute of Plant Biochemistry (IPB) focuses on the chemical diversity, the biosynthesis, the biological roles, and the mechanisms of action of plant and fungal natural products, with an emphasis on specialized metabolites and signaling molecules. Our aim is to develop a comprehensive molecular understanding of the adaptive and developmental processes which plants evolved as a consequence of their dynamic interaction with the environment. The resulting changes in gene expression and phenotype are analyzed in interdisciplinary approaches at the genome, proteome and foremost at the metabolome level. The knowledge gained will pave the way to a plant-based bioeconomy: it will facilitate sustainable crop production, innovative biotechnology and drug development to improve the nutrition and health of humans, animals and plants.

improving in 2013 and 2014, despite the time burden of the evaluation. This is exemplarily documented in this booklet. I thank all colleagues and staff of IPB, and the advisory and trustee board members for their help and encouragement, and of course the many alumni, friends and cooperation partners of the Institute for their support and trust in us, respectively. The high

molecules in, from and on plants. The in-

History and Organisation

advice on basic scientific issues from the

quality of our results is based on their commitment!

stitute provides an excellent environment

On 1 January 1958 Prof. Kurt Mothes foun-

Institutes Scientific Council (Wissen-

This is evidenced not only by the positive evaluation

of international rank to its employees and

ded the Centre for Biochemistry of Plants

schaftlicher Institutsrat, WIR) – consist-

result of the Leibniz Senate, but first and foremost it

especially to young scholars and guest

in Halle (Saale) within the German Aca-

ing of the heads of the research groups

is evidenced by our publications and by the excellent

scientists from around the world. The

demy of Sciences (East-Berlin). After re-

and representatives of postdoctoral and

commitment to basic research is the

unification of Germany, the academy in-

doctoral fellows. A works council supports

starting point for innovative, application-

stitutes underwent transformation, and

and voices employee issues.

oriented research in the areas of plant

the centre was reinstated as Institute of

and human health and nutrition, and

young scientists leaving the institute to pursue their careers.

Plant Biochemistry (IPB) on 1 January

The IPB consists of four scientific depart-

toward a plant-based bioeconomy. The

1992. The Leibniz Institute of Plant Bio-

ments (Stress and Developmental Biolo-

learn more about their work. If you prefer, however,

IPB participates in national and interna-

chemistry since then is an independent

gy, Bioorganic Chemistry, Molecular Sig-

not to look at past achievements, but would like to

tional consortia, such as EU-funded pro-

non-profit research institute funded by

nal Processing, and Cell and Metabolic

learn more about our current excitement, do not he-

jects and networks (ERA, COST), or in

the Federal Government and the State of

Biology), and three extradepartmental

sitate to contact our researchers.

BMBF and DFG initiatives. It cofounded

Saxony-Anhalt with the legal status of a

research groups including two inde-

and actively participates in three Leibniz

foundation under public law. The IPB is

pendent junior research groups (Ubiqui-

research alliances and is a leading mem-

under protection and supervision of the

tination in Immunity and Protein Degra-

ber of the ScienceCampus Halle Plant

government of Saxony-Anhalt. It became

dation), and an administration and infra-

Based Bioeconomy (v.i. and www.science-

a member of what is now the Leibniz

structure department. The institute has

received the maximum possible extension of basic

campus-halle.de), combining eleven insti-

Association (http://www.leibniz-gemein-

some 190 employees with over 100 sci-

funding from federal and state governments.

tutions with over 2000 researchers of all

schaft.de/en/home/) that comprises 89

entists of some 20 different nationalities

areas of plant sciences and its applica-

research institutes and is one of the four

and over 50 PhD students.

tions.

major research organizations in Germa-

This was made possible by the excellent integration of biological and chemical expertise and the systematic investment in an appropriate infrastructure and informatics. Analogously, plant proteomics was added to complete the picture. The results now help us to understand plant performance and to improve,

This report provides you with the opportunity to

for example, the production of active ingredients. With these activities, our institute was evaluated in 2013 by the Senate of the Leibniz Association and

Thus the preceding and significant rejuvenation of

Scientifically yours,

ny. The IPB belongs to Section C - Life

Recent developments

Locally the institute keeps a close rela-

Sciences, dedicated to health and biodi-

Mid 2013 the institute was evaluated by

tionship with the Martin-Luther Universi-

versity research. It participates in three

an independent commission of the Leib-

the institute with two new departments (Molecular

4

5

niz Association, headed by Prof. Alexan-

Based Bioeconomy, of which the first ba-

Research on natural products in biologi-

plication and development of modern

function analysis. Within the overall con-

molecular interactions and gene func-

der Steinbüchel. Following its highly po-

sic funding period ended 2014. With

cal material is carried out via an interde-

cell biological methods supports the

cept of functional genomic analysis,

tion analyses is only possible by apply-

sitive recommendation, the senate of

fresh support from both Leibniz Associa-

partmental network of modern analytical

interdepartmental work to analyze the

based on transcriptome, proteome, and

ing information technology (bioinforma-

the Leibniz association, and following

tion and the state of Saxony-Anhalt also

techniques. This forms the basis for the

dynamics of molecular interactions in

metabolome data, genes are identified

tics, computational chemistry). In partic-

this the states and federal joint science

the foundation for the upcoming second

discovery of new natural product struc-

the living organism. The chemical struc-

and characterized, which are essential

ular, the metabolome and proteome ana-

conference, granted the IPB the maxi-

research period (to 2018) could be finan-

tures as well as studies of their biosyn-

tures of the interacting molecules are

for biosynthesis and metabolism of natu-

lyses and bioactivity screens require the

mum period of future support (7 years).

cially secured.

thesis and biological function. Structure

modified by, e.g., genetic engineering

ral products and for plant development

development of new methods of data

elucidation provides the basis for chemi-

methods or chemical derivatization. The

and adaptation on different environmen-

analysis, processing and linking. The in-

Apart from financial and strategic con-

cal synthesis and derivatization of natu-

effects of these changes can be moni-

tal conditions. The use of mutants, trans-

stitute has therefore established infor-

solidation, it is most of all the scientific

ral products and makes an important

tored in appropriate models and investi-

genic and transiently modified plants al-

matics based research groups, fully inte-

output of IPB that defines our success.

contribution to diversity and to increase

gated by screening methods to finally

lows not only the direct analysis of gene

grated into the departments, which are

high level development since the last evalua-

This considerably increased 2013 / 2014

successful approaches to discover their

select molecules with desired properties

function, but also the production of mo-

particularly committed to this problem.

tion is highly appreciated by the Federation (of

despite the time consuming evaluation

biological activities. The isolation of bio-

(e.g. new drugs, signal compounds, en-

del plants with altered profiles, novel

This is, together with the new central da-

Germany) and the State (of Saxony-Anhalt).

preparation. Over 200 articles have been

synthetic enzymes allows access to the

zymes). This forms the basis for the de-

health-related ingredients, and new or

ta management, a platform that expands

With its unique selling point, the interdisci-

published, almost exclusively in peer-re-

corresponding genes and thus to study

velopment of new syntheses and selec-

improved adaptation to specific environ-

the interdepartmental research compe-

plinary combination of basic research in molec-

viewed international journals, and many

the regulation of biosynthetic pathways

tion processes as well as appropriate as-

mental conditions. Such plants will be

tence. The eventual goal of this ap-

of them of high impact. Details can be

and the cellular and organismic organi-

say and analytical procedures, supported

beneficial for the sustainable production

proach is the integral linkage and analy-

found in the reports of the departments.

zation of its components.

by visualization of the molecular interac-

of valuable substances and biocatalysts,

sis of structurally diverse data sets, gen-

tions via computer modeling.

for use as biological test systems and for

erated within the different research

plant breeding.

areas, towards a better understanding of

The state and federal ministeries conclude:

“The positive overall assessment of IPB and its

ular plant biology and applied bioorganic chemistry, it makes important contributions of national and international relevance and with

Research Profile

The genetically determined plant devel-

high science political impact. In the national

The research activities of the institute fo-

opment and its modulation during adap-

The close combination of chemical, bio-

strategy towards a sustainable bioeconomy, the

cus on analyses of natural products (sec-

tation to specific environmental condi-

chemical, molecular and cell biological

Linking the various data obtained from

IPB occupies an important role.”

ondary metabolites), molecular interac-

tions rely on receptor-mediated percep-

approaches allows new access to gene

research activities on natural products,

tions, and gene functions. These activi-

tion of endogenous signals or biotic and

Research at IPB in the upcoming years

ties are linked with information technol-

abiotic environmental factors. Cellular

will concentrate on four major topics:

ogy (bioinformatics, computational chem-

and systemic signal networks are evalu-

istry).

ated, adjusted and converted through

Plants and fungi developed in the course

sponding physiological reactions, usu-

of evolution an enormous diversity of na-

ally based on transiently and locally al-

tural products. This diversity is enlarged

tered profiles of natural products. Mole-

through changes in the patterns of these

cular interactions form the basis of these

products during development and adap-

expiring cellular functions. An interdisci-

tation to environmental conditions. The

plinary analysis of these interactions is

knowledge of structure and function of

therefore of central importance in the

natural products is an essential prerequi-

research approaches of the institute. Re-

site for understanding development and

ceptor-ligand, enzyme-ligand and pro-

adaptation processes and opens up new

tein-protein interactions form the molec-

resources for use in crop production,

ular basis for these processes and their

This development is and will also be re-

crop protection, biotechnology and drug

application in drug research. From this

flected in changes in the research

development. With the progressive real-

perspective, mechanisms of interorgan-

groups (RGs), for which the new RG

ization of the profits from plant genome

ismic communication between plants

Synthetic Biology (head: Sylvestre Maril-

research, this information is of fundamen-

and pathogens and symbionts are inves-

lonet) in the department Cell and Meta-

tal importance for functional genome

tigated and the organization of biosyn-

bolic Biology is exemplary, or the call Dr.

analysis.

thetic pathways and signal transduction

• Biosynthesis and Biotechnology of Plant Secondary Metabolites • Signaling Molecules of Plants and their Effects • Plant Microbe Interactions and Chemical Communication

Marcel Quint of Molecular Signal Pro-

6

cialized metabolites and interactions.

gene expression patterns into corre-

• Analysis, Chemistry and Biological Activity of Natural Products

the biological system plant with its spe-

is analyzed.

cessing received for a professorship at

The comprehensive analysis of plant and

the MLU. The local integration and fund-

fungal natural products is one of the key

Cooperations within the institute include

ing of our research is strongly based on

priorities in the research program of the

proteomic, metabolomic, screening and

the success of the ScienceCampus Plant

Leibniz Institute of Plant Biochemistry.

informatics projects. Moreover, the ap-

7

Grußwort des Geschäftsführenden Direktors

Vorstellung des Instituts

m Mittelpunkt der Forschung am Leib-

Historisches und Organisation

tien, z.B. in EU-Projekten und Netzwerken

1958 gründete Kurt Mothes das Institut für

steht die umfassende Analyse pflanzli-

(COST, ERA-Net), oder in BMBF-, oder DFG-

Biochemie der Pflanzen unter dem Dach

auch von Außenstehenden als sehr erfolgreicher Pro-

I

nationalen und internationalen Konsor-

niz-Institut für Pflanzenbiochemie (IPB)

cher und pilzlicher Naturstoffe, insbeson-

Initiativen, vor allem aber innerhalb der

der Deutschen Akademie der Wissen-

zess gewürdigt worden. Da alle vergangenen Leistun-

dere der sekundären Inhaltsstoffe und

Leibniz-Gemeinschaft durch die aktive

schaften zu (Ost-) Berlin. Im Rahmen der

gen nur so viel Wert haben, wie sie zu Verbesserun-

Phytohormone, und deren Rolle für die

Gestaltung des WissenschaftsCampus

Umstrukturierung nach der Wende wurde

gen jetzt und in Zukunft beitragen, freut mich beson-

Wechselwirkung von Pflanzen mit ihrer

Halle Pflanzenbasierte Bioökonomie sowie

am 1. Januar 1992 das Institut für Pflanzen-

ders, dass unsere wissenschaftliche Produktivität,

Umwelt. Das IPB verfolgt dazu eine beson-

in drei Leibniz-Forschungsverbünden.

biochemie (IPB) in Halle (Saale) als ein vom

trotz der zeitlichen Belastung durch die Evaluierung, 2013 und 2014 stetig verbessert werden konnte. Das gilt ebenso für das Serviceangebot der Abteilung

Leitbild

Administration und Infrastruktur. Das wird in diesem

Im Mittelpunkt der Forschung am Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie stehen die chemische Diversität und Biosynthese sowie die biologischen Funktionen und Wirkmechanismen von pflanzlichen und pilzlichen Naturstoffen, insbesondere von spezialisierten Stoffwechselprodukten und niedermolekularen Signalträgern. Ein Ziel ist es, zu einem möglichst umfassenden Verständnis der Anpassungs- und Entwicklungsprozesse zu gelangen, die aus dem dynamischen Wechselspiel von Pflanzen mit ihrer Umwelt resultieren. Die dadurch bedingte Umsteuerung pflanzlicher Genexpression und die phänotypischen Veränderungen werden in interdisziplinären Forschungsansätzen auf den Ebenen des Genoms, des Proteoms und insbesondere des Metaboloms untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse eröffnen neue Wege für eine pflanzenbasierte Bioökonomie. Sie dienen einer Ressourcen-schonenden Pflanzenproduktion, einer innovativen Biotechnologie und Wirkstoffentwicklung, und damit der Gesundheit und Ernährung von Mensch, Tier und Pflanze.

Heft exemplarisch dokumentiert. Ich danke allen Kollegen und Mitarbeitern des IPB sowie den Beirats- und Stiftungsratsmitgliedern für

Liebe Leser, Omics und kein Ende, mag man denken. Den umfas1

senden Analysen der Gene und Transkriptome fol2

gen zunehmend Untersuchungen von Proteom und 3

ihren Einsatz, und natürlich den vielen Alumni, Freunden und Kooperationspartnern des Instituts für die Unterstützung und das Vertrauen in unsere Partner-

Metabolom . Veröffentlichungen zu letzteren beiden

schaft. Die hohe Qualität unserer Ergebnisse basiert

Gebieten nehmen seit einiger Zeit wesentlich schnel-

auf ihrem Engagement, das Anerkennung nicht nur

ler zu als Genomanalysen, denn für das, was die Ei-

in einer Weiterförderung durch Bund und Land in der

genschaft einer Pflanze für den Menschen letztlich

Leibniz-Gemeinschaft erfährt, sondern zuvorderst

ders breit angelegte multidisziplinäre

Regional pflegt das Institut sehr enge

ausmacht, sind Proteine und Naturstoffe (Metaboli-

durch unsere Publikationen und die am Institut her-

Strategie, welche chemische, physiologi-

Beziehungen zur Martin-Luther-Univer-

nanziertes außeruniversitäres Forschungs-

ten) entscheidend. Und dafür ist unser Institut ausge-

vorragend und stark interdisziplinär ausgebildeten

sche, zellbiologische, biochemische, mo-

sität Halle-Wittenberg. Dies kommt be-

institut mit dem juristischen Status einer

zeichnet aufgestellt; denn bereits seit über fünfzehn

Nachwuchswissenschaftler.

lekularbiologische und genetische Me-

sonders durch gemeinsame Berufungen

Stiftung des öffentlichen Rechts des Lan-

thoden sowie die zugehörige Informatik

der wissenschaftlichen Leitungsposi-

des Sachsen-Anhalt neu gegründet. Seit-

Jahren untersuchen wir als eines der ersten Institute das Metabolom von Pflanzen mit Schwerpunkt auf

Ihnen als Leser bietet dieser Bericht die Gelegenheit,

umfasst, um so die Analyse, Bedeutung

tionen zum Ausdruck, wobei die Abtei-

dem ist das Institut Mitglied der jetzigen

den spezialisierten, analytisch besonders aufwändi-

mehr über ausgewählte Projekte dieser Mitarbeiter

und Anwendung kleiner Moleküle aus, in

lungsleiter in Personalunion eine Pro-

Leibniz-Gemeinschaft (www.leibniz-ge-

gen Sekundärstoffwechsel. Möglich wurde das durch

und Kooperationen zu erfahren. Wenn Sie ergänzend

und an Pflanzen zu erforschen und die

fessur an der Universität einnehmen. Das

meinschaft.de) mit ihren 89 wissen-

die ausgezeichnete Integration von biologischer und

zum Rückblick mehr über zukünftige Entwicklungen

molekularen Interaktionen der komplexen

Institut betreibt engagiert die Förderung

schaftlichen Einrichtungen. Das IPB ge-

chemischer Fachkenntnis am IPB und durch den kon-

erfahren möchten, scheuen Sie sich nicht, unsere

biologischen Prozesse von Pflanzen unter

des wissenschaftlichen Nachwuchses,

hört zur Sektion C: Lebenswissenschaf-

sequenten Aufbau entsprechender Infrastruktur und

Forscher anzusprechen.

variierenden Umweltbedingungen zu er-

zu dem neben den über 60 Doktoranden

ten, welche die Kernthemen Gesundheit

kunden. Dabei nimmt die Grundlagenfor-

und Postdoktoranden derzeit zwei ei-

und Biodiversität abdeckt. Es ist an drei

schung eine zentrale Stellung ein. Sie ist

genständige Nachwuchsgruppen (Habi-

Leibniz-Forschungsverbünden beteiligt,

um pflanzliche Leistung zu verstehen, zu verbessern,

Ausgangspunkt für innovative anwen-

litanden) zählen. Das wichtigste Element

wovon einer (Wirkstoffe und Biotechnolo-

und z.B. zur Herstellung von Wirkstoffen zu nutzen.

dungsorientierte Forschungsprojekte zur

dieser Zusammenarbeit ist der Wissen-

gie) am IPB koordiniert wird.

Mit diesen Aktivitäten wurde unser Institut 2013 vom

pflanzlichen und humanen Gesundheit

schaftsCampus Pflanzenbasierte Bioö-

Senat der Leibniz-Gemeinschaft evaluiert und erhielt

und Ernährung sowie für pflanzenbasierte

konomie (www. sciencecampus- halle.de).

Die Organe der Stiftung sind der Stif-

die maximale Verlängerung der gemeinsamen Basis-

Produkte und Prozesse der Bioökonomie.

Ferner ist das IPB einer der institu-

tungsrat, der Wissenschaftliche Beirat

Im Bereich der Pflanzenwissenschaften

tionellen Partner im Deutschen Zentrum

und das Direktorium. Der Geschäftsfüh-

zählt das IPB damit zu den führenden In-

für integrative Biodiversitätsforschung

rende Direktor und die Administrative Lei-

Informatik. Analoge Proteomuntersuchungen komplettieren das Bild, und die Ergebnisse nutzen wir,

Ihr

förderung durch Bund und Land. Damit sind die er-

1

heblichen Veränderungen der Vorjahre wie die Neu-

die wirklich abgelesenen Gene

2

die mit den abgelesenen Genen produzierten Eiweiße, z.B. Enzyme als Biokatalysatoren

stituten. Es ist bestrebt, seinen Mitarbei-

(iDiv: www.idiv-biodiversity.de), welches

terin sind Teil des Direktoriums und bilden

die niedermolekularen chemischen Inhaltsstoffe

tern und insbesondere den Nachwuchs-

2012

bundesweitem

die Geschäftsführung des Instituts. Der

von zwei unabhängigen Nachwuchsgruppen, allem

(Metaboliten) in einem Organismus, gewöhnlich mit

und Gastwissenschaftlern ein exzellentes

Wettbewerb von der DFG dem Verbund

Wissenschaftliche Institutsrat (WIR) – be-

voran aber unsere wissenschaftlichen Leistungen

Hilfe der Enzyme in der Zelle produziert

Umfeld von internationalem Rang zu bie-

aus Halle-Jena-Leipzig zugesprochen

stehend aus den Leiterinnen und Leitern

ten. Das Institut engagiert sich daher in

wurde.

der wissenschaftlichen Arbeitsgruppen

orientierung von zwei Abteilungen (MSV und SZB) und von Teilen der Verwaltung, sowie die Einrichtung

8

Bund und vom Land Sachsen-Anhalt fi-

3

nach

einem

9

und Vertretern der Postdoktoranden und Doktoranden – berät das Direktorium und

• Analytik, Chemie und biologische Wirkung von Naturstoffen

den Stiftungsrat in grundsätzlichen wissenschaftlichen Fragen. Der Personalrat vertritt die Arbeitnehmer des Institutes.

pflanzlichen Entwicklung und Anpassung an fluktuierende Umwelt- und Standortbedingungen. Neben einer Plastizität ziel-

• Biosynthese und Biotechnologie pflanzlicher Sekundärstoffe

gerichteten Organwachstums reagieren Pflanzen auf Umweltveränderungen und

Forschungsschwerpunkte - Unser Weg in die Zukunft

lokale Herausforderungen mit einer flexiDas Institut besteht aus vier wissenschaftlichen Abteilungen: Stress- und Entwick-

• Pflanzliche Signalmoleküle und ihre Wirkung

lungsbiologie (SEB), Natur- und Wirkstoff-

blen Umsteuerung ihres zentralen und peripheren Stoffwechsels. Mit Hilfe niedermolekularer Substanzen werden externe

chemie (NWC), Molekulare Signalverar-

• Pflanze-Mikroben-Interaktion /

Ressourcen maximal erschlossen, Krank-

beitung (MSV), und Stoffwechsel- und

Chemische Kommunikation

heitserreger und Fraßfeinde abgewehrt,

Zellbiologie (SZB), sowie abteilungsunab-

oder es wird mit anderen Organismen

hängigen Forschungsgruppen, darunter

Dies findet seinen Wiederhall in Änderun-

zwei unabhängigen Nachwuchsgruppen

gen der Arbeitsgruppen, stellvertretend

passungsreaktionen auf veränderte exter-

(Proteinerkennung und –abbau, und Ubi-

sei hier die Einrichtung der neuen AG

ne Bedingungen werden über die Einbin-

quitinierung in der Immunantwort) und

Synthetische Biologie (Leiter: Sylvestre

dung multipler und hoch-komplexer infor-

der Abteilung Administration und Infra-

Marillonnet) in der Abteilung SZB ge-

mationsverarbeitender molekularer Netz-

struktur (AdmIn). Das IPB beschäftigt

nannt. Instrumental ist auch das Engage-

werke reguliert und auf zellulärer und sys-

etwa 190 Angestellte; es sind über 100

ment des IPB im Wissenschaftscampus.

temischer Ebene realisiert. Die Kenntnis

Wissenschaftler mit etwa 20 Nationalitä-

Dessen Basisförderung kann nach dem

von Struktur, Synthese, Funktion und

ten und mehr als 50 Doktoranden in der

Ende der ersten Förderperiode 2014

Wirkmechanismen biologisch aktiver

Forschung aktiv.

durch Bewilligungen im Rahmen des

Stoffwechselprodukte und -intermediate

neuen SAS-Verfahrens der Leibniz-Ge-

ist daher Voraussetzung für ein umfassen-

Aktuelle Entwicklungen

meinschaft und Zusagen des Landes

des Verständnis pflanzlicher Diversität so-

Mitte 2013 wurde das Institut von der un-

Sachsen-Anhalt nahtlos fortgeführt wer-

wie von wachstums- und entwicklungs-

abhängigen Evaluierungsgruppe unter

den (zweite Periode bis 2018).

fördernden Adaptationsprozessen. Dieser

der Leitung von Professor Alexander

chemisch kommuniziert. Pflanzliche An-

Erkenntnisgewinn ermöglicht neue Wege

Steinbüchel bewertet. Die Kommission

Nach der Etablierung von zwei neuen Ab-

zu einer nachhaltigen Pflanzenproduktion

und folgend der Senat der Leibniz-Ge-

teilungen in den Vorjahren, strategischer

und für innovative Biotechnologie- und

meinschaft haben sowohl die bisherigen

Fokussierung und Abschluss der Evaluie-

Wirkstoffentwicklungen als Grundlagen

Leistungen des Instituts als auch seine

rung konnte das IPB seine wissenschaft-

einer pflanzenbasierten Bioökonomie.

strategische Zukunftsplanung sehr positiv

liche Leistung 2013 und 2014 weiter stei-

bewertet. Daraufhin hat die Gemeinsame

gern. Arbeiten des Instituts wurden erst-

Der Forschungsauftrag des Leibniz-Insti-

Wissenschaftskonferenz von Bund und

mals in über 200 wissenschaftlichen Pu-

tutes für Pflanzenbiochemie, welcher im

Ländern mit Beschluss vom 20.03.2014

blikationen veröffentlicht, nahezu alle da-

Zuge des globalen Wandels an gesell-

die gemeinsame Förderung ohne Ein-

von in begutachteten Zeitschriften und

schaftlicher Relevanz gewinnt, wird in ei-

schränkung für weitere sieben Jahre (Ma-

Büchern renommierter Verlage, viele da-

ner einzigartigen Konstellation und Bün-

ximalzeit) beschlossen. Bund und Land

von in sehr guten und hochrangigen Zeit-

delung von chemischen und biologi-

stellen dazu fest:

schriften. Details finden sich in den Be-

schen Kompetenzen in vier wissenschaft-

richten der Abteilungen. Ferner gab es

lichen Abteilungen und Nachwuchsgrup-

„Die positive Gesamtwürdigung der Weiterent-

zwei Habilitationen, und Dr. Marcel Quint,

pen umgesetzt. Diese wissenschaftliche

wicklung des IPB auf hohem Niveau seit der

AG-Leiter in der Abteilung MSV erhielt

Expertise ermöglicht eine enge themati-

letzten Evaluierung werden von Bund und Sitz-

den Ruf auf eine Professur der Martin-Lu-

sche und kooperative Verknüpfung von

land sehr begrüßt. Mit seinem Alleinstellungs-

ther-Universität.

Natur- und Wirkstoffchemie, Biochemie

merkmal, der interdisziplinären Kombination

und Pflanzenbiologie, die durch gemein-

Forschungsprofil

sam etablierte und genutzte technologi-

Pflanzen haben sich im Laufe der Evolu-

sche Plattformen und Datenbanken unter-

tion als Konsequenz ihrer sessilen Lebens-

stützt wird. So ist die umfassende Analyse

und Wirkstoffchemie, leistet es wichtige Beiträ-

weise zu Spezialisten der flexiblen Anpas-

pflanzlicher und pilzlicher Naturstoffe ein

ge, die von überregionaler Bedeutung und ho-

sung mit hoher Widerstandsfähigkeit ent-

zentraler Schwerpunkt im Forschungs-

her forschungspolitischer Relevanz sind. In der

wickelt. Die daraus resultierende Arten-

konzept des Institutes, an den weitere

nationalen Bioökonomiestrategie besetzt das

vielfalt spiegelt sich in einer enormen

Forschungsschwerpunkte assoziiert sind.

chemischen Diversität pflanzlicher Natur-

Zur umfassenden qualitativen und quanti-

stoffe wider. Die artspezifischen Muster

tativen Erfassung von Naturstoffen in bio-

Die Forschung des IPB wird sich dazu in

dieser Naturstoffe erhalten eine zusätzli-

logischen Materialien und zur Aufklärung

den nächsten Jahren auf folgende Haupt-

che Dimension der Komplexität durch dy-

ihrer Struktur werden in einem abtei-

themengebiete fokussieren:

namische Veränderungen während der

lungsübergreifenden Kompetenzbereich

von grundlagenorientierter molekularer Pflanzenbiologie und anwendungsorientierter Natur-

IPB eine wichtige Rolle.“

10

11

Institutsvorstellung und Organigramm

Foundation Council Ministerialrat Thomas Reitmann Senior Superior Counsellor

Public Relations moderne analytische Verfahren einge-

kleinsäuren bilden funktionale Module für

kriptom-, Proteom- und Metabolom-Ana-

setzt und neu entwickelt. Dies bildet die

diese molekularen Prozesse als auch

lysen zur funktionellen Charakterisierung

Sylvia Pieplow

Grundlage zur Untersuchung der biologi-

geeignete Interventionsziele für die ange-

von Genen, die im Rahmen des Stoff-

Personal Assistant to the Managing Director

schen Funktionen von Naturstoffen und

wandte Wirkstoffforschung. Unter diesen

wechsels von Naturprodukten eine ent-

ihrer Biosynthese als auch für die Ent-

Aspekten werden die Mechanismen der

scheidende Rolle für die pflanzliche Ent-

deckung neuer Leitstrukturen. Die Struk-

chemischen Kommunikation untersucht,

wicklung und Anpassung spielen. Durch

turaufklärung, chemische Synthese und

insbesondere von Pflanzen mit pilzlichen

die zunehmende Zahl sequenzierter

Derivatisierung von Naturstoffen liefern

Symbionten oder Phytopathogenen, so-

pflanzlicher Genome und Transkriptome

einen wichtigen Beitrag zur Aufklärung ih-

wie die Organisation von Signaltransduk-

gewinnen systembiologische Ansätze für

rer biologischen Aktivität, Erweiterung ih-

tions-, Biosynthese-, Transport- und Ab-

die Analyse metabolischer und regulatori-

rer strukturellen Diversität und Entwick-

bauwegen. Dabei kommen umfassende

scher Netzwerke an Bedeutung.

lung von Wirkstoffen. Die Charakterisie-

Transkriptom-, Proteom- und Metabolom-

rung von Enzymen und regulatorischen

Analysen zum Einsatz, die zunehmend

12

Scientific Advisory Board

Superior Counsellor

Prof. Tina Romeis Chairwoman

Prof. Norbert Sewald

Board of Directors Funding and Cooperation

Vice-Chairman

Prof. Ludger Wessjohann Managing Director

Dr. Daniela Geisler

Christiane Cyron

Head of Administration

Prof. Steffen Abel Prof. Dierk Scheel Prof. Alain Tissier

Die Speicherung, Auswertung und Ver-

Proteinen sowie ihren kodierenden Genen

gewebe- und zellspezifische Profilände-

knüpfung der in den Forschungsschwer-

ermöglicht das Studium der zellulären,

rungen quantifizieren und katalogisieren.

punkten - Naturstoffe und deren Biotech-

gewebespezifischen und systemischen

Darüber hinaus erlaubt die Anwendung

nologie, Signalmoleküle und molekulare

Organisation von Biosynthesewegen und

und Entwicklung moderner zellbiologi-

und organismische Interaktionen - gene-

deren Kontrollebenen und damit der

scher Methoden im Rahmen abteilungs-

rierten enormen Datenmengen ist nur mit-

pflanzlichen Produktions- und Speicher-

übergreifender technologischer Plattfor-

tels einer integrierten Bio- und Chemoin-

prozesse. Diese Erkenntnisse sind die

men und Kooperationen die Analyse der

formatik möglich. Insbesondere die Meta-

Grundlage der Entwicklung von Biokataly-

Dynamik molekularer Interaktionen im le-

bolom- und Proteomanalysen erfordern

satoren, die umweltfreundlichere, nach-

benden Organismus. Die chemische

neue Methoden zur Metabolitenidentifika-

haltigere Prozesse aber auch den Zugang

Struktur miteinander in Wechselwirkung

tion, der Datenauswertung und –verarbei-

zu völlig neuen Produkten erlauben. Im

tretender Moleküle wird durch gentech-

tung und die Verknüpfung mit den um-

Umfeld schwindender Ressourcen sind

nische Verfahren, gerichtete Evolution

fangreichen Datensätzen der Sequenz-

biotechnologische und dabei vor allem

und chemische Derivatisierung modi-

und Expressions- und Wirkprofilanalysen.

pflanzenbasierte Produktionsprozesse

fiziert, so dass die Effekte der Verände-

Die Informatik ermöglicht die Entschlüsse-

der Schlüssel zu einer wissensbasierten

rung an geeigneten Modellen oder in

lung von Zusammenhängen als auch die

Bioökonomie.

Screeningverfahren untersucht werden

Vorhersage von Eigenschaften aus in ihrer

können und schließlich Moleküle mit den

Struktur zum Teil völlig unterschiedlichen

Die genetisch determinierte pflanzliche

gewünschten Eigenschaften (z.B. Wirk-

Datensätzen und damit ein besseres Ver-

Entwicklung und ihre Modulation im Kon-

stoffe, Signalträger, Enzyme) selektiert

ständnis des biologischen Systems Pflan-

text einer Anpassung an Umwelt- und

werden. Die Grundlage dafür bildet die

ze. Auf der reduktionistischen Erkenntnis-

Standortbedingungen beruhen auf der

Entwicklung neuer Synthese- und Selek-

ebene bilden detaillierte biochemische

rezeptorvermittelten Perzeption von abio-

tionsprozesse sowie geeigneter Assay-

Untersuchungen der Genprodukte, Struk-

tischen und biotischen Parametern und

und Analyseverfahren, die durch die Visu-

tur-Funktions-Analysen sowie molekulare

auf der Generierung Stimulus-spezifi-

alisierung molekularer Wechselwirkungen

Interaktionsstudien die Voraussetzung für

scher endogener Signale. Der Informa-

mittels Computational Modeling unter-

ein umfassendes molekulares Verständnis

tionsgehalt chemischer Signalträger wird

stützt werden.

Administration and Infrastructure Christiane Cyron

interpretiert und mittels veränderter Gen-

Die enge Kombination naturstoffchemi-

forschung. Der Einsatz von spezifischen

expressionsmuster in die entsprechen-

scher, biochemischer, molekularbiologi-

Allelen, relevanten Mutanten und transge-

den physiologischen Anpassungsreaktio-

scher, genetischer und zellbiologischer

nen Pflanzen ermöglicht nicht nur die bio-

nen gezielt umgewandelt, die in der Regel

Forschungsansätze ermöglicht eine funk-

logische Analyse der Genfunktion, son-

auf transient und lokal veränderten

tionsbasierte Genidentifizierung sowie

dern auch die Erzeugung von Modellpflan-

Profilen von spezifischen Stoffwechsel-

neue experimentelle Zugänge zur Gen-

zen mit verändertem Naturstoffprofil, neu-

produkten basieren. Für diese Prozesse

funktionsanalyse. Genetische Ansätze in

en gesundheitsrelevanten Inhaltsstoffen

bilden vielfältige molekulare Interaktionen

Modell- und Nutzpflanzen, wie z.B. Muta-

oder verbesserter Anpassung an be-

die Grundlage. Ihre interdisziplinäre

genese, Analyse der natürlichen Variabili-

stimmte Standorte und Umweltsituatio-

Analyse ist deshalb von zentraler Bedeu-

tät oder Methoden der chemischen Gene-

nen. Solche experimentellen Pflanzen sind

tung für das Forschungskonzept des

tik, beschleunigen die Identifizierung un-

als biologische Testsysteme für die Züch-

Institutes. Die Interaktionen von Proteinen

bekannter Gene und informativer Allele

tung ressourcenschonender Nutzpflanzen

mit niedermolekularen Liganden oder

mit essentiellen als auch quantitativ abge-

unverzichtbar und für die nachhaltige Pro-

zwischen Makromolekülen sowie kovalen-

stuften Funktionen im pflanzlichen Stoff-

duktion wertvoller Naturstoffe und Biokata-

te Modifikationen von Proteinen und Nu-

wechsel. Im Gesamtkonzept folgen Trans-

lysatoren von hoher Anwendungsrelevanz.

Human Resources Finance and Accounting Purchasing Information and Documentation

Chemical Store Technical Equipment and IT Support Gardening Services Buildings and Facility Management

Molecular Signal Processing

Bioorganic Chemistry

Stress and Developmental Biology

Cell and Metabolic Biology

Prof. Steffen Abel

Prof. Ludger Wessjohann

Prof. Dierk Scheel

Prof. Alain Tissier

Nutrient Sensing Steffen Abel

Natural Products Norbert Arnold & Jürgen Schmidt

Molecular Communication in Plant-Pathogen Interactions Wolfgang Knogge

Glandular Trichome and Isoprenoid Biosynthesis Alain Tissier

Ubiquitination in Immunity Marco Trujillo

Defense Metabolism Selma Gago Zachert & Steffen Abel

Chemoenzymatics Ludger Wessjohann & Wolfgang Brandt

Cellular Signaling Dierk Scheel & Justin Lee

Carotenoid Metabolism & Mycorrhiza Michael H. Walter & Alain Tissier

Protein Recognition and Degradation Nico Dissmeyer

Signal Integration Luz Irina Calderón Villalobos

Synthesis Ludger Wessjohann & Bernhard Westermann

Induced Pathogen Defense Dierk Scheel & Sabine Rosahl

Jasmonate Function & Mycorrhiza Bettina Hause

Auxin Signaling Marcel Quint

Spectroscopy Andrea Porzel & Jürgen Schmidt

Bioinformatics & Mass Spectrometry Steffen Neumann

Phenylpropanoid Metabolism & Protein Biochemistry Thomas Vogt

Screening Norbert Arnold & Bernhard Westermann

Metabolite Profiling Dierk Scheel

Synthetic Biology Sylvestre Marillonnet

der Gen-, Protein- und Metabolitenfunktionen und somit für eine gezielte Wirkstoff-

über zelluläre und systemische Netzwerke

Dr. Henk van Liempt

Computational Chemistry Wolfgang Brandt & Andrea Porzel

Independent Research Groups

Proteome Analytics Wolfgang Hoehenwarter

Stand: 07. 10. 2014

13

Leitung und Gremien des Instituts Geschäftsleitung und Direktorium

Wissenschaftlicher Beirat 2013 - 2014

Prof. Ludger Wessjohann

Prof. Sabine Flitsch

Geschäftsführender Direktor

Vorsitzende des Wissenschaftlichen Beirats (bis Dezember 2013)

Leiter der Abteilung Natur- und Wirkstoffchemie

Manchester Interdisciplinary Biocentre (MIB)

Christiane Cyron

Prof. Andreas Schaller

Administrative Leiterin

Stellvertretender Vorsitzender (bis Dezember 2013)

Leiterin der Abteilung Administration und Infrastruktur

Universität Hohenheim

Prof. Steffen Abel

Prof. Tina Romeis

Leiter der Abteilung Molekulare Signalverarbeitung

Vorsitzende des Wissenschaftlichen Beirats (ab Januar 2014) Freie Universität Berlin

Prof. Dierk Scheel Leiter der Abteilung Stress- und Entwicklungsbiologie

Prof. Norbert Sewald Stellvertretender Vorsitzender (ab Januar 2014)

Prof. Alain Tissier

Universität Bielefeld

Leiter der Abteilung Stoffwechsel- und Zellbiologie

Prof. Axel Brakhage Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie e.V. Hans-Knöll-Institut (HKI), Jena

Stiftungsrat Ministerialrat Thomas Reitmann Vorsitzender des Stiftungsrats Ministerium für Wissenschaft und Wirtschaft des Landes Sachsen-Anhalt

Prof. François Buscot Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH (UFZ), Halle

Prof. Jonathan Gershenzon (bis Dezember 2013) Max-Planck-Institut für Chemische Ökologie, Jena

Dr. Henk van Liempt Stellvertretender Vorsitzender, Vertreter des Bundes

Prof. Bernhard Hauer

Bundesministerium für Bildung und Forschung

Universität Stuttgart

Gisela Liepelt

Prof. Thisbe Lindhorst

Ministerium für Wissenschaft und Wirtschaft des Landes Sachsen-Anhalt

Universität Kiel

Prof. Birgit Dräger

Prof. Rainer Metternich (bis Dezember 2013)

Prorektorin für Struktur und Finanzen der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

Small Molecule Research (SMR), Basel, Scjweiz

Vertreterin des Rektors

Prof. Michael Metzlaff Prof. Sabine Flitsch

Bayer AG, Leverkusen

Vorsitzende des Wissenschaftlichen Beirats (bis Dezember 2013)

Prof. Martin Parniske Prof. Andreas Schaller

Universität München (LMU)

Stellvertretender Vorsitzender des Wissenschaftlichen Beirats (bis Dezember 2013)

Prof. Dorothea Tholl Prof. Tina Romeis

Virginia Tech, Blacksburg, USA

Vorsitzende des Wissenschaftlichen Beirats

Prof. Nicolaus von Wirén Prof. Norbert Sewald

Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK), Gatersleben

Stellvertretender Vorsitzender des Wissenschaftlichen Beirats

14

15

Department of Molecular Signal Processing

Abteilung Molekulare Signalverarbeitung

Head: Professor Steffen Abel

Leiter: Professor Steffen Abel

Secretary: Alexandra Herrmann

Sekretariat: Alexandra Herrmann

he unifying theme of our department is to understand how

T

characterization of UGT74 glucosyltransferases and on the iden-

plants perceive and respond to environmental change, a

tification of regulatory genes of the glucosinolate pathway. Since

as übergreifende Forschungsthema unserer Abteilung

sense long non-coding RNAs (NAT-lncRNAs) in den Mittelpunkt

Umweltbedingungen reagieren und sich optimal anpas-

dieser AG gerückt (Projektgruppe RNA Biology).

ted control of gene expression, in particular of multigene fami-

D

besondere von Multigenfamilien, durch sogenannte natural anti-

besteht darin, zu ergründen, wie Pflanzen auf veränderte

topic of heightened importance for basic and translational

the departure of Dr. Grubb in fall 2013, research on RNA-media-

plant research. Plants evolved to masters of resilience as a con-

sen. Diese Thematik ist von hohem Interesse für die Grundlagen-

sequence of their sessile lifestyle and implement unique adap-

lies, by natural antisense long non-coding RNAs (project group

forschung sowie die angewandten Pflanzenwissenschaften. Als

Schwerpunkt der AG Signalintegration bildeten die Mechanis-

tive strategies for survival. They respond to local challenge or

on RNA biology) has become a major thrust of this working group.

Konsequenz ihrer Sessilität haben Pflanzen sich zu Spezialisten

men der Perzeption kleiner Signalmoleküle über ternäre Ligand-

der Anpassung und Widerstandsfähigkeit entwickelt. So rea-

Korezeptor-Komplexe. Die Bildung solcher Komplexe wird über

opportunity with directional growth for stress evasion or habitat exploration, and with the synthesis of bioactive chemicals for

The Signal Integration group studied the mechanisms of how

gieren diese auf lokale Veränderungen mit gerichtetem Wachs-

unterschiedliche Signalwege gesteuert und führt zur kontrollier-

communication and self-defense. An array of chemical media-

small molecules are perceived via the assembly of ternary ligand

tum, um günstigere Areale zu erreichen oder unvorteilhafte Be-

ten, ubiquitinabhängigen Proteolyse spezifischer Zielproteine,

tors and their processing networks govern post-embryonic plant

co-receptor complexes. Such complexes integrate multiple sig-

dingungen zu meiden. Darüber hinaus reagieren Pflanzen mit

die oft als Regulatoren der Genexpression fungieren. Ausgangs-

development and fine-tune plant growth and metabolism as in-

naling inputs and subsequently control ubiquitin-mediated de-

einer profunden Anpassung ihres Stoffwechsels, um chemisch

punkt für diese Arbeiten sind Struktur-Funktions-Analysen des F-

formed by local cues. We

gradation of select target

effizienter zu kommunizieren und sich wirksamer gegen Fraß-

Box-Protein (TIR1/AFB)-Auxin-AUX/IAA-Korezeptorsystems, wel-

are interested in exploring

proteins, which often are

feinde oder Krankheitserreger zu schützen. Pflanzliche Reaktio-

ches die Auxin-abhängige Genexpression über den Abbau von

how plants monitor and

key regulators of primary

nen auf die Umwelt werden oft über die Einbindung hormonaler

AUX/IAA-Repressoren reguliert.

perceive external parame-

gene expression. The stu-

Module der Signaltransduktion gesteuert und auf zellulärer und

ters, transmit and inte-

dy of structure-function re-

organismischer Ebene realisiert. Das Hauptinteresse der Abtei-

Die AG Auxin-Signaltransduktion verfolgte zwei Forschungs-

grate information about

lationships of F-Box pro-

lung besteht in der prinzipiellen Fragestellung, wie Pflanzen

richtungen. Genetische Arbeiten über Auxin-regulierte Sig-

their surroundings, and

tein (TIR1/AFB):auxin:AUX/

abiotische und biotische Parameter wahrnehmen, den Informa-

nalnetzwerke der vergangenen Jahre wurden um Studien erwei-

deploy appropriate meta-

IAA co-receptor complexes

tionsgehalt dieser interpretieren und über biochemische Signal-

tert, welche die molekularen Anpassungsmechanismen von Mo-

bolic and developmental

has been used as a para-

wege prozessieren, um adäquat auf Umweltveränderungen mit

dell- und Nutzpflanzen an moderat erhöhte Umgebungstempe-

responses to shifting abi-

digm and starting point

spezifischer Anpassung ihres Stoffwechsels sowie Wachstums-

raturen untersuchen (Projektgruppe Temperatur Sensing). Wei-

otic conditions and co-

for this line of investiga-

verhaltens reagieren zu können. Dieses Ziel wurde während der

tere Arbeiten in einem zweiten Schwerpunkt haben umfassende

evolving biotic stressors

tion.

vergangenen zwei Jahre in vier Arbeitsgruppen und assoziierten

Datensätze aus phylogenetischen Studien und globalen Genex-

Projektgruppen interaktiv verfolgt. Besondere Schwerpunkte

pressionanalysen kombiniert, um in einem Phylotranscriptomics-

for optimal growth. During the past two years, we pur-

Research interests of the

bildeten Untersuchungen zu Mechanismen der Perzeption von

Ansatz komplexe molekulare Entwicklungsprozesse, wie z. B. die

sued this common goal in

Auxin Signaling group

abiotischen Faktoren, wie z.B. Nährstoffverfügbarkeit oder Erhö-

Embryogenese, aus einer Evolutionsperspektive zu beschreiben

four research groups and

pursued two lines of inves-

hung der Umgebungstemperatur, zur Organisation und Regula-

(Projektgruppe Phylotranscriptomics).

associated project groups.

tigation. Recent work on

tion des Abwehrstoffwechsels, sowie zur Signalintegration in der

Major directions of re-

auxin-regulated signaling

pflanzlichen Hormonwirkung. Chemische Wechselwirkungen

Höhepunkte der Abteilung MSV (2013-2014): Marcel Quint

search comprised three

pathways has given way to

zwischen Wurzelsystem und Rhizosphäre bildeten einen weite-

(Auxin-Signaltransduktion) wurde Ende 2014 zum Universitäts-

integrated program areas:

the exploration of how

ren Fokus.

Professor (W3) an die Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

(i) perception of environ-

plants sense and adapt to small ambient temperature changes (project group on tempera-

Die AG Nährstoffperzeption untersuchte, wie die biologische

einem Projekt in die letzte vierjährige Förderungsphase des SFB

differentials; (ii) reprogramming of metabolism in response to

ture sensing). As a second research focus, the establishment of

Verfügbarkeit von Nährstoffen, insbesondere von Phosphat und

648 aufgenommen. Selma Gago Zachert (Abwehrstoffwechsel)

biotic challenge; and (iii) signal integration during the perception

phylotranscriptomic approaches in Arabidopsis has successfully

Eisen, die Wurzelentwicklung lokal über die Zellteilung und -dif-

wurde als neue Projektleiterin in den GRK 1594 aufgenommen.

of small molecules, with an emphasis on plant-rhizosphere inter-

been employed to understand complex molecular processes in

ferenzierung in den Meristemen sowie über die Ausscheidung

Luz Irina Calderón Villalobos wurde für das Young Leaders in

actions.

an evolutionary context, such as plant embryogenesis and other

von niedermolekularen Exsudaten in die Rhizosphäre beinflusst

Science Mentoring-Program der Schering Foundation ausge-

major transitions during plant development (project group on

(Projektgruppen Phosphat Sensing und Metabolit Profiling). Die

wählt. Carolin Delker und Selma Gago Zachert hatten sich erfolg-

phylotranscriptomics).

Projektgruppe Calcium Sensing bearbeitete eine neue Klasse

reich für das Leibniz-Mentoring-Program für junge Wissenschaft-

calmodulin-regulierter Proteine, die an Mikrotubuli binden und

lerinnen beworben.

The Nutrient Sensing group investigated how bioavailabilities of immobile nutrients, in particular phosphate and iron, inform root

16

berufen. Katharina Bürstenbinder (Calcium Sensing) wurde mit

mental parameters such as nutrient availability or temperature

development via altered root meristem activity and modify chem-

Departmental Highlights (2013-2014): In fall 2014, Marcel Quint

als sogenannte Plattform-Proteine zelluläre Transportprozesse

ical interactions in the rhizosphere via root exudates (project

(Auxin Signaling) was offered the position University Professor

steuern und verschiedene Signalwege integrieren.

groups on phosphate sensing and metabolite profiling). The as-

(W3) at the Martin Luther University Halle-Wittenberg. Katharina

sociated project group on calcium sensing studied a novel class

Bürstenbinder (Calcium Sensing) joined the SFB 648 during its fi-

Die AG Abwehrstoffwechsel widmete sich der Biosynthese von

of calmodulin-regulated and microtubule-associated proteins that

nal funding cycle. Selma Gago Zachert (Defense Metabolism) joined

Abwehrmetaboliten (Glukosinolate) und deren Regulation in Ara-

function as scaffolds in cellular signaling and trafficking.

the GRK 1594 as a full member. Luz Irina Calderón Villalobos (Sig-

bidopsis. Hierbei haben sich die Arbeiten auf die Charakteri-

nal Integration) was elected into the Young Leaders in Science

sierung von UGT74 Glukosyltransferasen und die Identifizierung

Activities of the research group Defense Metabolism centered

Management Program (Schering Foundation). Carolin Delker and

von regulatorischen Genen des Glukosinolatbiosyntheseweges

on the biosynthesis and regulation of defense compounds (glu-

Selma Gago Zachert were admitted into the Leibniz-Mentoring

konzentriert. Seit dem Weggang von Dr. Grubb im Herbst 2013,

cosinolates) in Arabidopsis. Research activities focused on the

Program.

sind Forschungsarbeiten zur Regulation der Genexpression, ins-

17

Collaborators Henrik Buschmann University of Osnabrück, Germany

Thierry Desnos, Laurent Nussaume CEA Cadarache, France

Geert De Jaeger VIB-University of Ghent, Belgium

Christiane Gatz, Volker Lipka

Nutrient Sensing

movement of the SHORT-ROOT (SHR)

Fe availability. The analysis of endoge-

University of Göttingen, Germany

transcription factor. Thus, antagonistic in-

nous and exuded organic acids also sug-

Gerd Hause

teractions of Pi and Fe availability adjust

gests their contribution to cell specific Fe

University of Halle, Germany

Head: Steffen Abel

primary root growth rate via meristem-

deposition after Pi deprivation.

Katie L. Moore

specific callose deposition, which is likely Our group pursues two directions of re-

triggered by LPR1-dependent ROS forma-

Calcium Sensing

tion and redox signaling (Fig. 2).

Calcium is a general second messenger

bules. Our extensive reverse genetic ana-

search. First, we wish to understand how

in plants. Generation of stimulus-depen-

lysis of the entire IQD gene family sug-

interactions of two immobile mineral nu-

dent Ca2+ signatures, decoding of the en-

gests roles for the control of plant deve-

2+

trients, phosphate and iron, inform root

crypted information by Ca sensors such

lopment and stress responses. We further

development via adjusting root meristem

as calmodulin (CaM), and specific cellular

showed that CaM binding and, with a few

activity and chemically modify the rhizo-

responses are integral signal transduction

exceptions, microtubule association as

sphere via altered root exudation. A se-

modules. We previously identified a novel

well as nuclear targeting are general pro-

cond focus investigates the functions of a

class of 33 CaM-binding proteins in Arabi-

perties of IQD proteins. Likewise, mem-

novel class of proteins that link intracellu-

dopsis, which are characterized by a

bers of distinct phylogenetic clades of the

lar calcium sensing to microtubule-asso-

plant-specific domain of multiple CaM re-

Arabidopsis IQD family interact with

ciated processes.

cruitment motifs, called IQ67 domain

KLCR1 and other KLCRs. The prospect ari-

(IQD). A detailed analysis of the founding

ses that IQD proteins provide an assort-

Phosphate Sensing

member, IQD1, which we identified in a

ment of microtubule-associated scaffolds

Inorganic phosphate (Pi) constitutes a

screen for altered glucosinolate accumu-

that integrate signaling pathways (Ca2+-

major nexus in metabolism, and its avail-

lation, confirmed IQ67-dependent CaM

dependent CaM binding, multiple phos-

interaction and revealed subcellular loca-

phorylation events) to regulate transport

lization to the cell nucleus (including nu-

of specific cargo along microtubule tracks

cleolus) and cytoskeleton (microtubules).

via kinesin motor proteins. Because IQD1

Fig. 2: Model of local Pi sensing in the Arabidopsis root meristem. The

ability directly impacts bioenergetics and plant performance. Pi immobility and re-

PDR2-LPR1 module regulates Pi- and Fe-dependent ROS formation and

sultant Pi limitation are caused by complex soil chemistries involving Fe and other transition metals. To cope with low Pi availability, plants activate a set of adaptive responses that reprioritize internal Pi allocation and maximize external Pi acquisition. Such countermeasures include re-

Fig. 1: Redesign of Arabidopsis root system architecture in response to Pi limitation.

callose deposition in the stem cell niche, which impacts symplastic

A yeast two-hybrid screen identified kine-

interacts with nucleic acids, IQD proteins

sin light chain-related 1 (KLCR1) as an in-

may further facilitate subcellular RNA lo-

communication (e.g., SHR movement).

teractor, which we confirmed in planta by

calization as one mechanism to control

IQD1-dependent recruitment to microtu-

gene expression (Fig. 3).

Metabolite Profiling

programming of metabolism to maintain Pi homeostasis and redesigning of root

sory mechanisms monitoring external Pi

players in local Pi sensing and functionally

Within the collaborative network Chemi-

system architecture to accelerate soil ex-

and interpreting the environmental signal

interact to adjust root meristem mainte-

cal Communication in the Rhizosphere,

ploration. When challenged by low Pi,

in Pi rescue efforts remain to be explored.

nance to Pi availability. While PDR2 en-

we developed several targeted and untar-

codes the single orphan P5-type ATPase,

geted profiling methods for polar and

plants attenuate primary root extension, promote lateral root development, and

We have taken genetic approaches in Ara-

we demonstrated that LPR1 encodes a

apolar metabolites using GC-MS and LC-

stimulate root hair formation, which are

bidopsis to dissect Pi sensing and identi-

cell wall-targeted ferroxidase. The PDR2-

MS to monitor changes in the chemical

thought to maximize Pi interception in

fied a set of Pi-DEFICIENCY RESPONSE

LPR1 module mediates cell-specific Fe de-

composition of root exudates and roots.

topsoil (Fig. 1). We and others showed that

genes (PDR1-PDR4), which we character-

position in cell walls of the apical root me-

We observed profound genotype depen-

external Pi status is sensed at root tips to

ized together with two LOW-Pi-ROOT genes

ristem. Fe accumulation coincides with

dent chemical alterations in exudate and

locally adjust root growth. While the phy-

(LPR1, LPR2) previously isolated by our

sites of callose deposition, which interferes

root composition upon Pi deprivation.

siological and biochemical responses to

collaborators (T. Desnos / L. Nussaume).

with symplastic communication in the

These changes primarily affect couma-

Pi limitation are well understood, the sen-

We showed that PDR2 and LPR1 are key

stem cell niche, as indicated by impaired

rines, which might be involved in cell specific Fe accumulation as these com-

Fig. 3: Model of IQD1 function as a scaffold protein in cellular signaling and trafficking.

pounds play important roles in controlling

Group Members Laura Bertermann

Stefanie Kümmel

Paul Pflug

Janine Teller

Research Assistant

Bachelor Student

PhD Student

Master Student

Katharina Bürstenbinder

Pratibha Kumari

Romina Plötner

Domenika Thieme

Postdoctoral Scientist

PhD Student

Bachelor & Master Student

Technician

Ranju Chutia

Dipannita Mitra

Jakob Quegwer

Theresa Toev

PhD Student & Scholarship Holder

PhD Student & Scholarship Holder

Master & PhD Student

PhD Student

Kristin Eismann

Jens Müller

Anne Rehkamp

Annika Wieghaus

Technician

Postdoctoral Scientist

Bachelor Student

Master Student

Marcus Heisters

Birgit Ortel

Ahmed Romel

Jörg Ziegler

PhD Student

Technician

PhD Student

Postdoctoral Scientist

Anshu Khatri

Sophie Perthel

Gina Stamm

Master Student

Master Student

Technician

18

University of Oxford

ie physikochemischen Eigenschaften von Phosphat (Pi) schränken dessen biologische Verfügbarkeit für Pflanzen im Boden erheblich ein. Pflanzen reagieren auf Pi-Mangel mit einer Umprogrammierung des Stoffwechsels und Anpas-

D

sung der Wurzelsystemarchitektur, um Pi-Ressourcen effizienter zu nutzen und zu erschliessen. Wir identifizierten erste molekulare Komponenten eines Pi-abhängigen Signalweges in Arabidopsis, der die Aktivität von Wurzelmeristemen an die lokale Pi-Verfügbarkeit anpasst. Ein wichtiges Modul in diesem Prozess bilden eine ER-lokalisierte P5-ATPase und sekretierte Ferroxidase. Diese regulieren die interzelluläre Kommunikation durch Plasmodesmata in der Stammzellnische der Wurzel über eine Pi- und Fe-abhängige, zellspezifische Bildung von Callose und somit das Wurzelwachstum. Weitere genetische und biochemische Arbeiten widmeten sich der funktionellen Charakterisierung von calmodulin-bindenden PlattformProteinen, die mit dem Zytoskelett (Mikrotubuli) assoziiert sind.

19

Defense Metabolism

tent and composition (gcc). A screen of T-

Heads: Selma Gago Zachert & Steffen Abel

identification of IQD1 (see page 19). Re-

DNA activation-tagged lines led to the cently, we identified the GCC8 locus, which is a major modifier of glucosinolate accumulation because gcc8 loss-of-func-

Two directions of research are at the cen-

tion alleles reduces total glucosinolate

ter of our group. First, we have a long-

content to less than 15% of wild type levels.

standing interest in glucosinolate metabolism and its control. Second, inspired

RNA Biology

by the identification of genes encoding

We are interested in the role of natural an-

natural antisense long non-coding RNAs,

tisense, long (>200 nt) non-coding RNAs

which overlap with genes involved in glu-

(NAT-lncRNAs) in gene expression control.

cosinolate biosynthesis and its regulation,

The production of complementary RNAs

we initiated research to explore the role of

during the transcription of opposite genes

regulatory RNAs in gene expression.

produces dsRNA, which induces the silencing machinery and production of

Fig. 2: NAT-lncRNAs and nat-siRNAs regulate gene expression in transient expression assays (tobacco leaves). (a) Expression of N-terminal GFP-tagged UGT73C6. The construct of the primary target was co-expressed with an unrelated sequence (λ DNA sequence, left) or with the NATlncRNA (NAT1-UGT73C6, right). (b) Expression of N-terminal YFP-tagged UGT73C5. The construct of the secondary target was co-expressed with an unrelated sequence (λ DNA sequence, left) or with the NAT-lncRNA (NAT1-UGT73C6, right). (c) Expression of N-terminal GFP-tagged UGT74E2. The construct expressing the secondary target was co-expressed with the primary

Glucosinolate Metabolism

small RNAs. Such nat-siRNAs derived

Glucosinolates are a small class of amino

from overlapping regions of protein-cod-

acid-derived secondary metabolites (>100

ing transcripts are involved in salt-stress

compounds) with a central role in the de-

response, defense against bacteria, hor-

fense of cruciferous plants against pests

mone regulation and plant reproduction.

and pathogens, including the model plant

We identified several NAT-lncRNA encod-

which we also observed for highly similar

mic extracts of evacuolated tobacco BY2

Arabidopsis thaliana. We continued sev-

ing genes that overlap with members of

secondary target genes (Fig. 2). To obtain

protoplasts. We expect to identify Dicer

eral lines of investigation to expand our

Arabidopsis multigene families, including

information about the cellular processes

and AGO proteins involved in dsRNA pro-

work on glucosinolate biosynthesis and

the Family 1 UGTs, the IQD family of cal-

that are regulated by NAT-lncRNAs, we

cessing and RISC-mediated cleavage of

its regulation. We previously demon-

modulin-binding proteins (see page 19),

established stable Arabidopsis lines to

target RNAs, respectively. Additionally,

strated that glucosyltransferase UGT74B1

and the families of Auxin Response Fac-

study the phenotypic effects of 35S::NAT-

this system will allow us to identify siRNA

is the major enzyme catalyzing the penul-

tors (ARFs) and AUX/IAA proteins. Given

lncRNA overexpression or NAT-lncRNA

that mediate efficient target down-regula-

timate step in glucosinolate biosynthesis.

the sequence conservation among family

down-regulation by artificial micro RNAs

tion. Our findings will be validated in vivo

Structure-function analysis of recombi-

members, NAT-lncRNAs may regulate not

(amiRNAs) that specifically target the se-

using available silencing mutants of A.

nant mutant UGT74B1 variants revealed a

only the expression of overlapping genes

lected NAT-lncRNA. To obtain information

thaliana.

general kinetic mechanism by which this

(primary targets) but also the expression

about spatio-temporal expression pat-

enzyme escapes product inhibition, which

of closely related genes (secondary tar-

terns, we generated transgenic Arabidop-

is observed both in vitro and in vivo.

gets). Additionally, NAT-lncRNAs may con-

sis lines harbouring NAT-lncRNA promot-

Collaborators

trol gene expression by direct interaction

er::GUS reporter constructs and com-

José M. Alonso

Ricardo Flores Pedauyé

Because ugt74b1 loss-of-function lines ac-

with factors involved in chromatin modifi-

pared patterns of NAT-lncRNA expression

cumulate significant quantities of both in-

cation and epigenetic silencing.

with the expression of potential primary

North Carolina State University, USA

Polytechnic University of Valencia, Spain

Sven Behrens, Milton Stubbs

John M. McDowell

dolylic and aliphatic glucosinolates (~50%), vitro activity screen of recombinant Arabi-

signal.

and secondary target genes.

we conducted a nearly comprehensive in dopsis Family 1 UGTs, which implicated

target construct (35S::UGT74D1) together with an unrelated sequence (λ DNA sequence, left) or with the NAT-lncRNA (NAT-UGT74D1, right). Down-regulation is visualized as a decreased GFP

We initiated studies to address the role of

Fig. 1: Morphological phenotypes of UGT74 knock-out alleles in the ugt74b1 null background.

other members of the UGT74 clade as candidate glucosyltransferases in glucosi-

synthesis, which therefore points a role of

nolate synthesis. Systematic genetic and

yet additional UGTs in the pathway. Inte-

biochemical analysis of this clade re-

restingly, loss of UGT74B1 and UGT74C1

We previously conducted several forward

vealed that UGT74C1 plays a special role

causes seedling lethality, presumably due

genetic screens to isolate Arabidopsis

in the aliphatic branch of glucosinolate

to auxin overproduction and/or accumu-

mutants with altered glucosinolate con-

lation of toxic intermediates (Fig. 1).

University of Halle, Germany

Virginia Polytechnic Institute and State University, USA

NAT-lncRNAs in planta and performed

We are collaborating with the group of

Christian Breuer

M. Soledade C. Pedras

transient expression assays in tobacco

Prof. Sven-Eric Behrens (University of Hal-

University of Saskatchewan, Canada

leaves. As expected, co-expression of

le) to investigate the mechanisms of NAT-

University of Cologne, Germany

NAT-lncRNA constructs and target genes

lncRNA mediated regulation of gene ex-

encoding GFP-tagged proteins induces

pression. We are using the recently estab-

down-regulation of the primary targets,

lished experimental system of cytoplas-

Paula Duque Gulbenkian Institute of Science, Portugal

ie Forschungsgruppe Abwehrstoffwechsel befasste sich mit zwei Themenkomplexen. Wir haben erfogreich unsere Arbeiten zur Glukosinolatbiosynthese und dessen Regulation fortgesetzt. Hierbei fokussierten wir uns auf den vor-

D

Group Members Katja Baumann-Kaschig

Michael André Fritz

Kalidoss Ramamoorthy

Mathias Schuppe

Technician

Master Student

PhD Student

Master Student

Tebbe de Vries

Susanne Höpfner

Claudia Schramm

Katja Seidel

Bachelor Student

PhD Student & Scholarship Holder

Guest Scientist

Master Student

Kristin Eismann

Shiv Kumar Meena

Melvin Schubert

Technician

PhD Student & Scholarship Holder

Bachelor & Master Student

20

letzten Schritt des Biosyntheseweges, der durch Glukosyltransferasen katalysiert wird. Das kinetische Verhalten des von uns identifizierten Enyzms UGT74B1 wurde über Struktur-Funktions-Analysen detailliert untersucht. Des weiteren haben wir eine zweite Glukosyltransferase in der Glukosinolatbiosynthese, UGT74C1, identifiziert und eingehend analysiert. Ein genetischer Ansatz führte zur molekularen Identifizierung des GCC8-Locus, der für die allgemeine Glukosinolatakkumulation bedeutend ist. Das zweite Hauptprojekt untersucht die Rolle von sogennanten natural antisense long non-coding RNAs für die Regulation der Genexpression ausgewählter Multigenfamilien. Erste Ergebnisse wurden für verschiedene Mitglieder der Family 1 UGT Glukosyltransferasen erzielt.

21

Collaborators Jochen Balbach, Ingo Heilmann, Milton Stubbs University of Halle, Germany

Mark Estelle

Signal Integration

University of California, USA

Jürgen Kleine-Vehn

Head: Luz Irina A. Calderón Villalobos

Our general research plan is designed to

address small molecule–mediated ubiqui-

characterize small molecule perception

tylation.

through protein stability mechanisms,

University of Natural Resources and Life Sciences, Vienna, Austria

Jennifer Nemhauser, Ningh Zheng University of Washington, USA

and, in the long term, to uncover roles for

Dr. Luz Irina A. Calderón Villalobos is a fel-

The Signal Integration Group is interested

small molecule interactions in specific

low of the Young Leaders in Science,

Umeå University, Sweden

in the mechanism of small molecule per-

plant responses and developmental

Management Program from the Ernst

Matias Zurbriggen

events. To evaluate the mechanisms of

Schering Foundation, Germany (2014/

University of Freiburg, Germany

FBP-target systems, we are deepening

2015).

ception in plants that depends on signalmediated interactions followed by ubiquitin-mediated protein degradation. An ultimate cellular switching on/off mechanism comprises the irreversible ubiquitin-mediated proteolysis of proteins, which guides numerous unidirectionally processes, such as hormone signaling, cell cycle or circadian rhythm. An E1-E2E3 enzymatic cascade, mediates the formation of ubiquitin chains covalently attached to targets for degradation. Ubiquitin chains of four or more moieties, linked through either Lys48 or Lys11 of ubiquitin, direct protein targets to the proteasome, in which degradation of ubiquitylated proteins takes place. Multiple monoubiquitins and other, non-Lys-linked ubiquitin chains have also been implicated in protein degradation, and the study of alternative degradation signals is a rapidly ad-

A

Fig. 1: A small molecule enhancing protein-protein interactions for subsequent ubiquitylation and degradation of targets. A. Auxin binding pocket zoom in depicts the empty groove during basal interactions of the FBP TIR1 and the degron of its target for degradation AUX/IAA.

Stéphanie Robert

our biochemical studies of the auxin receptor. Specifically, we are combining proteomics with biophysics, protein biochemistry together with structure-function analyses to elucidate the dynamics of receptor assembly and ubiquitination of targets. Thus, we have recently identified key features in the degradation targets

B

that modulate the sensing properties of the hormone co-receptors. By reconstituting SCF-dependent ubiquitination of targets, we are also integrating informa-

References Skaar J. R., et al. (2013) Nat. Rev. Mol. Cell. Biol. Jun; 14(6), 10.1038/nrm3582.

Petroski M.D., Deshaies R.J. (2005) Nat. Rev. Mo. Cell. Biol. 6, 9–20.

Komander D., Rape M. (2012) Annu. Rev. Biochem. 81, 203–229.

Sheard L.B., et al. (2010) Nature 468, 400-405 doi:10.1038/nature09430.

Hershko A., Ciechanover A. (1998) Annu. Rev. Biochem. 67, 425–479.

Tan X., et al. (2007) Nature 446, 640645.

Ikeda F., Dikic I. (2008) EMBO Rep. 9, 536–542.

Calderón Villalobos L.I.A. et al. (2012) Nat. Chem. Biol. 8(5), 477-85.

tion on protein-small molecule binding, complex formation dynamics and turnover of targets to rebuild the initial steps of the auxin signaling cascade. Furthermore,

B. Auxin acts as molecular glue filling the gap between TIR1 and the degron of targets.

as phosphoinositides have been shown to constitute FBPs structural cofactors, we are addressing their role on degron recognition and hormone sensing.

vancing field. It is estimated that >80% of cellular proteins undergo ubiquitin-mediated proteolysis, and the specific selection of targets by E3 ubiquitin ligases in response to specific stimuli is a crucial factor in cell regulation. Modular E3s from

C. Model for auxin co-receptor formation and target poly-ubiquitylation and degradation.

With our research on small molecule coreceptors in plant biology, we envision moving from a reductionist approach to

C

establishing a platform for a systematic analysis of how intracellular signals are

the Cullin-RING ligase (CRL) type, specifi-

perceived and processed by the ubiquitin

cally SCFs, carry an interchangeable Fare subject to specific and global regula-

ceptor system. Since they belong to mul-

tended our international and local coope-

and directly interacts with the target for

tion, their critical tuning occurs at the

ti-protein families, distinct TIR1/AFB-

ration network, and we are part of the Eu-

degradation. Although SCF complexes

level of target recruitment.

AUX/IAA co-receptor pairs can form vari-

ropean COST Proteostasis Initiative. Addi-

ous auxin sensors differentially perceptive

tionally, we collaborate successfully with

Auxin is a morphogen in plants, and auxin

to auxin. An inositol phosphate (InsP6)

the proteomics platform, and chemical

Group Members

perception and signaling are absolutely

molecule was interestingly also identified

and physics groups at the IPB and MLU to

Gideon Christ

dependent on ubiquitin-mediated prote-

near the TIR1-auxin-AUX/IAA interface ap-

Bachelor Student

olysis. TIR1/AFBs F-Box Proteins catalyze

parently contributing as cofactor for pro-

Dinesh Dhurvas Chandrasekaran

the turnover of AUX/IAAs in response to

per hormone perception.

PhD Student & Scholarship Holder

auxin. AUX/IAAs carry an auxin-interact-

Samuel Grimm

ing degron domain, and directly repress

An FBP-target module for perception of

transcription factors such that auxin-de-

small molecules has a tremendous im-

PhD Student

pendent degradation of AUX/IAAs allows

pact on our understanding of how to

Esmeralda Martí Sanchis

transcriptional activation of auxin respon-

modulate protein-protein interactions.

Research Assistant

sive genes. Groundbreaking findings

The fact that FBPs can respond to signals

Annabel Josephine Wanka

around the mechanism for TIR1-AUX/IAA

to recruit targets, specifically through a

Student Assistant

interaction constitute the basis for the

combination of degrons and non-peptide

Verona Wilde

Signal Integration Group. We revealed

hormones or small molecules is fascinat-

that TIR1/AFB1-5 and their targets for de-

ing and its potential has yet to be fully

gradation, AUX/IAAs, form an auxin co-re-

realized.

Bachelor Student

Antje Hellmuth

Technician

Martin Winkler Master Student

22

proteasome system. Thereby, we have ex-

Box protein (FBP) subunit that precisely

Fig. 2: Modular Aux/IAAs transcriptional repressors are regulated via ubiquitylation and degradation through a canonical degron (yellow and sequence logo) and influenced by degron flanking regions. DIII-IV is essential for oligomerization and our structural-functional analyses unraveled a β-grasp fold (PDB 2M1M, cyan and magenta)

ie AG Signalintegration untersucht einen bemerkenswerten Mechanismus der Perzeption kleiner Moleküle in Pflanzen, der erstmals mit der Strukturaufklärung des Auxinrezeptors entdeckt wurde und potenziell weit verbreitet ist. Dieser Mechanismus beruht auf signalvermittelten Interaktionen, denen gezielter Proteinabbau folgt.

D

In eukaryotischen Zellen wird das abzubauende Zielprotein selektiv mit einer Polyubiquitinkette für den proteasomalen Abbau markiert. Den E3-Ligasen vom SCF-Typ verleiht das F-Box-Protein (FBP) durch direkte Interaktion mit dem Zielprotein Spezifität. Die Mehrzahl der etwa 700 FBPs in Arabidopsis ist noch nicht funktionell charakterisiert. Zudem kodieren etwa 5% des ArabidopsisGenoms Komponenten des Ubiquitin-Proteasom-Systems (UPS), wobei Mutationen in Elementen des UPS die pflanzliche Entwicklung beeinträchtigen. Unsere Forschung konzentriert sich darauf, sowohl die Kontrollmechanismen der Proteinstabilität, als auch FBP-Protein-Interaktionen und Interaktionen von FBP mit niedermolekularen Liganden und ihren Interaktionsnetzwerken zu untersuchen, um schließlich ihre Rolle in physiologischen Prozessen und in der pflanzlichen Entwicklung zu verstehen.

23

Auxin Signaling

transcriptomics and phylogenetics, for

Head: Marcel Quint

whole genome transcriptional informa-

Collaborators

tion to address evolutionary questions.

Leonie Bentsink, Wilco Lighterink

Korbinian Schneeberger

As a proof-of-concept, we applied this

Wageningen University, Netherlands

MPI for Plant Breeding Research, Cologne, Germany

approach to a transcriptional series that

Seth Davis

Bernd Weisshaar

University of York, Great Britain

University of Bielefeld, Germany

William M. Gray

Frank Wellmer

University of Minnesota, USA

University of Dublin,Trinity College, Irland

Ivo Grosse, Klaus Pillen

Gane Ka-Shu Wong

University of Halle, Germany

University of Alberta, Canada

plant genomes. We are now able to use

Our group has two general areas of

controlling expression of the basic-helix-

netics enabled us to clone and transge-

covers A. thaliana embryogenesis from

interest: Plant growth and development

loop-helix transcription factor PHYTO-

nically complement a quantitative trait

the zygote to the mature embryo a few

and molecular evolution. The current

CHROME INTERACTING FACTOR 4 (PIF4).

locus for thermomorphogenesis in A.

years ago. We found that, from an evolu-

projects address either one of these as-

The downstream mechanisms through

thaliana seedlings. We found that a sin-

tionary perspective, the transcriptomes

pects separately or try to combine deve-

which PIF4 regulates ambient tempera-

gle nucleotide polymorphism in the cir-

of early and late embryonic stages are

Stefan Rensing

Martijn van Zanten

University of Freiburg, Germany

Utrecht University, Netherlands

lopment and evolution using Evo-Devo

ture signaling are beginning to emerge.

cadian clock regulator EARLY FLOWER-

dominated by ancient genes, whereas

approaches.

Although other hormones play impor-

ING 3 causes phenotypic variation be-

transcriptomes in mid-embryogenesis

tant roles, PIF4-mediated activation of

tween two natural accessions, resulting

were rather young. Surprisingly, this

In terms of plant growth and develop-

auxin responses is central to increased

in differential expression of PIF4 and its

phylotranscriptomic profile resembles

plant kingdom. We are currently trying to

evolutionary relic. Furthermore, investiga-

ment, our research interest has shifted in

elongation growth. In contrast, upstream

target genes, likely causing the ob-

an hourglass pattern, reminiscent of the

understand whether phylotranscriptomic

tion of phylotranscriptomic patterns in

recent years from auxin signaling to am-

elements of the pathway are poorly un-

served natural variation in thermore-

developmental hourglass (Fig. 3). This

hourglass patterns are functional and ac-

plant post-embryonic development indi-

bient temperature signaling (Fig. 1). With-

derstood, in particular, temperature sens-

sponsive growth.

classic concept from the animal world

tively maintained in extant species or

cates significant differences between

in the context of globally increasing

ing and the mechanism(s) by which tem-

had previously not been observed in the

whether they represent a nonfunctional

plant and animal hourglass patterns.

ambient temperatures, it is imperative to

perature influences PIF4 activity. Thus,

Together, our findings demonstrate that

improve our understanding of the basic

the identification of signaling compo-

two of the most prevalent environmental

processes plants employ to react and

nents upstream of PIF4 is in the focus of

cues, light and temperature, share a

adapt to environmental perturbations.

our research interests.

much larger set of signaling components

Consistent with the term photomorpho-

than previously assumed. Similar to the

genesis, thermomorphogenesis describes

We investigate this process by forward

toolbox concept in animal embryonic pat-

the effect of ambient temperature on

genetic approaches, namely quantita-

terning, multipurpose signaling modules

plant morphogenesis. Hypocotyl elonga-

tive trait locus analysis and mutagenesis.

might have evolved in plants to translate

tion and increased leaf epinasty are

Based on a mutant screen in Arabidopsis

various environmental stimuli into adapta-

among the earliest thermomorphogenic

thaliana, we were able to show that the

tional growth processes (Fig. 2).

changes in response to elevated temper-

DE-ETIOLATED 1 - CONSTITUTIVE PHOTO-

atures. Physiologically, these coordinated

MORPHOGENIC 1 - ELONGATED HYPOCO-

In terms of Evo-Devo, for many years we

responses likely enhance evaporative leaf

TYL 5 - dependent photomorphogenesis

have been interested to understand the

cooling and thus enable plants to adapt to

pathway transcriptionally regulates PIF4

evolutionary history of F-box proteins.

warmth. On the cellular level, elevated

to coordinate seedling growth in re-

Furthermore, in close collaboration with

temperature stimuli are transduced into

sponse to elevated temperature. Further-

the group of Ivo Grosse (Bioinformatics,

altered gene expression by affecting

more, exploiting natural genetic varia-

MLU Halle) we established phylotrans-

chromatin status and, specifically, by

tion and the underlying quantitative ge-

criptomics, a method that combines

Group Members

Fig. 2: Simplified model of the ambient temperature signaling pathway based on our own work and the work of others.

Julia Bellstädt

Philipp Nerke

Master Student

Bachelor Student

Carolin Delker

Christian Noah

Postdoctoral Scientist

Guest Scientist

Kathrin Denk

Philipp Tom Peterson

Technician

Bachelor Student

Daniel Elias

Anja Raschke

Guest Scientist

PhD Student

Investigating am-

Alexander Gabel

Nadine Schumann

bient temperature

Master Student

PhD Student

signaling path-

Carla Ibáñez Robles

Louisa Sonntag

PhD Student

Bachelor Student

ways in the model

Philipp Janitza

Jana Trenner

Master Student

PhD Student

dopsis thaliana is

Tanja Klause

Franziska Wenz

in the focus of ex-

Bachelor Student

Bachelor Student

perimental work in

Wenke Ludwig

Henriette Ziermann

Master Student

Master Student

24

Fig. 3 : The developmental hourglass model explains morphological transitions throughout animal embryogenesis by a web of complex modular interactions between developing organ primordia. We are trying to adopt a similar model to explain embryonic and post-embryonic phylotranscriptomic patterns we recently observed.

Fig. 1:

organism Arabi-

the Quint lab.

ir interessieren uns zum einen generell für pflanzliche Entwicklungsbiologie und Signalwege, die pflanzliches Wachstum regulieren, und zum anderen für die molekulare Evolution solcher Entwicklungsprozesse. Im Fokus ste-

W

hen dabei insbesondere genetische Ansätze zur Aufklärung des Signalweges mit dem Pflanzen Temperaturstimuli in Wachstumsprozesse umsetzen. Nach einigen Jahren zur Etablierung dieser Forschungsrichtung haben wir 2014 dem bereits bekannten Signalweg ein großes Modul hinzufügen können, was auf die koordinierte Nutzung identischer Signalmodule von Licht und Temperatur schliessen lässt. Neben solchen funktionell biologischen Projekten interessieren wir uns außerdem für das evolutionäre Entstehen solcher Entwicklungsprozesse. Durch die Kombination von Transkriptomanalysen und Phylogenetik sind wir in der Lage, Genexpressionsanalysen für evolutionäre Fragestellungen zu verwenden. Mit diesem Ansatz versuchen wir, die Evolution des Sanduhrmodells der Embryogenese in Tieren und Pflanzen besser zu verstehen.

25

Publications and other Activities of the Department of Molecular Signal Processing Publications 2013 Abel, S., Bürstenbinder, K. & Müller, J. The emerging function of IQD proteins as scaffolds in cellular signaling and trafficking. Plant Signal. Behav. 8, e24369. Bürstenbinder, K., Savchenko, T., Müller, J., Adamson, A.W., Stamm, G., Kwong, R., Zipp, B. J., Dhurvas Chandrasekaran, D. & Abel, S. Arabidopsis calmodulin-binding protein IQ67-domain 1 localizes to microtubules and interacts with kinesin light chain-related protein-1. J. Biol. Chem. 288, 1871-1882. Dekkers, B. J.W., Pearce, S., van Bolderen-Veldkamp, R.P., Marshall, A., Widera, P., Gilbert, J., Drost, H.-G., Basseli, G.W., Müller, K., King, J.R., Wood, A.T.A., Grosse, I., Quint, M., Krasnogor, N., Leubner-Metzger, G. & Holdsworth, M. J., Bentsink, L. Transcriptional dynamics of two seed compartments with opposing roles in Arabidopsis seed germination. Plant Physiol. 163, 205-215. Elleuch A., Chaâbene Z., Grubb D.C., Drira N., Mejdoub H. & Khemakhem B. Morphological and biochemical behavior of fenugreek (Trigonella foenum-graecum) under copper stress. Ecotoxicol. Environ. Saf. 98, 46-53. Huang, H., Quint, M. & Gray, W. M. The eta7/ csn3-3 auxin response mutant of Arabidopsis defines a novel function for the CSN3 subunit of the COP9 signalosome. PLoS One 8, e66578. Kopycki J., Wieduwild E., Kohlschmidt J., Brandt,W., Stepanova A.N., Alonso J.M., Pedras M.S.C., Abel S. & Grubb C.D. Kinetic mechanism of glucosyltransferase UGT74B1 explains its immunity from product inhibition. Biochem. J. 450, 37-46. Navarro-Quezada, A., Schumann, N. & Quint, M. Plant F-Box protein evolution is determined by lineage-specific timing of major gene family expansion waves. PLoS One 8, e68672. Poeschl, Y., Delker, C., Trenner, J., Ullrich, K., Quint, M. & Grosse, I. Optimized probe masking for comparative transcriptomics of closely related species. PLoS One 8, e78497. Wasternack, C. & Hause, B. Jasmonates: biosynthesis, perception, signal transduction and action in plant stress response, growth and development.An update to the 2007 review in Annals of Botany. Ann. Bot. 111, 1021-1058.

Book Chapter 2013 Wasternack, C. & Hause, B. Benno Parthier und die Jasmonatforschung in Halle. In: Nova

26

Acta Leopoldina, NF Supplementum 28, S. 29-38. ISBN 978-3-8047-3209-4.

Database Entries 2013 Kovermann, M., Dhurvas Chandrasekaran, D., Gopalswamy, M., Abel, S. & Balbach, J. Solution structure of the dimerization domain of Aux/ IAA transcription factor Ps-IAA4 from pea (Pisum sativum). Protein Data Base ID: 2M1M.

Bachelor Theses 2013 Peterson, Tom: Identifizierung thermosensitiver Phänotypen und Charakterisierung einer okapi Mutante mit gestörter Temperaturantwort. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biologie, 20/09/2013. Plötner, Romina: Molekulargenetische und physiologische Untersuchungen zur Funktion der IQD-interagierenden KLCR-Familie in Arabidopsis. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biologie, 25/09/2013. Schubert, Melvin: Exploiting the phenotypes of a glucosinolate biosynthetic mutant to explore the connections between secondary and hormone mechanism. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biochemie, 23/04/2013. Stamm, Gina: Funktionale Charakterisierung von Arabidopsis IQD1. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biologie, 08/01/2013.

Master Theses 2013 Gabel, Alexander: Development of a simulated annealing algorithm for uncovering the phylotranscriptomic hourglass pattern. MartinLuther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Bioinformatik, 20/09/2013. Quegwer, Jakob: Funktionelle Charakterisierung von PDR4 (HIPP37) in Arabidopsis thaliana. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biologie, 26/04/2013.

Doctoral Theses 2013 Schumann, Nadine: Phylogenetische und molekulare Charakterisierung pflanzlicher F-BoxProteine mit C-terminaler Kelch-Repeat-Domäne. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biologie, 26/07/2013. Ullrich, Kristian: Population and quantitative genetic analysis of the auxin response pathway in Arabidopsis thaliana. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biologie, 09/10/2013.

Publications 2014 Bosch, M., Wright, L. P., Gershenzon, J., Wasternack, C., Hause, B., Schaller, A. & Stintzi, A. Jasmonic acid and its precursor 12-oxophytodienoic acid control different aspects of constitutive and induced herbivore defenses in tomato. Plant Physiol. 166, 396-410. Budiharo, A., Chowdhury, S. M., Dietel, C., Beator, B., Dolgova, O., Fan, B., Bleiss, W., Ziegler, J., Schmid, M., Hartmann, A. & Borris, R. Transposon mutagenesis of the plant-associated bacillus Amyloliquefaciens ssp. plantarum FZB42 revealed that the nrfA and RBAM17410 genes are involved in plant-microbe-interactions. PLoS One 9, e98267.

Song, S., Qi, T., Wasternack, C. & Xie, D. Jasmonate signaling and crosstalk with gibberellin and ethylene. Curr. Opin. Plant Biol. 21, 112-119. Wasternack, C. Action of jasmonates in plant stress responses and development – applied aspects. Biotechnol. Adv. 32, 31-39. Wasternack, C. Perception, signaling and crosstalk of jasmonates and the seminal contributions of the Daoxin Xie’s lab and the Chuanyou Li’s lab. Plant Cell Rep. 33, 707-718. Wasternack, C. & Hause, B. Blütenduft, Abwehr, Entwicklung: Jasmonsäure - ein universelles Pflanzenhormon. Biologie in unserer Zeit 44, 164171.

Delker, C., Sonntag, L., Geo, V. J., Janitza, P., Ibañez, C., Ziermann, H., Peterson, T., Denk, K., Mull, S., Ziegler, J., Davis, S. J., Schneeberger, K. & Quint, M. The DET1-COP1-HY5 pathway constitutes a multipurpose signaling module regulating plant photomorphogenesis and thermomorphogenesis. Cell Rep. 9, 1983-1989.

Ziegler, J. & Abel S. Analysis of amino acids by HPLC/electrospray negative ion tandem mass spectrometry using 9-fluorenylmethoxycarbonyl chloride (Fmoc-Cl) derivatization. Amino Acids 46, 2799-2808.

Erickson, J. l., Ziegler, J., Guevara, D., Abel, S., Klösgen, R. B., Mathur, J., Rothstein, S. J. & Schattat, M. H. Agrobacterium-derived cytokinin influences plastid morphology and starch accumulation in Nicotiana benthamiana during transient assays. BMC Plant Biol. 14, 127.

Ziegler, J., Qwegwer, J., Schubert, M., Erickson, J. L., Schattat, M., Bürstenbinder, K., Grubb, C.D. & Abel, S. Simultaneous analysis of apolar phytohormones and 1-aminocyclopropan-1-carboxylic acid by high performance liquid chromatography / electrospray negative ion tandem mass spectrometry via 9-fluorenylmethoxycarbonyl chloride derivatization. J. Chromatogr. A. 1362, 102-109.

Floková, K., Tarkowská, D., Miersch, O., Strnad, M.,Wasternack, C. & Novak, O. UHPLC-MS/MS based target profiling of stress-induced phytohormones. Phytochemistry 105, 147-157. Flores, R., Gago Zachert, S., Serra, P., Sanjuan, R. & Elena, S. F. Viroids: Survivors from the RNA World? Annu. Rev. Microbiol. 68, 395-414. Grubb, C. D., Zipp, B. J., Kopycki, J., Schubert, M., Quint, M., Lim, E.-K., Bowles, D. J., Pedras, M.S.C. & Abel, S. Comparative analysis of Arabidopsis UGT74 glucosyltransferases reveals a special role of UGT74C1 in glucosinolate biosynthesis. Plant J. 79, 92-105. Jayaweera, T., Siriwardana, C., Dharmasiri, S., Quint, M., Gray,W. M. & Dharmasiri, N. Alternative splicing of Arabidopsis IBR5 Pre-mRNA generates two IBR5 isoforms with distinct and overlapping functions. PLoS One 9, e102301. Maldonado-Bonilla, L.D., Eschen-Lippold, L., Gago Zachert, S., Tabassum, N., Bauer, N., Scheel, D. & Lee, J.The Arabidopsis tandem zinc finger 9 protein binds RNA and mediates pathogen-associated molecular pattern-triggered immune responses. Plant Cell Physiol. 55, 412-425.

Book Chapter 2014 Tissier, A., Ziegler, J. & Vogt T. Specialized plant metabolites: diversity and biosynthesis. In: Ecological Biochemistry – environmental and interspecies interactions (Krauß G. J. & Nies, D.H. eds.) Wiley-VCH Weinheim, S. 15-38. ISBN 978-3527-31650-2.

Grimm, Samuel: Studies on putative TIR1-like proteins and their potential on modulating hormone signaling pathways in Arabidopsis thaliana. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biologie, 24/11/2014. Klause, Tanja: Klonierung des Arabidopsis thaliana Gens BIG und phänotypische Charakterisierung von big Mutanten, Martin-LutherUniversität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biologie, 15/07/2014. Rehkamp, Anne: Untersuchungen zum eisenabhängigen Wurzelwachstum unter Phosphatmangelbedingungen und Expressionsanalyse von 'Low Phosphate Root 2' in Arabidopsis thaliana. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biochemie, 25/09/2014. Sonntag, Louisa: Interaction of light and temperature signaling in PIF-mediated hypocotyl elongation of Arabidopsis thaliana. MartinLuther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biologie, 11/11/2014. Wenz, Franziska: Analyse der interspezifischen Variation der Auxinantwort in verschiedenen Brassicaceen. Martin-Luther-Universität HalleWittenberg, Fachbereich Biologie, 21/01/2014.

Master Theses 2014 Janitza, Philipp: Cloning of temperature and light signaling genes for subcellular localization studies in N. benthamiana. Martin-Luther-Uni-

versität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biologie, 25/09/2014. Seidel, Katja: Analysis of the role of the natural antisense long non-coding RNA encoded by At4g14548 in IAA14 regulation. Martin-LutherUniversität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biochemie, 11/11/2014. Wieghaus, Annika: The impact of autophagy on the primary root meristem activity in Arabidopsis thaliana under phosphate starvation. MartinLuther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Agrarwissenschaften, 20/03/2014. Winkler, Martin: Dissecting the dynamic turnover of transcriptional regulators in response to auxin. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biochemie, 30/09/2014. Ziermann, Henriette: Transcriptional response of Arabidopsis thaliana to moderately increased temperatures, Martin-Luther-Universität HalleWittenberg, Fachbereich Biologie, 13/10/2014.

Doctoral Thesis 2014 Raschke, Anja: Quantitativ-genetische Analyse von Auxinphänotypen in Keimlingen von Arabidopsis thaliana. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biologie, 10/07/2014.

2. MSV Workshop Schloss Wendgräben, March 20-22, 2013

Wasternack, C. Jasmonates in plant growth and stress responses. In: Phytohormones: a window to metabolism, signaling and biotechnological applications (Tran, L.-S.P. & Pal, S. eds.) Springer-Verlag New York, S. 221-264. ISBN 978-1-4939-0490-7.

Bachelor Theses 2014 Christ, Gideon: Identifying the role of inositol hexakisphosphate (IP6) on the regulation of auxin perception. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biologie, 09/07/2014. de Vries, Tebbe: Role of long non-coding RNAs in gene expression regulation of the UGT73C subfamily from Arabidopsis thaliana Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biologie, 14/10/2014.

27

Department of Bioorganic Chemistry

Abteilung Natur- und Wirkstoffchemie

Head: Professor Ludger Wessjohann

Leiter: Professor Ludger Wessjohann

Secretary: Ines Stein

Sekretariat: Ines Stein

ur research focuses on the identification, understand-

strong collaboration within the IPB or with external academic

ing and production of small molecules and the study

partners. This allowed us to venture into one of the most diffi-

of their effects within biological systems. This includes

cult fields of synthetic conversions: the selective oxidation, es-

O

the application of chemical compounds to probe and modify

er Fokus unserer Arbeiten liegt auf der Entdeckung, Ent-

schung biologischer Fragestellungen. Die dafür von uns entwick-

wicklung und Herstellung niedermolekularer Wirkstoffe,

elten Verfahren sind genereller Natur und vielfältig nutzbar, z.B.

begleitet von einem Verständnis ihrer Bedeutung und ihrer

neue Reagenzien, Mehrkomponentenprozesse, Sonden oder Bio-

D

Wirkung auf biologische Systeme. Dabei folgen wir drei Linien:

pecially regioselective aromatic hydroxylation.

biological systems. Three main lines of research are followed

katalysatoren. In der vergangenen Periode wurden vor allem enzymatische Hydroxylierungen, Verfahren zur Herstellung von N-

to achieve this:

The focus of our search and

(1.) Lernen von der Natur: Wir versuchen sowohl die strukturellen

Methyl-Peptiden, Berechnungsverfahren für Reaktionen mittel-

synthesis

Aspekte als auch die Prinzipien der Entstehung und Bedeutung

großer Moleküle und NMR-basiertes Metabolitenprofiling wei-

natürlicher Wirkstoffe zu ermitteln und zu verstehen.

terentwickelt. Diese Entwicklungen tragen zu den IPB-internen

for

biologically

(1.) We try to learn from na-

active compounds is on phy-

ture's chemistry through both

toeffectors, food-flavor-fra-

elucidation of natural struc-

grance and antibiotic com-

(2.) Effiziente Herstellung: Die chemische und zunehmend die

formatik bei. Die Screening-Plattform ist für die Verknüpfung che-

tures as well as understanding

pounds, in the latter case

biotechnologische Synthese von Naturstoffen und Derivaten er-

mischer und biologischer Eigenschaften besonders wichtig und

basic principles of nature's ap-

especially on antifungals. Se-

möglicht Struktur-Wirkungsbeziehungen zu ermitteln und eine

soll bis Anfang 2016 eingerichtet sein (vollständig nach Fertigstel-

plication of chemistry in a bio-

lected compounds reached

Nutzung der Substanzen in Biologie, Medizin, Ernährung und

lung des geplanten Ersatzbaus R2). Im Bereich der Naturstoffe

logical context.

field trial status. New is an

Agrochemie.

liegt der Schwerpunkt auf Substanzen mit Potential als Ge-

Plattformen Metabolomics, Proteomics, und Bio- und Chemoin-

schmacksmodifikatoren oder als Antibiotika, letzteres insbeson-

improved possibility to look (2.) We use synthetic chem-

into CNS-active compounds

(3.)

Interaktionen verstehen: Das Studium von (molekularen)

istry and biology to provide ac-

which is driven by coopera-

Wechselwirkungsprozessen wird ermöglicht durch die Entwick-

ZNS-aktive Substanzen erforscht (Lernen, Alzheimer, Depression).

cess to natural products and

tion with the neurological ex-

lung und Anwendung selektiver Sonden und Binder, analyti-

Fortgeschrittene Projekte nutzen zudem häufig die spezifische

derivatives for applications in

pertises concentrated in Mag-

scher, biochemischer und molekularbiologischer Verfahren sowie

Expertise von Partnern aus anderen Instituten oder der Wirtschaft.

biology, medicine, nutrition

deburg (University of Magde-

theoretischer Methoden.

and agrochemistry.

burg, Leibniz Institute for Neu-

dere mit Wirkung gegen Schadpilze. Als neues Gebiet wurden

Die Abteilung Natur- und Wirkstoffchemie konnte über 80 wissen-

robiology and the German

Die Analyse, Isolierung, Strukturaufklärung und Modifizierung von

schaftliche Artikel publizieren, darunter etliche in den besten

(3.) We try to increase our un-

Center for Neurogenerative Di-

Naturstoffen des Sekundärstoffwechsels von Pflanzen und Pilzen

Journalen der Chemie. Neben der Organisation kleinerer Tagun-

derstanding of molecular in-

seases). Our expertise in multi-

ist die Grundlage, um die Bedeutung dieser Substanzen in der

gen wirkt die Abteilung mit bei den Leibniz-Forschungsverbün-

teraction processes and deve-

component

was

Natur zu erkennen und eine mögliche Anwendung zu erschlie-

den Wirkstoffe und Biotechnologie (Initiator/Sprecher) und Biodi-

lop new tools, probes and re-

directed toward the synthesis

ßen. Die Verwertung der gewonnenen Erkenntnisse richtet sich

versität, beim Agrochemischen Institut Piesteritz, am Deutschen

of complex bioactive cyclo-

nach den ermittelten Eigenschaften der Substanzen und kann

Biodiversitätszentrum iDiv, in der EU COST Action PlantEngine

peptides and N-methyl peptides. One highlight was the synthe-

sich auf unterschiedliche Gebiete erstrecken, in denen Wirkstoffe

(Management-Kommitee) sowie im EU-Großprojekt BioNexGen -

sis of the nematicide Omphalotin, a cyclic dodecapeptide.

zum Einsatz kommen, wie Agrochemikalien, Leitstrukturen für

Developing the next generation of biocatalysts for industrial che-

pharmazeutische Produkte, Zusatzstoffe der Nahrungsmittelin-

mical synthesis mit. Der Bereich Biokatalyse wurde zudem erheb-

dustrie, oder auch für neue chemische Werkzeuge zur Erfor-

lich durch Kooperationen mit der Wirtschaft beflügelt.

cognition compounds to study these.

reactions

The analysis, isolation, characterization, and modification of secondary metabolites and enzymes from plants and fungi is

The scientific work of the past biannual period lead to over 80

the basis of our efforts to understand the properties of these

articles published. The department (co-)organized meetings

compounds or to disclose their function in nature, and finally

and is actively involved in the Leibniz Research Clusters Bioac-

to explore their use in chemistry and biology. The development

tive Compounds and Biotechnology (Speaker) and Biodiversity,

of analytical tools, e.g. for metabolic profiling, and their com-

in the Agrochemical Institute Piesteritz, in the German Biodi-

putational analysis often is at the start of any project. Applica-

versity Centre iDiv, and in the EU COST Action PlantEngine

tions are driven by the discovered properties and include such

(management committee). Of special importance is our partic-

diverse areas as agrochemicals, lead structures for medicinal

ipation in the metabolomics, proteomics and IT competence

chemistry or novel food ingredients, biological research tools,

platforms of the institute. In addition, the department provides

or the utilization of enzymes as biocatalysts. In recent years we

a considerable database and library of small molecules and ba-

expanded especially the biotransformation program to allow

sic screening facilities, which will be developed into a screen-

for more complex, cascaded enzymatic syntheses. The pro-

ing platform until early 2016.

gress in this area was boosted by large programs financed from the EU flagship project BioNexGen – Developing the next generation of biocatalysts for industrial chemical synthesis and

NWC: Digging for Gold, 2015

additional projects with industrial partners, and profited from

28

29

Collaborators Kaleab Asres, Ermias Dagne Addis Ababa University, Ethiopia

Nasser Abdullah Awadh Ali University of Sana’a, Yemen

Andreas Bresinsky

Natural Products

tricyclic indole alkaloids could be charac-

which might be used to balance vitamin

terized by detailed FTICR-MS investiga-

D deficiency. We have established a LC-

Heads: Norbert Arnold & Jürgen Schmidt

tions. The detected bisalkaloids are

MS/MS method, allowing the detection

structurally related to the famous Vinca

of several vitamin D metabolites in the

alkaloids widely used in cancer therapy.

selected re action monitoring (SRM)

University of Regensburg, Germany

Patrick Mutiso Chalo University of Nairobi, Kenya

Helge Bruelheide, Birgit Dräger, Marcus Glomb, Reinhard Neubert, Klaus Pillen, René Csuk

mode. In that case the samples are deri-

University of Halle, Germany

Plants, algae and fungi possess a remark-

Connected to metabolomic studies of

vatized with PTAD to enhance both the

Bertram Gerber

able ability to produce a diverse set of

the genus Hypericum (see research

ionization efficiency of the steroids and

Leibniz Institute for Neurobiology, Magdeburg, Germany

specialized metabolites, i.e. natural prod-

group Spectroscopy), we focused on the

the selectivity of the mass spectral frag-

ucts that vary in chemical complexity and

phytochemical investigation of several

mentation. In the calcinogenic species

biological activity (see also research

Cameroonian Hypericum species. From

Trisetum flavescens (L.) P. Beauv. we

group Screening). These have served and

Hypericum riparium A. Chev., which is

could detect the animal sterols choles-

serve today as templates for the develop-

used in the Cameroonian folk medicine

terol and 7-dehydrocholestrol as well as

ment of many important drugs for medi-

against epilepsy, mental disorders and

the fungal sterol ergosterol as vitamin D

cinal therapies. Increasingly, efforts are

microbial disease, a series of new bis-

precursors.

now also focused on other potential appli-

coumarin derivatives were isolated and

cations of natural products such as agro-

their structures elucidated. These are the

iDiv cooperation project

chemicals, acting as plant protectants or

first ones to be isolated from this genus.

Effects of leaf litter diversity on the de-

phytoeffectors. Besides bioactivity-guided

In addition, eleven new tricyclic preny-

composition of plant polyphenols

Hygrophorus abieticola

Anhalt University of Applied Sciences, Köthen, Germany

Ulrike Lindequist University of Greifswald, Germany

Jean-Claude Ndom University of Douala, Cameroon

Jens Pahnke University of Magdeburg, Germany

isolation of natural products, metabolo-

During our ongoing research on second-

rus penarius Fr. This was the first report of

lated acylphloroglucinol derivatives were

Leaf litter decomposition is a crucial

mics-based approaches are increa-singly

ary metabolites from fruiting bodies of

(nor-) sesquiterpenes isolated from basi-

obtained from Hypericum lanceolatum

function in terrestrial ecosystems, as it is

used. The data, results and isolated com-

the basidiomycetous genus Hygrophorus,

diocarps of the family Hygrophoraceae.

Lam., a medicinal plant occurring in

closely linked to local and global nutri-

pounds generated by us are included in

we isolated a new compound named

Additionally, the only known member of

mountain regions of West Cameroon.

ent cycling. Under given environmental

12

Carola Griehl

Götz Palfner Universidad de Concepción, Chile

Dang Ngoc Quang National University of Education, Hanoi, Vietnam

Peter Spiteller University of Bremen, Germany

Marc Stadler

databases and compound libraries and

hygrophorone B from Hygrophorus abi-

this rare type of sesquiterpenes, ventri-

are therefore also available for future use

eticola Krieglst. ex Gröger & Bresinsky. The

cos-7(13)-ene, could be identified via

Humans get their vitamin D from expo-

chemistry was found to be the major

Helmholtz Center for Infection Research, Braunschweig, Germany

in other applications.

natural compound exhibits a remarkable

headspace GC-MS analysis.

sure to sun light, from their diet or from

driver of decomposition processes, with

Wolfgang Steglich

dietary supplements. Vitamin D is re-

secondary metabolites such as polyphe-

University of Munich, Germany

nols playing a key role in this process.

Tran Van Sung

activity against the plant pathogenic fun-

conditions species-specific leaf litter

Fungal secondary metabolites

gi causing grey mold on strawberries and

Bioactive plant constitutents

sponsible for calcium/phosphate home-

About 85% of all pathogen-borne plant di-

wine grapes (B. cinerea), the septoria leaf

The investigation of traditional medicinal

ostasis in vertebrates and is required for

seases are caused by fungi leading to

blotch pathogen on wheat (S. tritici) and

or food plants from different regions of

optimal health. The secosteroid vitamin

In

enormous losses in crop production. Fun-

the causal agent of the late blight disease

the world is focused on the isolation and

D3 arises from 7-dehydrocholesterol un-

(German Biodiversity Center, Prof. Bruel-

gal infections presently destroy at least

on potato and tomato (P. infestans). The

characterization of anthelmintic, antifun-

der UV-B-exposure in the human skin,

heide), we could demonstrate that leaf

125 million ton of the top five food crops

absolute stereochemistry of hygrophor-

gal, cytotoxic and CNS active metabol-

and is successively hydroxylated in the

litter richness effects on phenolics and

(rice, wheat, maize, potatoes and soy-

one B12 was confirmed by total synthesis

ites.

liver and kidney to the active 1,25-OH-vi-

tannin decomposition rates were posi-

Companies:

beans) each year. Our investigations con-

in enantiomerically pure form (see also

tamin D. Vitamin D2 is produced in fungi

tive or negative and varied with leaf litter

Hopsteiner Ltd, USA

centrate on the detection of new antifun-

RG Synthesis).

From the ethyl acetate crude extract of

from ergosterol. Especially during winter

species identity. Polyphenol decompo-

Symrise AG, Holzminden

the African species Tabernaemontana

time, severe vitamin D deficiency occurs

sition rates were found to be up to a

BASF SE, Ludwigshafen

Five novel sesquiterpene carboxylic acids

stapfiana Britten (Apocynaceae), which

due to the lack of sun exposure and in-

magnitude higher than whole leaf de-

ria tritici Desm. and Cladosporium cucu-

named penarines A-E, and one new nor-

exhibits strong antifungal and cytotoxic

sufficient dietary intake. So called calci-

composition rates, and the tannin-to-

merinum Ellis & Arthur as well as the oo-

sesquiterpene carboxylic acid, penarine

activities, the monomeric indole alka-

nogenic plants induce calcium accumu-

nitrogen ratio was the best predictor of

a prerequisite of whole leaf litter decom-

mycete Phytophthora infestans (Mont.) de

F, of the very rare ventricosane type were

loids coronaridine and pericyclivine were

lation in grazing animals, which is be-

whole leaf decomposition.

position, as proportionally polyphenols

Bary.

isolated from fruiting bodies of Hygropho-

isolated. Additionally, a series of bi- and

lieved to be due to vitamin D intoxication.

gal agents against the ascomycetous phytopathogens Botrytis cinerea Pers., Septo-

Vietnamese Academy of Science and Technology, Vietnam

cooperation

with

iDiv

partners

Mika Tarkka Helmholtz Center for Environmental Research, Halle, Germany

are broken down much earlier in the

Therefore we investigated the occurrence

These findings suggest that species-spe-

process of decomposition than other,

of vitamin D derivatives in such plants,

cific polyphenol decomposition may be

more mass-relevant leaf components.

Group Members Nael Abutaha

Alexander Feiner

Johanna Hummel

Efrem Nigussu

Ann-Katrin Sendatzki

Guest Professor

PhD Student, Hopsteiner

Diploma Student

DAAD Fellow

Diploma Student

Khaled Alkassem

Katrin Franke

Angelica Casanova Katny

Alexander Otto

Claudia Straube

DAAD Fellow

Senior Scientist

Guest Professor

PhD Student

Diploma Student

Zeyad Alresly

Anne Greff

Myint Myint Khine

Götz Palfner

Guest Researcher

Diploma Student

Guest Professor

Guest Professor

Serge Alain Fobofou Tanemossu

Danstone Lilechi Baraza

Chelsea Harmon

Stephanie Krause-Hielscher

Mathias Reisberg

DAAD Fellow

DAAD Research Internship

PhD Student

PhD Student

Alexandra Dammann

Ramona Heinke

Henriette Lehmann

Christian Ristok

Diploma Student

PhD Student

Diploma Student

Master Student

Mona Fechtel

Nicole Hünecke

Susanna Liers

Julia Schaller

Diploma Student

Technician

Diploma Student

Diploma Student

30

PhD Student, DAAD Fellow

Boris Tolkachev Guest Researcher

flanzen und Pilze erzeugen als hochdiverse Organismengruppen eine bemerkenswerte Vielzahl von Inhaltsstoffen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung und biologischer Aktivität. Die Arbeitsgruppe sucht nach den Wirkprinzipien in Extrakten aus diesen Organismen und versucht die Struktur und Eigenschaften der Wirkkomponenten aufzuklären. So konnte beispielsweise aus dem Pilz Hygrophorus abieticola eine neue Verbindung isoliert werden, die bemerkenswerte Aktivitäten gegen Schadpilze an verschiedenen Feldfrüchten zeigt und damit als mögliche Leitstruktur für die Entwicklung neuer Pflanzenschutzmittel dienen kann. Aus afrikanischen Hypericum-Arten (dt. Johanniskräuter) wurden erstmalig Biskumarine mit antiviralem Potential und neuartige trizyklische prenylierte Acylphloroglucinole isoliert. Verschiedene Vertreter der Gattung Hypericum, insbesondere das bekannte H. perforatum (Echtes Johanniskraut) werden weltweit unter anderem gegen Depressionen eingesetzt. In weiteren Projekten wurde das Vorkommen von Vitamin D in Pflanzen und Pilzen mittels sensitiver LC-MS/MS sowie in Zusammenarbeit mit Partnern vom Deutschen Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) der Zusammenhang zwischen Laubzusammensetzung und Polyphenolabbau untersucht.

P

31

Collaborators Wilhelm Boland MPI for Chemical Ecology, Jena, Germany

Vicente Gotor University of Oviedo, Spain

Markus Pietzsch University of Halle; Germany

Jürgen Pleiß, Bernhard Hauer

Chemoenzymatics

ants I317V and I317A were not affected by

suitably engineered and adapted enzyme

product inhibition and proved to be favor-

cascades. The key step is the selective 3’-

Heads: Ludger Wessjohann & Wolfgang Brandt

able for the preparative synthesis of SAM

hydroxylation of naringenin, involving an

and its long-chain analogues. These vari-

enzyme cluster based on a P450-oxidase,

ants are patented.

followed by a regioselective O-methylation (Fig. 3). The whole process could be

Our aim is to understand and apply enzy-

bioinformatic and protein structural mod-

methionine by SAM synthases (SAMS). To

matic processes in vitro and in vivo. En-

eling (see RG computational chemistry),

zymes are used for both biocatalytic

which provides a rational basis for protein

chemical transformations and as targets

redesign toward desirable variants.

of natural or designed small molecule in-

University of Stuttgart, ITB, Germany

Companies Lanxess AG, Leverkusen, Germany Symrise AG, Holzminden, Germany Entrechem SL, Oviedo, Spain

transferred into a living E. coli strain,

obtain a SAMS enzyme suitable for bioca-

A High Value Flavor Compound from Orange Peel Waste

talytic production of SAM and analogues,

See also a film on this topic:

odictyol from naringenin (patented).

the protein from Bacillus subtilis was im-

http://www.beilstein.tv/tvpost/taste-mod-

proved by rational protein design (Figs. 1

ifiers-virtual-screening-and-biocatalytic-

Toward Naturally Produced Chloroprene

vable to obtain such polychlorinated oli-

which fermentatively produces homoerirange and are used e.g. for the production of wetsuits. Until now it was inconcei-

hibitors.

Improved Variants of S-Adenosylmethionine Synthase by Rational Protein Re-Design

and 2). Substitution of two conserved

production-with-rationally-optimized-

Long-chain prenyltransferases are able to

gomers by natural means, especially be-

isoleucine residues (I105 and I317) located

enzymes/

condense more than 1000 isopentenyldi-

cause the use of 3-halogenated deriva-

Most of our work makes use of transferases

See also a film on this topic:

in close proximity to the active site ex-

phosphate (IPP) monomers onto the ally-

tives of IPP were only condensed once,

for the production of plant metabo-

http://www.beilstein.tv/tvpost/taste-mod-

tended the substrate spectrum of the en-

Homoeriodictyol (HED) is a commercial

lic header substrate which leads to the

with the monohalogenated product being

lites and their artificial derivatives. Our re-

ifiers-virtual-screening-and-biocatalytic-

zyme to artificial methionine derivatives.

bitter masker and a sweetness enhancer.

formation of natural rubber (1,4 cis-poly-

an effective inhibitor of prenyltransferases.

cent focus on prenyltransferases (with

production-with-rationally-optimized-

An introduction of a less spacious valine

It can be isolated in small amounts from

isoprene), e.g. by the rubber tree Hevea

terpene synthases) and O-methyltransfe-

enzymes/

or alanine residue into position 317 led to

Eriodictyon californicum, growing mostly

brasiliensis. Besides allergies, which are

We could now show for the first time, that

variants which were able to convert me-

in Northern Mexico. To meet market de-

triggered by the natural rubber material,

several such condensations are possible

rases is increasingly supplemented by work on oxidizing enzymes. Selective oxi-

The availability of S-adenosylmethionine

thionine and S-alkylhomocysteines bear-

mands, a more efficient access is required.

also the availability and stability of the raw

in suitable systems (patented), overcom-

dations, especially hydroxylations are

(SAM) is crucial for enzyme-catalyzed me-

ing substituents with 2 - 4 carbon atoms.

A suitable starting product is naringenin,

material can be problematic. Synthetic

ing one of the major drawbacks of the su-

highly desirable because they are chemi-

thyl transfer reactions which have a huge

Additional exchange of I105 to those steri-

sufficiently available from orange and

derivatives of the natural polyisoprene,

icide inhibition that so far thwarted any

cally extremely difficult processes, but al-

potential for the production of valuable

cally less challenging amino acids even

other citrus peel, i.e. waste material. We

like polychloroprene (DuPont’s trade na-

development toward the biotechnologi-

so in biotechnology they are commonly

fine chemicals and pharmaceuticals. In

resulted in strong discrimination of the

could devise both, in vitro (biocatalytic) as

me: neoprene), exhibit advanced proper-

cal production of artificial or modified

the most demanding biotransformations.

cellular metabolism, this universal methyl

natural substrate. Most importantly and in

well as fermentative (in vivo) access by

ties like temperature stability over a wide

rubbers (Fig. 4).

Our core enzymes are increasingly ap-

donor is formed by adenosylation of L-

contrast to the wild type enzyme, the vari-

plied in combination with other chemical or enzymatic processes (cascade reactions, e.g. to phenylpropanoids) in vitro and in vivo, aiming toward artificial in vitro pathways and synthetic biology systems, respectively. This includes pathway inflows and estuaries, e.g. of rate limiting cofactors. The work is intertwined with

Group Members Anne-Katrin Bauer Diploma & PhD Student

Stefanie Block Scientific Coworker

Martin Dippe Postdoctoral Scientist

Jeanette Keim PhD Student

Fig. 1: Active site of a model of the SAM synthase from Bacillus subtilis. Arrangement of the substrate analogues S-n-butyl-L-homocysteine (magenta carbon atoms) and adenylyl imidodiphosphate (green carbon atoms) in the active center. A) The space for docking of SAM derivatives with larger functional groups than methyl is restricted by the isoleucine I317 which was there-fore subject to site-directed mutagenesis. B) The single mutation I317V leads to acceptance of the artificial substrate by the enzyme.

Fig. 3: A variant of CYP102A1 fusion protein allows selective aromatic hydroxylation – the crucial step to eriodictyol, followed by regioselective O-methylation by PfOMT, the latter developed in cooperation with T. Vogt, dept. SZB.

Fig. 4: Chromatogram of the early steps of the enzymatic oligomerization of the chloro analog of IPP (green. In grey: starter reference).

Steve Ludwig PhD Student

ie Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit der Entdeckung, Anpassung und Anwendung von Enzymen sowie der Aufklärung enzymatischer Mechanismen, um dies für die effektive biobasierte Herstellung von Natur- und Wirkstoffen zu

D

Amina Msonga PhD Student, DAAD-Fellow

nutzen. Neben unserer Expertise bei Transferasen, im Speziellen Prenyl- und O-Methyltransferasen, haben wir uns vor allem selektiven Oxidationen zugewandt, da klassische chemische Verfahren hierbei oft versagen. Ferner werden meh-

Danilo Meyer Postdoctoral Scientist

rere (enzymatische) Reaktionen in Kaskaden genutzt, um Stoffwechselwege außerhalb von Zellen oder in Nutzorganismen nachzubilden. Die Arbeiten verfolgen das Ziel, im Rahmen bioökonomischer Verfahren einen effektiven und umweltfreundlichen Zugang zu seltenen und hochpreisigen sekundären Pflanzenstoffen und nichtnatürlichen Derivaten zu erschließen.

Susanne Riemer-Köhler PhD Student

Pia Schöne PhD Student

Felix Schreckenbach PhD Student

Benjamin Weigel PhD Student

32

Fig. 2: Structure of the crucial methylation cofactor SAM (left, R = H) and its homologs allowing larger alkyl transfer (R = Et, Pr, All etc.) with less product inhibition (right, conversion of Met / h)

So konnte aus dem günstigen Naringenin (aus Orangenabfällen) der hochpreisige Geschmacksmodulator HED erzeugt werden, der wichtige enzymatische Cofaktor SAM ist in neuen Varianten und ohne Umsatzbeschränkung zugänglich gemacht worden, und erstmals gelang es kurze Einheiten des ansonsten nur chemisch zugänglichen Chloroprens biokatalytisch zu erzeugen. Alle drei Verfahren wurden patentiert, zwei davon sind bereits auslizensiert.

33

Collaborators Marcio W. Paixao Universidade Federal de Sao Carlos, Brazil

Daniel G. Rivera, Anselmo Otero Universidad Habana, Cuba

Oscar C. Rodrigues

Synthesis

Universidade Federal de Santa Maria, Brazil

Paulo Schneider, Diogo Lüdtke, Henri Schrekker

Heads: Ludger Wessjohann & Bernhard Westermann

Universidade Federal de Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brazil

(5)

Antonio L. Braga Universidade Federal de Santa Catarina, Florianopolis, Brazil

The synthetic access to natural molecules

Carlos Kleber Andrade

can provide sufficient material where na-

Universidade Federal de Brasilia, Brazil

tural resources are either scarce or threat-

Lukáš Spíchal, Miroslav Strnad

ened. Most importantly, it can provide de-

University Olomouc, Czech Republic

rivatives, which ideally provide im-

(6)

proved properties, help to understand the

Birgit Dräger, Andrea Sinz, Barbara Seliger University of Halle, Germany

underlying mechanisms, or allow tracing the compounds within an organism or the

Natural products with Multi Component Reactions (MCRs)

ible isonitriles serve as reactive intermediates to overcome the pronounced stabili-

Companies:

pounds can be generated, which allow to

N-methylated peptides are a very impor-

ty of amide bonds. The newly developed

BASF SE, Ludwigshafen, Germany

selectively address or modify certain bio-

tant class of biologically active natural

reagent IPB is easily synthesized and

SKW Piesteritz, Wittenberg, Germany

logical functions or alter material proper-

products with cyclosporine being the

forms acyl pyrroles upon acidic treat-

Tube Pharmaceuticals, Vienna, Austria

ties. Selected highlights are detailed in

most prominent one. During the reporting

ment. Follow-up reactions can be done in

the following:

period several linear (e.g., hirsutellic acid,

a variety of suitable nucleophiles gener-

environment. In addition, artificial com-

Fig. 1

3) and cyclic natural products (e.g., om-

ating amides, esters and other ligation

means alone. The stereo-determining

phalotin, 4) bearing this moiety have been

products. A polymer-supported version

step was carried out by the Sharpless di-

Macrocyclizations allow to emphasize a

successfully synthesized. One of the key

(6) was also generated, which is profitable

hydroxylation. Due to its variability, four

certain conformational state, reduce bio-

transformations has been the Ugi-MCR,

in both parallel and combinatorial synthe-

stereoisomers could be synthesized and

which has been proven to be highly versa-

ses for Medicinal Chemistry programs.

their physical properties were compared

2

Macrocyclizations

degradation and can enhance cell permeability. It has been a major subject in our

Fig. 2

tile to conquer the complexity of the N-

group since 20 years, but currently sees a

to those of the natural product.

alkylated peptide natural products.

Isolation & Total Synthesis of Natural Products

hype with respect to peptide function. In

tion with D. Rivera) utilize isonitrile based

cause it has been shown for the first time

recent years we have developed the mul-

MCRs to produce the desired conforma-

that such a simple tertiary amide topolog-

Omphalotin A (4) is a cyclic dodecapep-

In a collaborative effort of the natural pro-

tiple multicomponent macrocyclizations

tional bias.

ical template which is not a ring like pro-

tide member of a family of secondary me-

duct, spectroscopy and synthesis re-

line can reduce the conformational flexi-

tabolites produced by the fungus Om-

search groups of NWC, the cyclopen-

including bifunctional building blocks (MiB3), which led to a diversity of cyclo-

Most intriguingly, we could show that

bility in acyclic oligomeric peptides. Deter-

phalotus olearius and was found to exhi-

tenone-derivative hygrophorone B12 (7)

peptide hybrids.

large substituents on the amide bond gen-

mination of the three-dimensional struc-

bit strong nematicidal activities against a

could be isolated from fruiting bodies of

erated by Ugi-MCRs have a pronounced

ture of an acyclic N-steroidal peptide in so-

root knot parasite that infests many diffe-

the mushroom Hygrophorus abieticola.

Within this reporting period, we intensified

effect on the secondary structures of the

lution proved that the bulky template is

rent plant cultures causing economic bur-

The constituent could be synthesized in

once more our diversity increasing mac-

oligomers. Lipophilic substitutents such as

capable of both increasing significantly the

dens in agriculture worldwide. The con-

an

rocyclizations and extended their applica-

steroids (Fig. 2) can induce and stabilize ß-

conformational rigidity, even in a peptide

vergent total synthesis has been achieved

sequence

tion into various fields, especially into

sheets in acyclic peptides (2), adding a

sequence as short as five amino acid resi-

by an unprecedented cassette approach

and 9 steps

peptide modification. Thus peptide-pep-

cholesterol membrane anchor at the same

dues, and inducing a beta-turn secondary

with preformed intermediates and the use

overall. This

toid conjugates like in Fig. 1 (in coopera-

time. This fact is of major importance be-

structure even in the all-s-trans isomer.

of our new convertible isonitrile IPB (5,

endeavor

same acronym as the institute).

was neces-

8-step

sary to de-

Group Members Eileen Bette

Nalin de Seixas Borges

Annegret Laub

Alfredo Rodriguez Puentes

Haider Sultani

PhD Student

PhD Student

PhD Student

PhD Student

PhD Student

Sebastian Brauch

Helena D. de Salles

Tiago Lima da Silva

Hannes Rost

Dimitar Vasilev

PhD Student

PhD Student, Sandwich

PhD Student (Sandwich)

PhD Student

PhD Student

Bruno Brisólla Ravanello

Oscar Dorneles Rodrigues

Roberta Lopes Drekener

Pia Roth

Ricardo Wanderley N. Filho

PhD Student

Guest Professor

Postdoctoral Scientist

Diploma Student

PhD Student

Micjel Chavez Morejón

David Edeler

Steve Ludwig

Angela Schaks

Katharina Wolf

PhD Student

PhD Student

PhD Student

Technician

Technician

Julia Christke

Thomas Eichhorn

Juliane Mewes

Elsayed Shaaban

Apprentice, Technician

PhD Student

Apprentice, Technician

Postdoctoral Scientist

Ralph Coppi

Ricardo Ferreira Affeldt

Erik Prell

Devender Singh

PhD Student, Guest Researcher

PhD Student, Sandwich

Postdoctoral Scientist

Postdoctoral Scientist

Daniel da Silveira Rampon

Zoila Gándara Barreiro

Rainer Preusentanz

Sebastian Stark

PhD Student, Sandwich

Guest Researcher

PhD Student

PhD Student

34

Several of these syntheses have been

termine the absolute configuration of the

made possible by in-house development

three stereogenic centers, which could

of convertible isonitrile reagents. Convert-

not be accomplished by spectroscopic

ie Synthese von Naturstoffen und davon abgeleiteten Produkten ist die Kernaufgabe der Gruppe. Die Totalsynthese

D

des Pilzinhaltsstoffes Hygrophoron B12 durch eine 9-stufige Synthesesequenz mit einem asymmetrischen Katalyse-

schritt erlaubte erstmals die eindeutige Bestimmung der absoluten Stereochemie der Hygrophorone, die als antibak-

terielle und fungizide Naturstoffe Potenzial in der Behandlung resistenter Krankheitserreger besitzen. N-Methylierte Cylopeptide spielen im Pflanzenschutz eine wichtige Rolle. Durch geschickten Einsatz von Ugi-Multikomponentenreaktionen wurden nematozide und antibiotische Naturstoffe dieser Gruppe synthetisiert, wobei die eingesetzten Aminosäuren die einheitliche Chiralität der Produkte sicherstellen. Daneben konnten durch die variable Multikomponentenreaktion auch Modifikationen an größeren Peptiden durchgeführt werden, welche als artifizielle posttranslationale Modifikationen die Stabilisierung von definierten Sekundärstrukturen ermöglichen.

35

Collaborators Nasser A. Awadh Ali University of Sana’a, Yemen

Mohamed A. Farag Cairo University, Egypt

Spectroscopy

cultures thereof by ESI-FTICR-MS and

problems as demonstrated exemplarily

UPLC/ESI-MS/MS provide very useful in-

for fungal constituents from Cortinarius

Heads: Andrea Porzel & Jürgen Schmidt

formation with respect to their metabolite

species and plant natural products from

profile. While the high resolution MS data

several Hypericum species including

Birgit Dräger, Marcus Glomb, Dirk Steinborn

yield elemental compositions of the de-

extensive MS/MS investigations. Further-

University of Halle, Germany

tected metabolites, UPLC-MS investiga-

more, the Orbitrap system can be

Mats Hamberg

The Spectroscopy Group is engaged in

tions allow a mass spectral profiling of the

equipped with a desorption electrospray

Karolinska Institute, Sweden

metabolomics research as well as in

corresponding sample including MS/MS

ionization (DESI) ion source leading to

Ulrike Lindequist

structure elucidation and application de-

data of key metabolites. A principal com-

new possibilities of the direct analysis of

ponent analysis (PCA) based on the UPLC/

chemical compounds.

velopment with modern analytical techniques such as (coupled) mass spectrometric methods, one- and two-dimensional NMR-spectroscopic experiments and optical spectroscopy (IR, UV, CD). In addition to the identification of plant and fungal metabolites, the synthetic work of our department is strongly supported by pro-

Fig. 1: Proposed structure of hyperpolyphyllirin, a new Hypericum constituent

viding MS and NMR spectra and their in-

ESI-MS and ESI-FTICR-MS data clearly

Fig. 2: Flow chart of HMBC based metabolite fingerprinting

Addis Ababa University, Ethiopia

University of Greifswald, Germany

Ricardo M. Kuster Universidade Federal do Rio de Janeiro, Brazil

Dang Ngoc Quang

showed that the metabolite profiles can

GC/MS

be used not only for the identification and

In the course of a project of the RG Che-

classification of such fungi, but also as a

moenzymatics the GC/EIMS was used for

sophisticated and powerful tool for the

the identification of enzymatically formed

chemotaxonomy of different Suillus sam-

terpenes. Furthermore, during the last

ples according to their biological origin

two years the solid phase extraction

(fruiting bodies or mycelial culture, Fig. 3).

(SPME) headspace method was established in the GC/MS laboratory. Using this

terpretation. Assistance in solving struc-

Ermias Dagne

National University of Education, Hanoi, Vietnam

Stephan Schilling Probiodrug AG, Halle

Tran Van Sung National Centre for Natural Science and Technology, Hanoi, Vietnam

Christina Thiele University of Darmstadt, Germany

tural elucidation and analytical problems

ent sets of metabolites contribute for spe-

cultivars based on 2D NMR HMBC spectra

NMR

method the relevant volatile compounds

is also provided to the other departments

cies segregation in NMR and MS datasets.

give results comparable to those derived

The method of saturation transfer diffe-

of basidiocarps of the mushroom Cortina-

of the IPB and external cooperation part-

Next to H. perforatum, H. polyphyllum

from other metabolomic methods like LC/

rence (STD-NMR) was applied to get

rius hinnuleus Fr. (Basidiomycetes, Agari-

ners.

shows the highest content in phlorogluci-

MS, ESI-FTICR-MS, or 1D NMR, but offers

deeper insight in the enzymatic methyla-

cales), a common mycorrhizal mushroom

nols, suggesting that the latter species

additional advantages. HMBC correlation

tion of caffeic acid to ferulic acid using a

in Central Europe, could be identified as

the identification of benzylisoquinoline al-

Metabolomics

might be used as an alternative to St.

patterns allow the assignment of key sig-

plant O-methyl transferase and the co-

geosmin, ß-caryophyllene and ß-barba-

kaloids from Eschscholzia californica (col-

In continuation of our efforts comparing

John’s wort. The structure of a novel hy-

nals to specific molecular structures,

substrate S-adenosyl methionine. We

tene together with the C8-volatiles 1-oc-

laboration with Prof. Roos, Department of

the value of mass spectrometry and nuc-

perforin derivative, hyperpolyphyllirin,

while preserving the reproducibility and

could show the basic suitability of STD-

ten-3-ol, 1-octen-3-one, octan-3-ol, octan-

Pharmacy).

lear magnetic resonance metabolomic

found exclusively in H. polyphyllum, could

universality of detection by NMR tech-

NMR for investigation of enzymatic reac-

3-one, and 2-octen-1-ol.

approaches for the characterization of

be elucidated from the NMR spectra of

niques. Distinct HMBC correlations of the

tions.

herbal products and drugs, the secondary

the crude extract (Fig. 1).

hop resin spectra results in an unequivo-

metabolite diversity within the genus Hy-

Symrise AG, Holzminden, Germany

Other measurements

cal assignment of all closely related bitter

Mass Spectrometry

A large number of high-resolution ESI

pericum (Hypericaceae) and its correla-

To demonstrate the utility of two-dimen-

acid components as well as the identifica-

In autumn 2013 a new electrospray (ESI)

mass spectra, one- and two-dimensional

tion to bioactivity, exemplified by cytoto-

sional heteronuclear NMR fingerprinting

tion of several isomerization and degrada-

high-resolution mass spectrometer (Orbi-

NMR spectra as well as optical spectra

xic properties, was investigated. Utilizing

combined with multivariate data analysis

tion products of hop bitter acids includ-

trap Elite, Thermo Scientific, Bremen)

were provided to several research groups

NMR fingerprinting and MS metabolic

in revealing subtle compositional differ-

ing the sedative principal of hop (2-me-

combined with an UHPLC system was es-

of the IPB.

profiling techniques, MS and NMR spec-

ences in metabolite composition we in-

thyl-3-buten-2-ol). To the best of our

tablished in our Department (Fig. 4). This

tra of extracts of flowers from Hypericum

vestigated hop resins of 13 hop cultivars

knowledge, this study provides the first

instrument allows accurate mass deter-

With respect to the collaboration with

perforatum (commonly known as St.

(Humulus lupulus) derived from different

attempt to apply multivariate data analy-

minations with a resolution up to 240,000

external partners the fruitful cooperation

John’s wort), H. polyphyllum, H. tetrapte-

geographic origin. Heteronuclear multi-

sis on HMBC NMR datasets of plant se-

and enables different tandem mass spec-

with the Department of Inorganic Che-

n

trometric methods such as ion trap MS

mistry of the University Halle-Wittenberg

and higher-energy collision dissociation

(Prof. Steinborn) on the field of high-reso-

rum, H. androsaemum, H. inodorum, H.

ple bond correlation (HMBC) 2D NMR pro-

undulatum and H. kouytchense were eva-

file maps were used to generate a com-

luated and submitted to multivariate data

prehensive 2D NMR chemomatrix as a ba-

The investigation of crude extracts of fun-

(HCD) measurements, respectively. Dur-

lution ESI mass spectrometry of platinum

analyses. Both, MS and NMR, are suitable

sis of PCA multivariate data analysis (Fig.

gal fruiting bodies Suillus bovinus, S. tri-

ing the first year, it could be shown that

complexes should be pointed out. Fur-

for species differentiation although differ-

2). The classification results of the 13 hop

dentinus, S. granulatus, S. variegatus or

the Orbitrap technology represents a very

thermore, UHPLC/electrospray tandem

powerful system for solving structural

mass spectrometry was very helpful for

condary metabolites.

Companies

Fig. 4: Orbitrap Elite Mass spectrometer coupled with an Ultimate 3000 UHPLC system

Group Members Anja Ehrlich

Christine Kuhnt

Technician

Technician

Mohamed Ali Ali Farag

Martina Lerbs

Alexander von HumboldtFellow

Technician

Gudrun Hahn Technician

PhD Student, Guest Researcher

Ramona Heinke

Pia Schöne

PhD Student, Fellow of the German National Academic Foundation

Master Student

oderne analytische Methoden (NMR-Spektroskopie, Massenspektrometrie sowie IR-, UV- und CD-Spektroskopie) sind eine unerlässliche Voraussetzung für die Identifizierung und Strukturaufklärung von Naturstoffen und synthe-

M

tischen Verbindungen. Hochauflösende ESI-Massenspektrometrie, UHPLC/ESI-Tandem-Massenspektrometrie und NMR-Spektroskopie haben sich darüber hinaus in Kombination mit informatisch-statistischen Methoden als effiziente und komplementäre Werkzeuge für Aufgaben im Rahmen von verschiedenen Metabolomik-Projekten erwiesen. Die Methoden wurden u.a. genutzt, um in Nahrungs- und Heilpflanzen wie z. B. Hopfen oder Johanniskraut aufgrund der chemischen Zusammensetzung (d.h. des Metaboloms) die eindeutige Art- und Sortenzuordnung zu ermitteln bis hin zu Lokalitäten. Anders

Cristiane Pereira

als bei einer gerichteten Einzelsubstanzanalytik hilft dies, Fälschungen und Verunreinigungen zu erkennen, selbst wenn man die verantwortlichen Arten oder Substanzen noch gar nicht kennt. Fig. 3: Principal Component Analysis (PCA) of four different Suillus species

36

37

Collaborators Kaleab Asres Addis Ababa University, Ethiopia

Nasser Abdullah Awadh Ali University of Sana’a, Yemen

Birgit Dräger, Reinhard Neubert, Edgar Peiter, Klaus Humbeck, Barbara Seliger

Screening

University of Halle, Germany

Bertram Gerber Leibniz Institute for Neurobiology, Magdeburg, Germany

Heads: Norbert Arnold & Bernhard Westermann

Carola Griehl Anhalt University of Applied Sciences, Köthen, Germany

The group develops and performs biolo-

lines allows the discrimination between

cies were shown to inhibit the glutaminyl

Hans-Ulrich Demuth

gical, chemical and virtual screening me-

potential androgenic or antiandrogenic

cyclase (QC), an enzyme involved in the

Fraunhofer-IZI (Institute of Cell Therapy and Immunology), Leipzig / Halle, Germany

thods to elucidate the biological activities

activities and effects on the estrogen or

formation of Aß peptide plaques connec-

Jennifer Keyser

of small molecules, predominantly natural

glucocorticoid receptor as well as cyto-

ted to Alzheimer’s Disease. The inhibiting

products and derived compounds. The

toxic activities.

metabolites were identified by activity-

lopment is in the areas of whole plant

Additionally, together with partners in

lomics methods with strategies of natural

phytoeffector assays, antibiotic assays

Serbia, a DAAD-funded project was star-

product isolation (reverse metabolomics

Institute for Biological Research “Siniša Stanković” Belgrad, Serbia

and for enzyme-based assays on trans-

ted to study the influence of (food) plant

approach). Two QC inhibiting com-

Jens Pahnke

ferase reactions. With respect to applica-

natural products on the synergistic modi-

pounds could be identified showing an

tion areas, biocidal (antifungal, antibacte-

fication of cancer drug effects.

inhibition of 81% and 76% at the concen-

Companies

tration of 0.25 mg/mL. The concept won

BASF SE, Ludwigshafen, Germany

a prize in the Hugo Junkers award contest

Ontochem GmbH, Halle, Germany

in Saxony-Anhalt and patenting is pend-

Probiodrug AG, Halle, Germany

correlation analysis combining metabo-

emphasis of our proprietary assay deve-

rial, anthelmintic) and cytotoxic (anticancer, antimitotic) assays are performed. Other applications are pursued with coo-

Identification of QC inhibiting compounds from microalgae Several crude extracts of microalgae spe-

Dual culture essay

peration partners, e.g. for flavor & fragrance applications and CNS active com-

sporium cucumerinum as well as the oo-

mum inhibitory dose as well as for the se-

pounds.

mycete Phytophthora infestans. These

paration of compounds on the TLC plate

highly relevant phytopathogens cause

prior to application of C. cucumerinum.

Several diffusion or surface based assays

enormous losses in crop production.

were successfully substituted or comple-

Three different assay systems were deve-

Assays in 96-well microtiter plates (MTP)

mented by sophisticated concentration

loped allowing the evaluation of living

were established on the basis of fungicide

dependent assays, an especially difficult

fungal strains, crude extracts from biolo-

resistance action committee (FRAC)

task for whole plant applications, or if

gical sources and single compounds for

approved monitoring methods.

crude extracts with intrinsic tanning,

their antifungal properties:

color or reducing properties have to be Our fungal strain collection is screened in

fractions, crude extracts or pure com-

says are complemented by more detailed

confrontation assays using the dual cul-

pounds for their fungicidal activities. The

molecular assays, e.g. enzyme inhibition

ture technique. The IPB culture collection

fungal growth is determined by measure-

or performance assays (see also RG Che-

comprises more than 900 strains, most of

ment of the optical density (OD).

moenzymatics). The screening platform,

them not available in public culture collec-

which also includes virtual assays not pre-

tions. The strains were tested regarding

Anticancer compounds

sented here (details see RG Computatio-

mycelial growth inhibition of the phytopa-

Prostate cancer is one of the most diag-

nal Chemistry), is not limited to the De-

thogens with the aim to develop new po-

nosed forms of cancer among men in

partment of Bioorganic Chemistry, but is

tential biocontrol agents.

western regions. Many traditional appli-

The bioautographic spraying assay is

propose to inhibit the proliferation of

directly performed on silica-coated TLC

prostate cancer cells. The well charac-

Fungicides

plates using mainly Cladosporium cucu-

terized androgen dependent prostate

In our ongoing screening program on

merinum as test organism. This fast and

cancer cell lines LNCaP and the andro-

compounds active against plant patho-

simple assay is suitable for testing crude

gen independent PC-3 were used in a

genic fungi, the targeted species are Sep-

extracts, fractions or pure compounds in

multiple readout assay. The differential

toria tritici, Botrytis cinerea, and Clado-

a dilution series to determine the mini-

behavior of the two prostate cancer cell

Group Members Peter-Paul Heym

PhD Student

PhD Student

Annika Denkert

Martina Lerbs

PhD Student

Technician

Anja Ehrlich

Saskia Ritter

Technician

Diploma Student

38

Universitetet i Oslo, Norway

ing.

cations or phytotherapeutic concepts

open to all departments of the IPB, and for

Robert Berger

Sanja Mijatovic, Danijela Maksimovich-Ivanic

This assay system is suitable to screen

tested. The organism or cell-based bioas-

partners in suitable cooperations.

Swiss Tropical and Public Health Institute, Switzerland

n der Arbeitsgruppe Screening sind die Aktivitäten des biologischen, chemischen und virtuellen Screenings gebündelt. Die Schwerpunkte eigener Assay-Entwicklung liegen im Bereich Phytoeffektoren, Antibiotika und bei Assays mit enzymatischen Transferasen. Die Anwendungsschwerpunkte sind (a) abiotischer Stress, insbesondere Trockenstress an Nutzpflanzen, (b) antibiotische Eigenschaften mit Schwerpunkt auf antifungischer / antibakterieller Wirkung, (c) Zellproliferation (Krebs) bei humanen Zellen, (d) geschmacksmodifizierende Substanzen, z.B. Bittermaskierer, und (e) neuroaktiven Substan-

I

LNCaP (prostate cancer cell line): androgen dependend growth; left: – test compounds; right: + test compound

zen (Alzheimer, Lernverbesserung u.a.). Es konnten u.a. Substanzen aus Algen mit Potential gegen eine Zielstruktur bei Alzheimer identifiziert werden, sowie diverse Pilze, die Substanzen gegen pilzliche Schaderreger an Pflanzen erzeugen.

39

Collaborators Ludger Beerhues Technical University Braunschweig, Germany

Wilhelm Boland Max Planck Institute for Chemical Ecology, Jena, Germany

Lars Bräuer University of Erlangen-Nürnberg, Germany

Computational Chemistry

Birgit Dräger, Jörg Degenhardt, Renate Ulbrich-Hofmann, Johanna Mansfeld University of Halle, Germany

Heads: Wolfgang Brandt & Andrea Porzel

Thomas Engel, Jörn Martens University of Munich, Germany

Joram Eyal Institute of Plant Sciences, Bet-Dagan, Israel

Three-dimensional molecular structures of

Cation-dependent O-methyltransferases

cient methyl transfer to catechol-like hy-

small molecules and proteins, and their re-

Crystal structure data of cation-dependent

droxyl groups in phenolics. The triad is

action mechanisms are broadly investi-

catechol O-methyltransferases (COMTs)

conserved among all characterized plant

Leibniz-Institut für Informationsinfrastruktur FIZ Karlsruhe, Germany

gated by methods of computational che-

from mammals and related caffeoyl coen-

CCoAOMT-like enzymes, which are re-

Oliver Kayser

m-istry. As source for in silico screening

zyme A-OMTs (CCoAOMTs) from plants

quired not only for methylation of soluble

(see RG Screening) structural databases

have suggested operative molecular me-

phenylpropanoids like coumarins or mo-

are used to predict new substrates or inhi-

chanisms. These include bivalent cations

nolignol monomers, but is also present in

bitors of plant enzymes or to develop

which facilitate deprotonation of vicinal

the similar microbial and mammalian

Technische Informationsbibliothek Hannover, Germany

drugs for medicinal or other applications.

aromatic dihydroxy moieties and illustrate

cation-dependent enzymes which me-

Michael L. Nickerson

In addition to the application, we develop

a conserved arrangement of hydroxyl and

thylate a comparable set of substrates.

own methods to fill gaps in the computa-

carboxyl ligands consistent with the re-

tional possibilities or in data handling. Thus

quirements of a metal-activated catalytic

Research Data Management

a new semiempirical quantum mechanical

mechanism. A previously undetected ca-

IPB has introduced a primary data depo-

method is under development, which ex-

talytic triad, consisting of Lys157-Asn181-

sitory system in which the RG Computa-

ceeds other semiempirical methods in ac-

Asp228 was predicted to be required for

tional Chemistry was one of the driving

curacy and computational speed. In data

complete methyl transfer in case of a cat-

forces. IPB also is a partner in the DFG

handling we try to develop standards and

ion-dependent phenylpropanoid and fla-

supported inter-institutional project RA-

best practices as partner of larger consortia.

vonoid OMT by molecular modelling stud-

DAR – Research Data Repository, a gene-

ies (Fig.2). Corresponding experimental

ric, interdisciplinary service for sustain-

Protein structures and functions

investigations (T. Vogt, Dep. Cell and

able preservation and publication of re-

Protein homology models of a wide range

Metabolic Biology) supported this hypo-

search data, including an appropriate me-

thesis. This triad appears essential for effi-

tadata scheme.

of enzymes have been created and did

Fig. 1: Tertiary structure model of LsTFP with the aglucone of benzylglucosinolate docked.

essentially guide and support experimen-

Matthias Hahn, Matthias Razum

Technical University Dortmund, Germany

Angelina Kraft, Janna Neumann, Frauke Ziedorn

National Cancer Institute Frederick,USA

Friedrich Paulsen University of Erlangen-Nürnberg, Germany

Jan Potthoff Karlsruher Institut für Technologie KIT Karlsruhe, Germany

Ute Wittstock, Technical University Braunschweig, Germany

Companies SKW Piesteritz, Wittenberg, Germany Symrise AG Holzminden, Germany OntoChem GmbH Halle, Germany

tal work. This includes predictions of suitable mutation sites to detect the active

Plant specifier proteins

proteins, other products, namely simple

site or substrate localization, or to aid ra-

As components of the glucosinolate-my-

nitriles, epithionitriles and organic thiocy-

tional protein redesign for biocatalytic

rosinase system, specifier proteins con-

anates, can be formed instead of isothio-

applications. Covered families of enzymes

tribute to the diversity of chemical de-

cyanates, depending on the glucosinolate

are prenylating enzymes, surface active

fenses that have evolved in plants of the

side chain structure and the type of speci-

and experimental evidence sug-

proteins, phospholipases, N-alkyltransfe-

Brassicales order as a protection against

fier protein. The biochemical role of spe-

gest that a proton relay involving

rases such as spermidine synthases and

herbivores and pathogens. Glucosino-

cifier proteins is largely unresolved. We

Lys157 – Asn181 – Asp228 is es-

putrescine N-methyltransferases, tropi-

lates are thioglucosides that are stored

have used two thiocyanate forming pro-

sential for the methyl transfer in

none like reductases, O-methyltrans-

separately from their hydrolytic enzymes,

teins (TFP) and one epithiospecifier pro-

ferases, glucosyltransferases, poly(ADP-ri-

myrosinases, in plant tissue. Upon tissue

tein with different substrate/product spe-

bose)polymerases (PARPs), plant specifier

disruption, glucosinolates are hydrolyzed

cificities to develop molecular models

proteins, serine carboxypeptidases and

by myrosinases yielding instable aglu-

(Fig. 1), which, in conjunction with muta-

more. Two specific projects are detailed in

cones that rearrange to form defensive iso-

tional analyses, allow us to propose an ac-

the following:

thiocyanates. In the presence of specifier

tive site and docking arrangements with

Fig. 2: Theoretical calculations

cation-dependent O-methyltransferases (CCoAOMTs).

glucosinolate aglucones that may explain some of the differences in specifier pro-

Group Members

tein specificities. Furthermore, quantummechanical calculations support a reac-

n der Arbeitsgruppe Computerchemie werden Methoden der Bio- und Chemoinformatik, des Molecular Modelings und der Theoretischen Chemie (Quantenchemie), angewendet und entwickelt, um molekulare Strukturen (z.B. 3D-Strukturen von Proteinen) und Reaktionsmechanismen aufzuklären. Mit Hilfe dieser Untersuchungen werden sowohl Kandidaten für

I

Susanne Aust

Iris Eckert

Thomas Herberg

Felix Rausch

tion mechanism for benzylthiocyanate

Wirkstoffe, z.B. für Anwendungen im Pflanzenschutz vorhergesagt, als auch Erkenntnisse zu Proteinen und deren Bedeu-

Guest Researcher

Bachelor Student

PhD Student

PhD Student

formation including a catalytic role of the

Richard Bartelt

Daniela Eisenschmidt

Peter-Paul Heym

Jennifer Szczesny

Master Student

PhD Student

PhD Student

Diploma Student

TFP involved. These results may serve as a

Anne-Kathrin Blume

Anne Finck

Susan Gruner

Jördis-Ann Schüler

Master Student

PhD Student

Master Student

Master Student

mental investigations of the mechanisms

tung für die Erkennung kleiner Naturstoffe und deren Biosynthese. Im Mittelpunkt der Grundlagenforschung stehen Proteinfamilien, welche von zentraler Bedeutung für pflanzliche biochemische Kreisläufe sind, mit einem Schwerpunkt auf Transferasen. Auf der Basis von modellierten 3D-Strukturen für Enzyme konnten Vorhersagen für Mutationen erstellt werden, welche zur gezielten Änderung der enzymatischen Aktivität führten oder zum Verständnis der Spezifitäten und Funktionen bei-

Frank Broda

Juliane Fischer

Martin Kopsch

Eva Schulze

of glucosinolate breakdown that will also

trugen.

System Administrator

PhD Student

Diploma Student

PhD Student

help to better understand the evolution of

Michael Dressel

Filipe R.C.D. Furtado

Silke Pienkny

specifier proteins from ancestral proteins

Diploma Student

Scientific Coworker

Scientific Coworker

with functions outside glucosinolate me-

basis for further theoretical and experi-

Ferner werden Standards für Datenmanagement sowohl am Institut als auch auf nationaler Ebene bearbeitet, so im DFG-geförderten Projekt RADAR zur verbesserten Verfügbarkeit und Nachnutzbarkeit von Forschungsdaten.

tabolism.

40

41

Publications and other Activities of the Department of Bioorganic Chemistry Publications 2013 Ali, N. A. A., Al-Fatimi, M. A., Crouch, R. A., Denkert, A., Setzer, W. N. & Wessjohann, L. A. Antimicrobial, antioxidant, and cytotoxic activities of the essential oil of Tarchonanthus camphoratus. Nat. Prod. Commun. 8, 683-686. Berger, R., Bornscheuer, U., Liese, A., Schwaneberg, U., Syldatk, C. & Wessjohann, L.A. Biotechnologie von morgen. Biospektrum 19, 208-210. Bette, M., Kluge, T., Schmidt, J. & Steinborn, D. Diacetylplatinum(II)-complexes with coordinated tris(pyridyl)methanol and tris(pyridyl)methyl ether ligands: structural insight into the ligand dynamics in solution. Organometallics 32, 2216-2227. Bette, M., Schmidt, J. & Steinborn, D. Diacetylplatinum(II) and -platinum(IV) complexes bearing 2- and 3-coordinated tris(pyrazolyl)methane ligands: Investigations on the synthesis, fluxionality, and reactivity in relation to the substitution pattern of the ligands. Eur. J. Inorg. Chem., 2395-2410. Brandt, W., Backenköhler, A., Schulze, E., Plock, A., Herberg, R., Roese, E. & Wittstock, U. Molecular models and mutational analyses of plant specifier proteins suggest active site residues and reaction mechanism. Plant Mol. Biol., erschienen: Vol. 84 (2014) 173-188. Brauch, S., van Berkel, S. S. & Westermann, B. Higher-order multicomponent reactions: beyond four reactants. Chem. Soc. Rev. 42, 4948-4962. Chaudhuri, S. R., Kaluđerović, G. N., Bette, M., Schmidt, J., Schmidt, H., Paschke, R. & Steinborn, D. Synthesis, characterization and cytotoxicity studies of platinum(II) complexes with amino acid ligands in various coordination modes. Inorg. Chim. Acta 394, 472-480. Farag, M. A., Mahrous, E. A., Lübken, T., Porzel, A. & Wessjohann, L. A. Classification of commercial cultivars of Humulus lupulus L. (hop) by chemometric pixel analysis of two dimensional nuclear magnetic resonance spectra. Metabolomics, erschienen: Vol. 10 (2014) 21-32. Farag, M. A., Sherweit, H., E.-A., Elian, F. S. & Wessjohann, L, A. Metabolomics driven analysis of artichoke leaf and its commercial products via UHPLC–q-TOF-MS and chemometrics. Phytochemistry 95, 177-187. Farag, M. A., Weigend, M., Luebert, F., Brokamp, G. & Wessjohann, L. A Phytochemical, phylogenetic, and anti-inflammatory evaluation of 43 Urtica accessions (stinging nettle) based on UPLC-Q-TOF-MS metabolomic profiles. Phytochemistry 96, 170-183.

42

Farag, M. A., Gad, H. A., Heiss, A. G. & Wessjohann, L. A. Metabolomics driven analysis of six Nigella species seeds via UPLC-qTOF-MS and GC-MS coupled to chemometrics. Food Chem. , erschienen: Vol. 151 (2014) 333-342. Frick, S., Nagel, R., Schmidt, A., Bodemann, R. R., Rahfeld, P., Pauls, G., Brandt, W., Gershenzon, J., Boland, W. & Burse, A. Metal ions control product specificity of isoprenyl diphosphate synthases in the insect terpenoid pathway. PNAS 110, 4194-4199. Güttler, B. H. O., Cynis, H., Seifert, F., Ludwig, H. H., Porzel, A. & Schilling, S. A quantitative analysis of spontaneous isoaspartate formation from N-terminal asparaginyl and aspartyl residues. Amino Acids 44, 1205-1214. Gulyas-Fekete, G., Boluda, C. J., Westermann, B. & Wessjohann, L. A. Anti-Friedel-Crafts-type substitution to form biaryl linkages. Synthesis 45, 3038-3043. Heinke, R., Schöne, P., Arnold, N., Wessjohann, L. A. & Schmidt, J. Metabolite profiling and fingerprinting of Suillus species (Basidiomycetes) by electrospray mass spectrometry. Eur. J. Mass Spectrom., erschienen: Vol. 20 (2014) 85-97. Jockovi, N., Fischer, W., Brandsch, M., Brandt, W. & Dräger, B. Inhibition of human intestinal αglucosidases by calystegines. J. Agr. Food Chem. 61, 5550. Junker, A., Fischer, J., Sichhart, Y., Brandt, W. & Dräger, B. Evolution of a key alkaloid enzyme putrescine N-methyltransferase from spermidine synthase. Front. Plant Science 4, Art. 260, 111. Lira, L. M.,Vasilev, D., Pilli, R. A. & Wessjohann, L. A. One-pot synthesis of organophosphate monoesters from alcohols. Tetrahedron Lett. 54, 1690-1692. Mihály, T., Bette, M., Mihály, B., Schmidt, J., Schmidt, H. & Steinborn, D. Synthesis, structure and characterization of adenine-based aminocarbene complexes of platinum(II). J. Organometall. Chem. 739, 57-62. Nguyen, T. H. A., Thuy, T. T., Sung, T. V., Tran, K. D., Nguyen, B. C., Nguyen, Q., Franke, K.,Arnold, N. & Wessjohann, L. A. Phytochemical study on the plants of the antidrug medication Heantos 4. Part 2. Terpenoid- and steroid compounds. Tap Chi Hoa Hoc (Vietnam. J. Chem.) 51, 189-193. Nguyen, T. H. A., Thuy, T. T., Sung, T. V., Tran, K. D., Nguyen, B. C., Nguyen, Q., Franke, K.,Arnold, N. & Wessjohann, L. A. Phytochemical study on the plants of the antidrug medication Heantos 4.

Part 3. Homoisoflavonoid, flavonoid and phenolic compounds. Tap Chi Hoa Hoc (Vietnam. J. Chem.) 51, 358-362.

Wessjohann, L. A., Keim, J., Weigel, B. & Dippe, M. Alkylating enzymes. Curr. Opin. Chem. Biol. 17, 229-235.

Nguyen, T. H. A., Thuy, T. T., Sung, T. V., Tran, K. D., Nguyen, B. C., Nguyen, Q., Franke, K.,Arnold, N. & Wessjohann, L. A. Phytochemical study on the plants of the antidrug medication Heantos Part 4. Phthalides, fatty acids, oligosaccharide esters and miscellaneous compounds. Tap Chi Hoa Hoc (Vietnam. J. Chem.) 51, 546-550.

Wessjohann, L. A., Scheid, G. O., Eichelberger, U. & Umbreen, S. Total synthesis of epothilone D: The nerol/macroaldolization approach. J. Org. Chem. 78, 10588–10595.

Porzel, A., Farag, M. A., Mülbradt, J. & Wessjohann, L. A. Metabolite profiling and fingerprinting of Hypericum species: a comparison of MS and NMR metabolomics. Metabolomics, erschienen: Vol. 10 (2014) 574-588. Rivera, D. G., Leon, F., Concepcion, O., Morales, F. E. & Wessjohann, L.A. A multiple multicomponent approach to chimeric peptide–peptoid podands. Chem. Europ. J. 19, 6417-6428. Schmidts, V., Fredersdorf, M., Lübken, T., Porzel, A., Arnold, N., Wessjohann, L. A. & Thiele, C. M. RDC-based determination of the relative configuration of the fungicidal cyclopentenone 4,6diacetylhygrophorone A. J. Nat. Prod. 76, 839844. Simas, N. K., Dellamora, E. D. L., Schripsema, J., Lage, C. L. S., de Oliveira, A. M., Wessjohann, L. A., Porzel, A. & Kuster, R. M. Acetylenic 2-phenylethylamides and new isobutylamides from Acmella oleracea (L.) R. K. Jansen, a Brazilian spice with larvicidal activity on Aedes aegypti. Phytochem. Lett. 6, 67-72. Solé, M., Brandt, W. & Arnold, U. Striking stabilization of Rana catesbeiana ribonuclease 3 by guanidine hydrochloride. FEBS Lett. 587, 737742. Staniek, A., Bouwmeester, H., Fraser, P.D., Kayser, O., Martens, S., Tissier, A., van der Krol, S., Wessjohann, L. & Warzecha, H. Natural products – modifying metabolite pathways in plants. Biotech. J. 8, 1159-1171. Stehle, F., Götsch, F., Wray, V., Schmidt, J. Strack, D. & Brandt, W. Snap-shot of serine carboxypeptidase-like acyltransferase evolution: The loss of conserved disulphide bridge is responsible for the completion of neo-functionalization. J. Phylogen. Evoluation. Biol. 1, 1-9. Thuy, T. T., Nguyen, H. A., Sung,T. V., Tran, K. D., Nguyen, B. C., Nguyen, Q., Franke, K., Arnold, N. & Wessjohann, L. A. Phytochemical study on the plants of the antidrug medication Heantos 4. Part 1. Alkaloids and other nitrogen containing compounds. Tap Chi Hoa Hoc (Vietnam J. of Chem.) 51, 184-188.

Wessjohann, L. A., Schneider, A., Kaluđerović, G. N. & Brandt, W. Solid-phase synthesis of reduced selenocysteine tetrapeptides and their oxidized analogs containing selenenylsulfide eight-membered rings. Mol. Diversity 17, 537-545. Westermann, B., Dörner, S., Brauch, S., Schaks, A., Heinke, R., Stark, S., van Delft, F. L. & van Berkel, S. S. CuAAC-mediated diversification of aminoglycoside–arginine conjugate mimics by non-reducing di- and trisaccharides. Carbohydr. Res. 371, 61-67. Wils, C. R., Brandt,W., Manke, K. & Vogt,T. A single amino acid determines position specificity of an Arabidopsis thaliana CCoAOMT-like Omethyltransferase. FEBS Lett. 587, 683-689. Wouters, A. D., Bessa, A. B., Sachini, M., Wessjohann, L. A. & Lüdtke, D.S. Boron-Zinc exchange in the diastereoselective arylation of sugarbased aldehydes: steroselective synthesis of (+)-7-epi goniofurfurone and analogues. Synthesis 45, 2222-2233.

Book Chapter 2013 Degenhardt, A.,Wittlake, R., Steilwind, S., Liebig, M., Runge, C., Hilmer, J. M., Krammer, G., Gohr, A. & Wessjohann, L. Quantification of important flavour compounds in beef stocks and correlation to sensory results by „Reverse Metabolomics“. In: Flavour Science (Ferreira,V. & Lopez, R. eds.) Elsevier Amsterdam, S. 15-19, ISBN 978-0-12-398549-1. Wessjohann, L. A., Kaluđerović, G. N., Neves Filho, R. A. W., Morejon, M. C., Lemanski, G. & Ziegler, T. Further components carboxylic acid and amine (Ugi reaction). In: Science of Synthesis: Vol. 2013, 5 Multicomponent Reactions ( Thomas, J. & Müller, J. eds.) Thieme-Verlag Stuttgart, S. 415-502, ISBN 978-3-13-166881-3.

Data Base Entries 2013 Brandt,W. Protein model of WEI9-1 with IMTH, Protein Model DataBase PMDB (http:// mi. caspur.it/PMDB/main.php) id: PM0078312, related to Jakub Kopycki, Biochem. J. 2013; 450(1):3746.

Brandt,W. Protein Model of Stearolysin, Protein Model DataBase PMDB (http://mi.caspur.it/ PMDB/main.php) id: PM0079201, related to Johanna Mansfeld: in: Handbook of Proteolytic Enzymes, in press. Fischer, J. & Brandt,W. Protein Model of DsPMT, Protein Model DataBase PMDB (http://mi. caspur.it/PMDB/main.php) id: PM0078552 related to Yvonne Sichhart, et al. Plant Metabolism and Chemodiversity, in press. Fischer, J. & Brandt,W. Protein Model of AtSPDS, Protein Model DataBase PMDB (http://mi.caspur.it/PMDB/main.php) id: PM0078550, related to Yvonne Sichhart, et al. Plant Metabolism and Chemodiversity, in press. Fischer, J. & Brandt,W. Protein Model of DsSPDS, Protein Model DataBase PMDB (http://mi.caspur.it/PMDB/main.php) id: PM0078555, related to Yvonne Sichhart, et al. Plant Metabolism and Chemodiversity, in press.

Bachelor Thesis 2013 Eckert, Iris: Tertiärstrukturmodellierung einer Sperminsynthase und einer Thermosperminsynthase aus Arapidopsis thaliana. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Informatik, 8/10/ 2013.

Master Thesis 2013 Schöne, Pia: Untersuchung enzymatischer Reaktionen mittels NMR-Spektroskopie. MartinLuther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Biochemie und Biotechnologie, 29/10/ 2013.

Diploma Theses 2013 Dammann, Alexandra: Fungizide Pilzinhaltsstoffe. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Chemie, Lebensmittelchemie und Umweltchemie, 25/4/2013. Greff, Anne: Pigmente aus chilenischen Pilzen der Gattung Cortinarius. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Chemie, Lebensmittelchemie und Umweltchemie, 25/4/2013. Köhler, Kati: Afrikanische Heilpflanzen mit zytotoxischen Eigenschaften. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Chemie, Lebensmittelchemie und Umweltchemie, 25/4/2013. Lehmann, Henriette: Pigmente aus chilenischen Pilzfruchtkörpern. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Chemie, Lebensmittelchemie und Umweltchemie, 25/4/2013.

Straube, Claudia: Zum Vorkommen von Vitamin D-Derivaten in Pflanzen und Pilzen. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Chemie, Lebensmittelchemie und Umweltchemie, 25/4/2013.

Doctoral Theses 2013 Geißler, Torsten: Entwicklung von Assays zur Untersuchung chemisch-induzierter Trockenstresstoleranz. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Chemie, 10/4/2013. da Silveira Rampon, Daniel: Novos materiais moleculares funcionais derivados de calcaogenoésters e calcogenofenos: Síntese e caracterização. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Instituto de Química, Porto Alegre, Brazil, 1/10/2013. Wouters, Ana Dioneia: Carbohydrates as starting materials for the preparation of chiral substrates: applications in enantioselective and diastereoselective processes. Sandwich promotion Universidade de Sao Paulo, Brazil, 7/1/2013.

Publications 2014 Ali, A., Correa, A. G., Alves, D., Schpector, J. Z., Westermann, B., Ferreira, M. A. B. & Paixao, M. W. An efficient one-pot strategy for the highly regioselective metal-free synthesis of 1,4-disubstituted-1,2,3-triazoles. Chem. Commun. 50, 11926-11929. Ali, N. A. A., Sharopov, F. S., Al-Kaf, A. G., Hill, G. M., Arnold, N., Al-Sokari, S. S., Setzer, W. N. & Wessjohann; L. A. Composition of essential oil from Tagetes minuta and its cytotoxic, antioxidant and antimicrobial activities. Nat. Prod. Commun. 9, 265-268. Ali, N. A. A., Wurster, M., Denkert, A., Al-Sokari, S. S., Lindequist, U. & Wessjohann, L. A. Cytotoxic and antiphytofungal activity of the essential oils from two artemisia species. World J. Pharmac. Res. 3., 1350-1354. Balbín, A., Gaballo, F., Ceballos-Torres, J., Prashar, S., Fajardo, M., Kaluđerović, G. N. & Gómez-Ruiz, G. Dual application of pd nanoparticles supported on mesoporous silica SBA-15 and MSU-2: supported catalysts for C–C coupling reactions and cytotoxic agents against human cancer cell lines. RSC Adv. 4, 54775-54787. Barretto, A. F. S.,Vercillo, O. E., Wessjohann, L. A. & Andrade, C. K. Z. Consecutive isocyanidebased multicomponent reactions: synthesis of cyclic pentadepsipeptoids. Beilstein J. Org. Chem. 10, 1017-1022.

43

Publications and other Activities of the Department of Bioorganic Chemistry Publications 2014 Barroso, S., Coelho, A. M., Gómez-Ruiz, S., Calhorda, M- J., Zizak, Z., Kaluđerović, G. N. & Martins, A. M. Synthesis, cytotoxic and hydrolytic studies of titanium complexes anchored by a tripodal diamine bis(phenolate) ligand. Dalton Trans. 43, 17422-17433. Bobach, C., Tennstedt, S., Palberg, K., Denkert, A., Brandt, W., de Meijere, A., Seliger, B. & Wessjohann, L. A. Screening of synthetic and natural product databases: identification of novel androgens and antiandrogens. Eur. J. Med. Chem., gedruckt erschienen: Vol. 90 (2015) 267-279. Bobach, C., Schurwanz, J., Franke, K., Denkert, A., Sung, T.V., Kuster, R., Mutiso, C. M., Seliger, B. & Wessjohann, L. A. Multiple readout assay for hormonal (androgenic and antiandrogenic) and cytotoxic activity of plant and fungal extracts based on differential prostate cancer cell line behavior. J. Ethnopharmacol. 155, 721-730. Bulatović, M. Z., Maksimović-Ivanić, D., Bensing, C., Gomez-Ruiz, S., Steinborn, D., Schmidt, H., Mojić, M., Korać, A., Golić, I., Perez-Quintanilla, D., Momćilović, M., Mijatović, S. & Kaluđerović, G. N. Organozinn(IV)-beladenes mesoporöses SiO2 als biokompatible Strategie bei der Krebstherapie. Angew. Chem. 126, 6092-6097. Bulatović, M. Z., Maksimović-Ivanić, D., Bensing, C., Gomez-Ruiz, S., Steinborn, D., Schmidt, H., Mojić, M., Korać, A., Golić, I., Perez-Quintanilla, D., Momćilović, M., Mijatović, S. & Kaluđerović, G. N. Organotin(IV)-loaded mesoporous silica as a biocompatible strategy in cancer treatment Angew. Chem. Int. Ed. 53, 5982 –5987. Đorđević, M., Jeremić, D., Kaluđerović, G. N., Gómez-Ruiz, S., Anđelković, B., Radanović, D. & Brčeski, I. Synthesis and spectroscopic properties of large single-crystals of Pb(II), Hg(II) and Sr(II) methanesulfonato 1D coordination polymers. Polyhedron 80, 282–289. Eichhorn, T., Hey-Hawkins, E., Maksimović-, Ivanić, D., Mojić, M., Schmidt, J., Mijatović, S., Schmidt, H. & Kaluđerović, G. N. Binuclear dichlorido(η6-p-cymene)ruthenium(II) complexes with bis(nicotinate)- and bis(isonicotinate)-polyethylene glycol ester ligands. Appl. Organomet. Chem., erschienen: Vol. 29 (2015) 20–25. El Senousy, A. S., Farag, M. A., Al-Mahdy, D. A. & Wessjohann, L. A. Developmental changes in leaf phenolics composition from three artichoke cvs. (Cynara scolymus) as determined via UHPLC–MS and chemometrics. Phytochemistry 108, 67-76. Farag, M. A., Mohsen, M., Heinke, R. & Wessjohann, L. A. Metabolomic fingerprints of 21 date 44

palm fruit varieties from Egypt using UPLC/ PDA/ESI–qTOF-MS and GC–MS analyzed by chemometrics. Food Res. Int. 64, 218–226. Farag, M. A., Abdelfattah, M. S., Badr, S. E. A. & Wessjohann, L.A. Profiling the chemical content of Ficus lyrata extracts via UPLC-PDAqTOF-MS and chemometrics. Nat. Prod. Res. 28, 1549-1556. Farag, M. A., Porzel, A. & Wessjohann, L. A. Unequivocal glycyrrhizin isomer determination and comparative in vitro bioactivities of root extracts in four Glycyrrhiza species. J. Adv. Res., gedruckt erschienen: Vol. 6 (2015) 99-104. Fobofou Tanemossu, S.A., Franke, K.,Arnold, N., Schmidt, J., Wabo, H. K., Tane, P. & Wessjohann, L. A. Rare biscoumarin derivatives and flavonoids from Hypericum riparium. Phytochemistry 105, 171-177. Gómez-Ruiz, S., Žižak, Ž. & Kaluđerović, G. N. Structural studies and cytotoxic activity against human cancer cell lines of mono and dinuclear tin (IV) complexes with the α,α′-dimercapto-oxylene ligand. Inorg. Chim. Acta 423 B, 117-122. Heymann, T., Westphal, L., Wessjohann, L. & Glomb, M. A. Growing and processing conditions lead to changes in the carotenoid profile of spinach. J. Agr. Food Chem. 62, 4960-4967. Kluge, T., Bette, E., Bette, M., Schmidt, J. & Steinborn, D. Hydrazone–diacetyl platinum(II) complexes: substituent effect on intramolecular N–H⋯O hydrogen-bond strength. J. Organomet. Chem. 762, 48-57. Landgraf, R., Smolka, U., Altmann, S., EschenLippold, L., Senning, M., Sonnewald, S.,Weigel, B., Frolova, N., Strehmel, N., Hause, G., Scheel, D., Böttcher, C. & Rosahl, S. The ABC transporter ABCG1 is required for suberin formation in potato tuber periderm. Plant Cell 26, 34033415. Linh, D. T. P., Bui T.T.H., Do D.Q., Duong M.L., Arnold, N., Schmidt, J., Porzel, A. & Dang N.Q. Cytotoxic constituents from the Vietnamese fungus Xylaria schweinitzii. Nat. Prod. Comm. 9, 659-660. Mansfeld, J., Schöpfel, M., Lorenz, J., Trutschel, T., Heilmann, I., Brandt, W. & Ulbrich-Hofmann, R. Probing selected structural regions in the secreted phospholipase A2 from Arabidopsis thaliana for their impact on stability and activity. Biochimie 101C, 60-66. Monte, I., Hamberg, M., Chini, A., Gimenez-Ibanez, S., Carcia-Casado, G., Porzel, A., Pazos, F., Boter, M. & Solano, R. Rational design of a ligand-based antagonist of jasmonate percep-

tion. Nat. Chem. Biol. 10, 671-676. Müller, H., Heinke, R., Heinze, M., Schmidt, J. & Roos, W. Self-regulation of phytoalexin production: a non biosynthetic enzyme controls alkaloid biosynthesis in cultured cells of Eschscholzia californica. Plant Cell Tiss. Organ. Cult. 119, 661– 676. Nakamura, Y., Paetz, C., Brandt, W., David, A., Rendón-Anaya, M., Herrera-Estrella, A., Mithöfer, A. & Boland,W. Synthesis of 6-substituted 1oxoindanoyl isoleucine conjugates and modeling studies with the COI1-JAZ co-Receptor complex of lima bean. J. Chem. Ecol. 40, 687-699. Otto, A., Porzel,A., Schmidt, J.,Wessjohann, L. A. & Arnold, N. Penarines A-F, novel (nor-)sesquiterpene carboxylic acids from Hygrophorus penarius (Basidiomycetes). Phytochemistry 108, 229-233. Pantelić, N., Stanojković, T. P., Zmejkovski, B. B., Sabo,T. J. & Kaluđerović, G. N. In vitro anticancer activity of gold(III) complexes with some esters of (S,S)-ethylenediamine-N,N′-di-2-propanoic acid. Europ. J. Med. Chem., gedruckt erschienen: Vol. 90 (2015) 766–774. Pantelić, N., Zmejkovski, B. B., Stanojković, T. P., Jevtić, V.V., Radić, G. P., Trifunović, S. R., Kaluđerović, G. N. & Sabo,T. J. Synthesis and high in vitro cytotoxicity of some (S,S)-ethylenediamineN,N’-di-2-propanoate dihydrochloride esters. J. Serb. Chem. Soc. 79, 649–658. Rampon, D. S., Wessjohann, L. A. & Schneider, P. H. Palladium-catalyzed direct arylation of selenophene. J. Org. Chem. 79, 5987-5992. Rausch, F., Schicht, M., Bräuer, L., Paulsen, F. & Brandt, W. Protein modeling and molecular dynamics simulation of the two novel surfactant proteins SP-G and SP-H. J. Mol. Model. 20, 2513. Reinhardt, N., Fischer, J., Coppi, R., Blum, E., Brandt, W. & Dräger, B. Substrate flexibility and reaction specificity of tropinone reductase-like short-chain dehydrogenases. Bioorg. Chem. 53, 37-49. Rivera, D., Vasco, A. V., Echemendía, R., Concepción, O., Pérez, C. S., Gavin, J. A. & Wessjohann, L. A. A Multicomponent conjugation strategy to unique N-steroidal peptides: first evidence of the steroidal nucleus as a beta-turn inducer in acyclic peptides. Chem. Eur. J. 20, 13150-13161. Schicht, M., Rausch, F., Finotto, S., Mathews, M., Mattil, A., Schubert, M., Koch, B., Traxdorf, M., Bohr, C., Worlitzsch, D., Brandt, W., Garreis, F., Sel, S., Paulsen, F. & Bräuer, L. SFTA3, a novel

protein of the lung: three-dimensional structure, characterisation and immune activation. Eur. Respir. J. 44, 447-456. Staniek, A., Bouwmeester, H., Fraser, P. D., Kayser, O. Martens, S., Tissier, A., van der Krol, S., Wessjohann, L. & Warzecha, H. Natural products – learning chemistry from plants. Biotechnol. J. 9, 326-336. Wessjohann, L. A. & Dessoy, M. A. An efficient method for the preparation of silyl esters of diphosphoric, phosphoric, and phosphorous acid. Polyhedron 70, 133-137. Wessjohann, L. A. Reverse metabolomics - metabolomics in drug discovery: connecting metabolomic profiles with phylogenetic, medicinal and flavoring properties. 3. International Conference and Exhibition on Metabolomics and Systems Biology, San Antonio, March 24-26, 2014. Metabolomics 4, 70. Wessjohann, L. A., Weigel, B., Keim, J., Ludwig, S. & Weber, R. Terpenoids 2.0 – new ways in the discovery and synthesis of bioactive compounds. Chem. Listy 108, 100. Zmejkovski, B. B., Savić,A., Poljarević, J., Pantelić, N., Aranđelović, S., Radulović, S., Grgurić-Šipka, S., Kaluđerović, G. N. & Sabo, T. J. Synthesis, characterization and in vitro antitumor activity of new palladium(II) complexes with (S,S)-R2eddatype esters. Polyhedron 80, 106–111.

Book Chapter 2014 Wessjohann, L. A., Neves Filho, R. A., Puentes, A. A. & Morejon, M. C. Macrocycles from multicomponent reactions. In: Multicomponent Reactions in Organic Synthesis (Zhu, J., Wang, Q. & Wang, M. eds.) Wiley-VCH Weinheim, S. 231264, ISBN 978-3-527-33237-3.

Universität Halle-Wittenberg, Institut für Biochemie und Biotechnologie, 5/8/2014.

Master Theses 2014 Bartelt, Richard: In silico Untersuchungen der „cineole cassette“ Monoterpenoid-Synthasen der Gattung Nicotiana. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Biochemie und Biotechnologie, 18/6/2014. Ristok, Christian: Effects of leaf litter diversity on the decomposition of plant polyphenols. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Biologie, 4/9/2014.

Diploma Theses 2014 Hummel, Johanna: Isolierung bioaktiver Substanzen aus afrikanischen Heilpflanzen. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Chemie, Lebensmittelchemie und Umweltchemie, 24/4/2014. Laub, Annegret: Synthese, Strukturaufklärung und Evaluierung von antibiotischen Aib-haltigen Peptiden. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Chemie, Lebensmittelchemie und Umweltchemie, 24/4/2014. Schaller, Julia: Sekundärmetabolite aus chilenischen Pilzen: Amighinella australis Speg. MartinLuther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Chemie, Lebensmittelchemie und Umweltchemie, 24/4/2014. Schumann, Anja: Nachweis von Vitamin D in ausgesuchten Pflanzensippen und Pilzen. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Chemie, Lebensmittelchemie und Umweltchemie, 24/4/2014.

Doctoral Theses 2014

Wessjohann, L., Dippe, M., Tengg, M. & GruberKhadjawi, M. Methyltranserases in biocatalysis. In: Cascade biocatalysis (Riva, S, & Fessner, W.D. eds.) Wiley-VCH Weinheim, S. 393-426. ISBN 978-3-527-33522-0.

Brauch, Sebastian: Novel tools for protein analysis and modification - From chemical probes to new ligation methods. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Chemie, 6/2/2014.

Bachelor Theses 2014

Keim, Jeanette: Biokatalytische Umsetzung von natürlichen und artifiziellen Prenyldiphosphaten. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Pharmazie, 6/11/2014.

Gauglitz, Marcel: Eine modulare und stereoselektive Synthese von Terpenoiden und ihre strukturelle Analyse mittels NMR-Spektroskopie. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Biochemie und Biotechnologie, 23/9/2014. Schneider,Tobias: Untersuchung des biocatalytischen Potentials von Angucyclin-Oxidasen aus der Oviedomycin-Biosynthese. Martin-Luther-

Habilitation 2014 Kaluđerović, Goran: Contributions to the development of anticancer metallotherapeutics from metal compounds to nanomaterials. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Chemie, Physik und Mathematik, 22/5/2014.

Klein, Robert: Modellierung von Prenyltransferasen und Terpensynthasen und Untersuchungen zum molekularen Docking von Reaktionsintermediaten. Martin-Luther-Universität HalleWittenberg, Institut für Chemie, Physik und Mathematik, 24/6/2014.

45

Department of Stress and Developmental Biology

Abteilung Stress- und Entwicklungsbiologie

Head: Professor Dierk Scheel

Leiter: Professor Dierk Scheel

Secretary: Susanne Berlin

Sekretariat: Susanne Berlin

lant development is in principle genetically determined, but these programs are modulated to certain degree by abiotic and biotic environmental factors. Thereby, developmental programs are on a long-term basis adapted to specific local conditions and protective as well as defense reactions are rapidly initiated during stress situations. This is a particular advantage for the mostly sedentary living plants. A prerequisite for the initiation of such adaptation and defense processes is the ability of plants to specifically recognize environmental factors, as well as their variation and to subsequently activate signal transduction networks that translate the perceived signal into appropriately modified gene expression, protein and metabolite patterns. The investigation of the molecular mechanisms underlying these processes is the main research topic of the department, with the focus in the area of biotic interactions.

P

Plants are resistant against most pathogens in their environment. This durable nonhost resistance relies on the activation of a multi-component defense response, which is initiated by receptor-mediated recognition of potential pathogens through complex signaling networks. The plant plasma membrane-localized receptors perceive typical microbial structures that are of importance for microbial biology, but absent from plants. Examples for such microbe- or pathogen-associated molecular patterns (MAMPs or PAMPs) are fragments of chitin or glucan from fungal cell walls or of flagellin from bacterial flagella. Therefore, nonhost resistance is also called PAMP-triggered immunity. Successful pathogens are able to suppress PAMP-mediated defense responses by secreting effectors into the plant apoplast or injecting them into plant cells, where they affect recognition or signaling processes and thereby render the plant susceptible to the corresponding pathogen. This phenomenon is called effector-triggered

46

immunity. During co-evolution with their pathogens plants evolved mechanisms to recognize specific effectors by resistance proteins. This perception event initiates an efficient defense response against pathogens expressing these effectors, resulting in host resistance or effector-triggered immunity. The work of several research groups of the department focuses on the analysis of effectors, as well as of recognition, signal transduction and gene activation processes in plant-pathogen interactions. Plant responses to environmental factors finally result in altered patterns of metabolites. Furthermore, plant roots secrete a large number of compounds into the rhizosphere. Also the pattern of these secreted compounds is genetically determined and modulated by environmental factors. In fact, it is believed that exudate constituents are involved in chemical communication between different organisms. In order to be able to directly monitor such alterations, mass spectrometrybased methods have been established allowing the comprehensive profiling of metabolites. These methods are also being employed for biochemical phenotyping of mutants. Comprehensive metabolite profiling required the establishment of metabolomics and bioinformatics platforms including the development of appropriate databases and tools for analysis and annotation of primarily mass spectrometry data.

ie pflanzliche Entwicklung ist in genetischen Programmen festgelegt, jedoch durch biotische und abiotische Umweltfaktoren weitgehend modulierbar. Dadurch ist gewährleistet, dass einerseits Entwicklungsprozesse langfristig an die jeweiligen Standortbedingungen angepasst werden und andererseits kurzfristig Schutz- beziehungsweise Anpassungsreaktionen in Stresssituationen möglich sind, was bei der zumeist sessilen Lebensweise von Pflanzen von besonderer Bedeutung ist. Voraussetzung für die Einleitung dieser Prozesse ist die Fähigkeit von Pflanzen, Umweltfaktoren und deren Veränderung spezifisch zu erkennen und über Signaltransduktionsnetzwerke in entsprechend modifizierte Genexpressions-, Protein- und Metabolitenmuster zu übersetzen. Die Untersuchung der molekularen Mechanismen dieser Vorgänge steht im Mittelpunkt der Forschungsarbeiten der Abteilung. Dabei liegt der Schwerpunkt im Bereich biotischer Umweltfaktoren.

D

fektoren unterdrücken, die sie entweder in den Apoplasten sekretieren oder sogar in die Pflanzenzelle injizieren, wo sie mit Erkennungs- oder Signaltransduktions-Vorgängen interferieren und die Pflanze empfindlich gegenüber dem Pathogen machen. Dieses Phänomen ist als Effektor-vermittelte Suszeptibilität bekannt. Im Laufe der Koevolution mit ihren Pathogenen haben Pflanzen Mechanismen entwickelt, die es ihnen ermöglichen, spezifische Effektoren mit Hilfe von Resistenzproteinen zu erkennen und eine sehr effektive Resistenzreaktion gegen Pathogene auszulösen, die diesen Effektor exprimieren. Dadurch kommt es zur Wirtsresistenz, die auch als Effektor-vermittelte Immunität bezeichnet wird. Mehrere Arbeitsgruppen der Abteilung untersuchen Effektoren, Erkennungs-, Signaltransduktions- und Genaktivierungsprozesse, die bei den verschiedenen Wechselwirkungen von Pflanzen und Pathogenen eine Rolle spielen.

Pflanzen sind gegen die meisten Pathogene in ihrer Umgebung resistent. Diese stabile Nichtwirts-Resistenz beruht auf der Aktivierung einer aus vielen Komponenten bestehenden Abwehrreaktion, die nach Rezeptorvermittelter Erkennung der potentiellen Pathogene über komplexe Signalnetzwerke aktiviert wird. Die in der pflanzlichen Plasmamembran lokalisierten Rezeptoren erkennen typische mikrobielle Strukturen, die für deren Biologie wichtig sind, in der Pflanze aber nicht existieren. Beispiele für diese sogenannten Mikrobenoder Pathogen-assoziierten molekularen Muster (MAMPs oder PAMPs) sind Fragmente des Chitins oder Glukans der pilzlichen Zellwände oder des Flagellins der bakteriellen Flagellen. Die Nichtwirts-Resistenz wird deshalb auch als PAMP-vermittelte Immunität bezeichnet.

Reaktionen von Pflanzen auf Umweltfaktoren drücken sich letztendlich in einem veränderten Muster von Metaboliten aus. Darüber hinaus sekretieren Pflanzenwurzeln eine große Anzahl von Stoffen in die Rhizosphäre. Auch das Muster der sekretierten Stoffe ist genetisch determiniert und wird durch Umweltfaktoren moduliert. Es wird vermutet, dass Komponenten dieser sogenannten Exsudate an der chemischen Kommunikation zwischen verschiedenen Organismen beteiligt sind. Um diese Veränderungen detektieren zu können, wurden Methoden zur umfassenden Analyse von Metaboliten mittels Massenspektrometrie etabliert. Diese Methoden werden darüber hinaus zur biochemischen Phänotypisierung von Mutanten verwendet. Das umfassende Metaboliten-Profiling erforderte die Etablierung einer Bioinformatik- und Metabolomics-Plattform, die eine Erstellung von Datenbanken und Anwendungen für eine Analyse und Annotation insbesondere von massenspektrometrischen Messdaten beinhaltet.

Erfolgreiche Pathogene können die durch die PAMPErkennung ausgelöste Abwehrreaktion mit Hilfe von Ef-

47

Molecular Communication in Plant-Pathogen Interactions Head: Wolfgang Knogge (1) Phytopathogens of the Rhynchosporium genus Fungi of the genus Rhynchosporium are causal agents of scald on a variety of grasses including the cereal species barley, rye and triticale. The five fungal species described to date differ in their host specificity and fall into two groups based on conidiospore morphology (Fig. 1). The beaked-conidia group (BCG) comprises R. commune, which is pathogenic to Hordeum species including cultivated barley (H. vulgare) and brome grass (Bromus spp.), R. secalis, which is specialized to rye (Secale cereale) and triticale, and R. agropyri, which is found on couch grass (Agropyron spp.). In contrast, R. orthosporum and R. lolii, which grow on orchard grass (Dactylis glomerata) and on perennial rye grass (Lolium perenne), respectively, establish the cylindrical-conidia group (CCG). Economically important worldwide is the disease caused by R. commune on barley. Yield losses as high as 40% have been reported. However, yield reductions of 510% are probably more common accounting for economic losses in the order of 500 Mio €/a in the EU-27 countries.

(2) Rhynchosporium genomics

pose the genomes of isolates from the

mycetes clade of the Ascomycota. Finally,

Rhynchosporium species were sequenced,

using the EF1-α, RPB1 and RPB2 amino

assembled (c. 55 Mb) and annotated

acid sequences the relationship to more

(c. 12,000 genes) in cooperation with col-

distantly related fungal species was es-

leagues at the Leibniz Institute for Age Re-

tablished.

search, Jena, at the University of Hertfordshire, Hatfield, UK, and at the Helmholtz

(4) Fungal effector proteins

Center in Munich.

The phytopathogenic lifestyle of Rhyn-

(3) Phylogenetic analysis

fector molecules to adapt to the host

To study the genetic relationship of the

plants and to complete the fungal life

five Rhynchosporium species a phyloge-

cycle. To identify key genetic elements

netic analysis was carried out using multi-

that are relevant for host specificity the

locus DNA sequence information. To this

genomes of isolates from the crop plant-

end, the sequences coding for EF1-α and

infecting species R. commune and of R.

RNA polymerase II subunits RPB1 and

secalis were screened for candidate genes

RPB2 were extracted from the genome

coding for proteins that satisfy a number

data base. In addition, the rDNA regions

of criteria such as presence of a secretion

late regarding fungal growth in planta and

R. commune grown ex planta was ana-

letion of two of these genes in R. commu-

(18S rDNA, ITS1-5.8S rDNA-ITS2, 28S rDNA)

signal, small size, high cysteine content

disease phenotype.

lyzed at the protein level by mass spectro-

ne led to the identification of a PKS prod-

were obtained by Sanger sequencing. The

and species-specific occurrence or spe-

metric techniques (LC-MS/MS) using a

uct. In cooperation with the Department

resulting phylogeny confirms the two

cies-specific expression in planta. Five

Besides species-specifically occurring

protein database derived from the gene

of Bioorganic Chemistry LC/MS- and NMR-

major BCG and CCG branches (Fig. 1). In

genes (RcSP1, RcSP2, RcSP3, RcSP5,

genes a few genes were found that are

models. Nearly 3,000 peptide spectrum

based techniques are used to establish

the BCG branch, R. commune and R.

RcSP6) in R. commune and only one gene

species-specifically expressed in planta

matches (PSMs) were identified in protein

the structure of this component as well as

agropyri appear to be the closest sister

(RsSPa) in R. secalis turned out to match

despite the presence of paralogs in both

extracts from fungal mycelia, conidia and

to identify products of additional sec-

species. In contrast, the intron pattern of

these criteria (Fig. 2). The structures of

R. commune and R. secalis. Future re-

culture filtrate. Future experiments aim at

ondary metabolism enzymes.

the rDNA genes suggests a closer rela-

these genes as predicted by the annota-

search therefore aims at identifying addi-

analyzing and quantifying fungal protein

chosporium requires the secretion of ef-

Fig. 2. Selection of effector candidate genes. Number of genes matching the different selection criteria. TMD, transmembrane domain; AA, number of amino acids; Cys, cysteine content; Rc, R. commune.

Fig. 3. Expression of R. commune-specific candidate effector genes. Abundance of the mRNAs coding for (1) RcSP1, (2) RcSP2, (3) RcSP3, (5) RcSP5 and (6) RcSP6 was determined by qRT-PCR during development of R. commune on susceptible barley. The grey dotted line represents the fungal biomass in the leaves during the three stages, mycelial establishment (until 6-7 dpi), rapid growth (until 14 dpi) and stationary phase. dpi, days post inoculation.

tionship between R. commune and R. se-

tion algorithms were verified based on

tional genes by RNA sequencing that may

abundance during pathogenesis as an es-

calis. Hence, based on these results the

cDNA sequencing. All five R. commune

contribute to species specificity based on

sential complement of transcriptome

relationship between the three BCG spe-

genes (Fig. 3) as well as the R. secalis

their expression characteristics during

analysis.

cies cannot be resolved unequivocally.

gene are expressed during the early stage

pathogenesis. Furthermore, several of the

of pathogenesis, when the fungal mycelia

candidate effector genes are members of

(6) Fungal secondary metabolism

The James Hutton Institute, Dundee, Scotland, UK

In recent years, comparative genomics on

Collaborators Anna Avrova

a number of phytopathogenic filamen-

In addition to analyzing the intra-genus

are established in the host tissue. For

small gene families. Therefore, using the

In addition to proteins, fungal secondary

Bruce Fitt

tous fungi and oomycetes have unveiled

relationship, the gene sequences were

functional characterization of the genes

R. commune NIP2 gene family as a case

metabolites may play a role during patho-

University of Hartfordshire, Hatfield, UK

microbial genes that play important roles

used to confirm the integration of the

targeted deletion mutants are being gen-

study an RNAi system was established

genesis. The genomes of the Rhyncho-

during pathogenesis. With the same pur-

Rhynchosporium genus into the Leotio-

erated and compared to the wild type iso-

that allows functional studies of a small

sporium species contain different num-

Martin Münsterkötter, Ulrich Güldener

number of genes by their simultaneous

bers of genes coding for typical key en-

down-regulation.

zymes of secondary biosynthesis such as

Group Members

polyketide synthases (PKS, 7-11), non-ribo-

Jenny Graap Bachelor Student

(5) The fungal proteome

somal peptide synthetases (NRPS, 3-5)

In a pilot experiment, gene expression in

and hybrid enzymes (PKS-NRPS, 2-3). De-

Institute of Bioinformatics and Systems Biology, Helmholtz Center, Munich, Germany

Matthias Platzer, Stefan Taudien, Marius Felder Leibniz Institute for Age Research – Fritz Lipmann Institute, Jena, Germany

Jan Hoffmann Bachelor Student

ür die Gattung Rhynchosporium wurden bisher fünf Pilzarten beschrieben, die mit hoher Wirtsspezifität eine Blattflecken-

Susanne Kirsten

F

Technical Assistant

krankheit auf verschiedenen Grasarten einschließlich der Getreide Gerste, Roggen und Triticale verursachen. Durch phy-

Andrea Leitner

logenetische Untersuchungen unter Verwendung der Sequenzen von sechs Genen wurden die Verwandtschaftsverhält-

PhD Student

nisse zwischen diesen Arten ermittelt und die Gattung in das System der Ascomyceten eingeordnet. Hauptziel der Arbeiten ist

Daniel Penselin PhD Student

Xiaohang Wang Master Student

Claudia Wenzel PhD Student

48

jedoch die Identifizierung der molekularen Faktoren, die der pilzlichen Virulenz und insbesondere der Spezialisierung auf be-

Fig. 1: Rhynchosporium phylogeny. The phylogenetic relationship between the five described Rhynchosporium species was calculated based on six gene sequences including the rDNA genes 18S, 5.8S and 28S (blue). Red, internal transcribed spacer (ITS); yellow, introns.

stimmte Wirtspflanzenarten zugrunde liegen. Hierzu wurden durch vergleichende Genomanalyse spezifische Effektor-Kandidatengene identifiziert, die derzeit funktionell charakterisiert werden. Darüber hinaus wird die Rolle von Sekundärstoffen bei der Pathogenese untersucht.

49

Collaborators Ulla Bonas, Gunther Reuter University of Halle, Germany

Gitta Coaker University of California, Davis, USA

Karl-Josef Dietz University of Bielefeld, Germany

Magda Krzymowska

Cellular Signaling

ulate signaling. At least four MAPKs,

phosphorylation of some enzymes may

MPK3, MPK4, MPK6 and MPK11 are acti-

directly modulate defense metabolite

Institute of Biochemistry and Biophysics, Warszawa Poland

Heads: Dierk Scheel & Justin Lee

vated after MAMP treatment in Arabidop-

production/accumulation. Much of our

David Mackey

sis. Besides roles in defense, these MAPKs

work is performed in close collaboration

also regulate growth and development

with our IPB Proteome Analytics group

processes. The specificity of the appropri-

that supports in identifying the phospho-

Plants activate a complex multi-compo-

ate response is presumably controlled by

rylation sites in the phosphoproteins. A

nent defense response to restrict patho-

pathway-specific substrates. We aim to

method for rapid site-directed mutagene-

gen ingress. One of the first steps in de-

identify the MAPK substrates with de-

sis of MAPK sites (Eschen-Lippold et al.

Nese Sreenivasulu

fense activation is mediated through the

fense-related roles. Metabolomics analy-

2014) was developed to facilitate the vali-

International Rice Research Institute, Philippines

recognition of conserved pathogen-de-

sis of transgenic plants expressing a con-

dation of the mass spectrometry data and

Joachim Uhrig

rived molecules (typically referred to as

stitutively-active MAPK-kinase revealed

assessment of the impact of phosphoryla-

University of Göttingen, Germany

Microbe-Associated Molecular Patterns,

that activation of MPK3 and/or MPK6 is

tion on protein function.

MAMPs) or pathogen-induced modifica-

sufficient to trigger the accumulation of

tions of host molecules. Our research fo-

secondary antimicrobial metabolites such

In collaboration with several other groups,

ated with negative regulation of salicylic

cuses on two early cellular defense signal

as camalexins and various indole glucosi-

we aim to understand how pathogen ef-

acid-mediated defense response and ma-

transduction pathways in MAMP-trig-

nolates. Phosphoproteomics analysis

fector proteins target plant signaling (e.g.

nipulating this pathway could enable fine-

gered immunity, i.e. calcium signaling

using a novel phosphoprotein enrichment

Singer et al. 2013). Ongoing work identi-

tuning of defense control. Taken together,

and mitogen-activated protein kinase

method (Lassowskat et al. 2013) has en-

fied a Pseudomonas effector protein that

the knowledge gained in our studies may

(MAPK) signaling, and understanding how

abled us to identify putative direct MAPK

specifically blocks the activation of MPK4/

be used for enhancing disease resistance

pathogen effectors manipulate cellular

substrates and/or downstream phospho-

MPK11 by MAMPs. MPK4/MPK11 are associ-

in crop plants.

signaling to promote pathogenesis.

proteins. Interestingly, this list of putative

Fig. 1. Four LPS-insensitive (lipooligosaccharide-specific reduced elicitation, lore) mutants, defective in an S domain receptor-like kinase, were isolated. (A) Predicted conserved domains and location of lore loss-of-function mutations (Abbreviations: SP, signal peptide; TM, transmembrane; EGF, epidermal growth factor; PAN, plasminogen-apple-nematode; DUF, domain of unknown function). (B) [Ca2+]cyt elevation triggered by LPS (prepared from Pseudomonas aeruginosa strain H4) is lost in lore-1 seedlings. (C) The lore-1 mutant does not show LPS-induced MAPK activation (but responds normally to chitin). MAPK activation is detected by anti-phospho-MPK immunoblot that recognizes activated forms of MAPKs. Amido black staining shows equal protein loading.

Plant receptors and their associated proteins mediate MAMP recognition and subsequent signal relay into cellular/biochemical reactions. One of the earliest detectable responses after MAMP perception is the activation of ion channels/ pumps at the plasma membrane – including an increase in cytosolic calcium (Seybold et al. 2014). Calcium is a second messenger that controls downstream

Ohio State University, USA

Stefanie Ranf TU Munich, Germany

Alok Sinha National Institute of Plant Genome Research, New Delhi India

phosphoproteins includes components that have been previously identified in genetic screens to regulate indole glucosinolate metabolism in defense against filamentous pathogens (Lassowskat et al. 2014). Furthermore, some candidates were found with other previous strategies (e.g. yeast-two hybrid screens or an in vitro protein array-based kinase screen) we used to search for MAPK-interacting proteins and MAPK substrates. An example is

responses, such as MAPK activation, ROS

screening system to identify receptors for

extracellular domain to that of the animal

a class of MAPK-targeted VQ-motif-con-

(reactive oxygen species) production and

novel MAMPs. Towards this end, we isolated

counterpart, Toll-Like Receptor 4 (TLR4),

taining proteins (MVQs) that interact with

defense gene expression. Using Arabidop-

mutants that do not respond to lipooligo-

suggests convergent evolution between

specific members of WRKY transcription

sis plants expressing the calcium reporter,

saccharide (LPS), a major bacterial endo-

plants and animals in LPS perception. The

factors and regulate MAMP-induced gene

aequorin, one can detect a rapid increase

toxin for animals. These lipooligosaccha-

identification of LORE may open up the

expression (Pecher et al. 2014, Weyhe et

in cytosolic calcium after MAMP elicita-

ride-specific reduced elicitation (lore) mu-

opportunity to use it as a LPS-chelating

al. 2014) (Fig. 2). We postulate that these

tion. In a proof-of-principle genetic screen

tants lack several downstream LPS-in-

agent in human/animal therapy of bacte-

candidates, encompassing putative trans-

for mutants with altered calcium signa-

duced reactions (e.g. MAPK activation, Fig.

rial diseases or confer enhanced LPS sen-

cription factors, transcription factor-asso-

ture, we isolated predominantly mutations

1). Genetic mapping revealed LORE to en-

sitivities in major crops.

ciated proteins or putative RNA-binding

in the receptor and several receptor-asso-

code a lectin S-domain receptor-like ki-

ciated components (Ranf et al. 2014). This

nase. LORE is presumably one plant LPS

Downstream of calcium, MAMP-activated

post-transcriptional regulation of defense

highlights the potential of this calcium

receptor and the difference in the predicted

MAPKs and their phospho-substrates reg-

gene expression, while in other cases,

proteins, play roles in transcriptional and

Fig. 2: Defense gene transcription may be regulated by the proposed ménage à trois situation between specific MAPKs, WRKYs and VQ-motif-containing proteins (VQPs). The basal tripartite module (highlighted by the yellow triangular shading) consists of MAPK (M), VQP (V) and WRKY (W) or eventually other still unknown components. Multiple modules of such complexes probably exist in plant cells. Specific examples with roles in defense regulation are the protein complexes containing MPK6-MVQ1-WRKY33 or MPK4-MKS1-WRKY33 (shown within the dashed circle). Additionally, binary interactions such as WRKY dimers or VQP-WRKY pairs (eg. SIB1-WRKY33), which are not targeted by MAPKs, also exist for MAPK-independent regulation. (Abbreviations: MVQ1, MAPK-targeted VQP 1; MKS1, MPK4 substrate 1; SIB1, Sigma factor-binding protein 1).

Group Members Manaswita Baruah

Siska Herklotz

Pascal Pecher

Fabian Trempel

PhD Student, Erasmus Mundus Fellow

Bachelor Student

PhD Student

PhD Student

Nicole Bauer

Xiyuan Jiang

Florian Rist

Lore Westphal

Technician

PhD Student

Master Student

Senior Scientist

Martina Brode

Ines Lassowskat

Arsheed Hussain Sheikh

Martin Weyhe

Master Student

PhD Student

PhD Student, DAAD Sandwich Fellow

PhD Student

Lennart Eschen-Lippold

Luis Maldonado-Bonilla

Sara Sopeña

Postdoctoral Scientist

Postdoctoral Scientist

Guest Scientist

Marina Häußler

Annekatrin Missal

Naheed Tabassum

Technician

Master & PhD Student

PhD Student

50

flanzen sind in der Lage, die Anwesenheit von Mikroorganismen über eine Rezeptor-vermittelte Erkennung von Pathogen-abgeleiteten Signalen wahrzunehmen und dadurch Signaltransduktionswege zu initiieren, die komplexe Abwehr-

P

reaktionen aktivieren. Zu den daran beteiligten Prozessen zählen eine transiente Erhöhung der zytosolischen Kalziumkonzentration, die Aktivierung von Ionenkanälen und MAP-Kinasen, die Akkumulation von reaktiven Sauerstoffspezies und die Expression von Abwehrgenen. Mittels genetischer Mutanten-Screens und der molekularen Charakterisierung von MAPKSubstraten wurden in unserer Arbeitsgruppe Komponenten von Abwehr-Signalwegen identifiziert und funktionell charakterisiert. Ein Bespiel dafür ist die kürzlich erfolgte Identifizierung des pflanzlichen Lipooligosaccharid-Rezeptors. Diese Erkenntnisse können langfristig in der Landwirtschaft zur Herstellung von Pflanzen mit erhöhter Krankheitsresistenz oder auch in der medizinischen Biotechnologie angewendet werden.

51

Induced Pathogen Defense Heads: Sabine Rosahl & Dierk Scheel

Group Members

The oomycete Phytophthora infestans is

13 treatment. One of these genes is pre-

formation, possibly by transporting su-

the causal agent of late blight disease,

dicted to encode an ABC transporter. Its

berin monomers out of the cell.

economically the most important potato

expression is also enhanced after wound-

disease worldwide. To elucidate resistance

ing and infection with P. infestans.

In contrast to potato, Arabidopsis is not

mechanisms against this destructive

Transgenic plants with reduced expres-

a host plant for P. infestans. This nonhost

pathogen, we are analyzing the success-

sion of the ABC gene show a striking

resistance is dependent on both pre-

PhD Student

ful induction of enhanced resistance in a

morphological phenotype. While the

and postinvasion resistance mecha-

Marina Häußler

susceptible potato cultivar, as well as

aerial parts of the plants appear normal,

nisms that successfully prevent coloni-

Technician

nonhost resistance of Arabidopsis thalia-

tubers have a rough and corky surface.

zation by P. infestans. A key player in pe-

Franz Hoffmann

na against P. infestans.

Microscopic analyses revealed that the

netration resistance is the atypical myro-

cells of the tuber skin of ABC-RNAi

sinase PEN2. Indole derivatives pro-

The activation of plant defense respon-

plants are collapsed and highly disor-

duced by the PEN2 catalytic activity are

ses depends on the recognition of pa-

ganized (Fig. 1). A defect was also ob-

supposed to be transported out of the

PhD Student

thogen-associated molecular patterns

served in the exodermis and the endo-

cell by the ABC transporter PEN3. Gene-

Andreas Matern

(PAMPs) by plant pattern recognition re-

dermis of roots. These tissues are typical

tic data indicate that the presence of

PhD Student

ceptors. The multicomponent defense

suberin-containing tissues, suggesting

these secondary metabolites in the apo-

Linda Nietzschmann

response activated after PAMP percep-

that formation of this biopolymer is

plast inhibits pathogen entry.

tion is called PAMP-triggered immunity

impaired in the transgenic plants. GC-

(PTI) and contributes to pathogen resis-

MS and UPLC- ESI-QTOF-MS analyses of

To identify additional genes involved in

tance.

potato tuber skin, performed in collabo-

nonhost resistance, a genetic screen

ration with the group Metabolite Profi-

was performed based on mutagenized

Melanie Dobritzsch PhD Student

Katrin Geißler

Master Student

Nadine Küster Guest Scientist

Ramona Landgraf

PhD Student

Juliane Rausche PhD Student

Paul Runge Bachelor Student

Daniel Scheer

Treatment of the susceptible potato cul-

ling in Arabidopsis and Crop Plants,

pen2 plants. Fourteen mutants were iso-

Master Student

Fig. 2. Tubers with reduced suberin levels suffer a greater water loss during storage than wild type tubers. The weight of control (grey bars) and StABCG-RNAi

tivar Désirée with the Phytophthora

indeed revealed reduced levels of su-

lated which display an enhanced re-

tubers (black bars) was determined at different days after harvesting.

Ulrike Smolka

PAMP Pep-13 results in strong local de-

berin monomers. In accordance with the

sponse to P. infestans inoculation (erp

fense responses and in an enhanced re-

water barrier function of suberin, trans-

mutants). The gene affected in the erp2

sistance against subsequent infections.

genic tubers are more prone to water

mutant was identified by whole genome

To elucidate mechanisms leading to this

loss than control tubers, losing half their

resequencing as EDR1 (enhanced dis-

enhanced resistance, microarray analy-

weight within three weeks of storage

ease resistance 1), encoding a putative

ses were carried out. More than 700

(Fig. 2). These results suggest that the

MAPKKK. Loss of EDR1 function leads to

genes are activated in response to Pep-

ABC transporter is required for suberin

an enhanced response to P. infestans in-

Gerd Hause

oculation, mediated by increased sali-

University of Halle, Germany

cylic acid signaling and callose deposi-

Volker Lipka

Technician

Lore Westphal Senior Scientist

Wu Yang Bachelor Student

tion. We have thus identified EDR1 as a negative regulator for postinvasive non-

Collaborators Peter Dörmann

Paul Schulze-Lefert

University of Bonn, Germany

Max Planck Institute for Plant Breeding Research, Cologne, Germany

Sophia Sonnewald University of Erlangen, Germany

University of Göttingen, Germany

Detlef Weigel

Felix Mauch

Max Planck Institute for Developmental Biology, Tübingen, Germany

University of Fribourg, Switzerland

host resistance.

ie wirtschaftlich wichtige Kraut- und Knollenfäule der Kartoffel wird durch den Oomyceten Phytophthora infestans verursacht. Um pflanzliche Abwehrmechanismen gegen P. infestans zu identifizieren, untersuchen wir die Interaktion des Pathogens mit seiner Wirtspflanze Solanum tuberosum und mit der Nichtwirtspflanze Arabidopsis thaliana.

D

Die Behandlung einer anfälligen Kartoffelsorte mit Pep-13, einem pathogen-associated molecular pattern (PAMP) aus Phytophthora, führt zu einer starken lokalen Abwehrantwort und zu einer erhöhten Resistenz gegen weitere Infektionen durch P. infestans. Eines der durch Pep-13 aktivierten Gene kodiert für einen ABC-Transporter, der für die Suberinbildung in der Kartoffelschale notwendig ist.

Fig. 1. Identification of an ABC transporter required for suberin formation in potato tuber skin. In contrast to control plants (left panel), transgenic potato plants with reduced expression of suberin ABC transporter genes show defective tuber skin (right panel). Foto: Gerd Hause, University of Halle

52

In einem genetischen Screen wurden Mutanten der Nichtwirtspflanze Arabidopsis erhalten, die eine verstärkte Antwort auf die Infektion mit P. infestans zeigen. Eines der betroffenen Gene wurde durch Sequenzierung des Mutantengenoms identifiziert. Der Defekt in einem Gen für eine putative MAPKKK führt zu einer verstärkten Zelltodreaktion. Dies lässt auf eine Funktion des Proteins als negativen Regulator in der post-invasiven Phase der Nichtwirtsresistenz schließen.

53

Bioinformatics & Mass Spectrometry

The annotation of interesting metabolites

mental Research (UFZ), especially in the

can also be directly integrated into the

area of metabolite and small molecule

Head: Steffen Neumann

metabolite profiling data analysis. To-

identification in the EU FP7 project SOLU-

Collaborators

gether with Dr. Gaquerel from the MPI for

TIONS (http://www.solutions-project.eu/),

chemical ecology in Jena, we created a

which searches for new and improved

Masanori Arita

correlation network-based approach,

tools, models, and methods to support

National Institute of Genetics, Mishima, Japan

Today, mass spectrometry is a key tech-

which organises the initial peak lists into

decisions in environmental and water

Sebastian Böcker

nology for metabolomics research. Due to

related clusters. Thus, the in-source frag-

policies.

University of Jena, Germany

immense technological advances in mass

mentation peaks can be sent to MetFrag,

spectrometry over the last years, the

and the metabolites in the network neigh-

amount and complexity of the data produced has been growing rapidly. We are

Werner Brack

Together with Dr. Schymanski, we started

Helmholtz Centre for Environmental Research, Leipzig, Germany

bourhood provide further biochemical

the CASMI contest series: the Critical As-

Ivo Große, Stefan Posch

evidence.

sessment of Small Molecule Identification.

University of Halle, Germany

We published challenge spectra, and in-

Oliver Kohlbacher

developing Open Source algorithms, databases and tools, which are required for

Since environmental research and meta-

vite the community to submit identifica-

the analysis of metabolomics experiments.

bolomics share many analytical and bioin-

tion hypotheses for an unbiased com-

formatics challenges, we initiated coope-

parison of the available tools. Each CASMI

For the software development we use dif-

rations with Eawag, the Swiss Federal In-

edition is held by a different local organi-

ferent methods, such as the statistics en-

stitute of Aquatic Science and Technolo-

zation team with support by Emma Schy-

vironment R and various Bioconductor

gy and the Helmholtz Centre for Environ-

manski and Steffen Neumann.

packages. Other projects use Java, and the possibility to add user friendly web based interfaces. Compute intensive calculations are executed on the IPB cluster, which provides a number of local compute nodes, but also allows to move tasks

University of Tübingen, Germany

Takaaki Nishioka Graduate School of Agriculture, Kyoto, Japan

Kazuki Saito Riken Plant Science Center, Yokohama City, Japan

Susanna Sansone, Phillipe Rocca-Serra Oxford University, UK

Canonical Variables (CV) are subsets of metabolites (blue) and genes (green) that are highly correlated. The experiment design (red) encodes experimental design factors, here a combination of the genetic, treatment and timepoint information. The first CV summarises the plant response to Phytophtora infestans infections (left), while the second CV is dominated by differences related to a particular genotype (right).

Emma Schymanski Eawag, Dübendorf, Switzerland

Christoph Steinbeck European Bioinformatics Institute, Hinxton, Cambrigde, UK

into a public cloud where necessary. standards. The Bioconductor package mzR

Since reference spectra are often expen-

In all of the above developments, we have

The first step in a metabolomics data pro-

is the underlying data import layer for se-

sive (both in consumables and chemicals,

reproducible research and Open Data in

cessing pipeline is the processing of sig-

veral other packages.

but even more so in manpower) to obtain,

mind. The focus on scripted analyses al-

reference libraries will never be covering

lows to easily repeat all or individual steps.

nals, to reduce complex chromatographic data into peak lists, and align several peak

Multiple statistical methods can be app-

as many compounds as can be found in

We have contributed early feedback and

lists from different samples into a data ma-

lied to metabolomics – and also multi-

general purpose compound databases.

example data to the ISA (Investigation,

trix. We are co-maintaining the successful

omics – data sets, ranging from univariate

Therefore, we are developing the MetFrag

Study, Assay) tools and the Metabolights

Bioconductor package XCMS, which is

to multivariate approaches. Together with

system. The tool uses the tandem mass

metabolomics repository at the EBI. These

downloaded about 12,000 times per year.

researchers from the University of Halle,

spectrum and the calculated mass of the

efforts continue in the EU project COS-

We also created the CAMERA package to

we have extended canonical correlation

compound as input to search chemical

MOS (http://www.cosmos-fp7.eu/) on

annotate ion species typically found in

analysis (CCA) to allow the interpretation

structure databases such as KEGG, Pub-

electrospray ionization mass spectrome-

of multi-omics datasets in the context of

Chem or ChemSpider for matching mole-

try (ESI-MS). These tools accept raw data

experimental design. The statistical analy-

cules. In cooperation with Dr. Brandt and

from almost any mass spectrometer after

sis of metabolomics experiments will re-

the computational chemistry group we

conversion to the open XML data format

veal a number of interesting metabolites.

improve the chemical feasibility of the

mzML, or the Excel-compatible mzTab.

For any further biological interpretation, it

predictions. A user-friendly web applica-

The specification, examples and imple-

is required to identify their structure.

tion is accessible at http://msbi.ipb-

nity, organized in the Proteomics Stan-

The processing and analysis of tandem

source code under an open-source license

dards Initiative. The IPB is continuously

mass spectrometry is a key technology

for local deployments. MetFusion is a

contributing to and promoting the open

for the identification of small molecules.

strategy and system to combine the com-

The IPB Halle is member of the MassBank

pound hypotheses obtained by the com-

consortium, the first open database of re-

plementary MassBank and MetFrag identi-

ference spectra. We develop an ecosys-

fication approaches. This strategy com-

tem of tools and workflows around

bines the best of both worlds: the identifi-

MassBank. The spectral database is an

cation using spectral libraries if similar

important resource for metabolomics

spectra are available, and the huge chemi-

researchers, but also the foundation for

cal coverage of the compound databases

Group Members Daniel Schober

PhD Student

Postdoctoral Scientist

Carsten Kuhl

Jan Stanstrup

PhD Student

Guest Scientist

Susan Mönchgesang

Hendrik Treutler

PhD Student

PhD Student

the development of computational mass

queried by MetFrag. Under certain as-

Christoph Ruttkies

Diana Trutschel

spectrometry methods. The spectra are

sumptions MetFusion can be expected to

PhD Student

PhD Student

used to train and validate computational

identify 2500 of the KEGG compounds in

models.

the top 10 among all PubChem candidates.

54

micS, where the IPB leads the work package for Data Standards. The goal is the development of efficient e-infrastructures in life sciences, that will help to boost the understanding of plants as complex biological systems.

halle.de/MetFrag/, but we also provide the

mentations were created by the commu-

Michael Gerlich

COordination of Standards in MetabOloAfter signal processing, network analysis clusters peaks into strongly connected subgraphs, and MetFrag is used to annotate possible metabolite identifications.

ie Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit Datenbanken und Anwendungen für die Analyse von Metabolomicsdaten. Die Auswertungen werden in Java und der Statistiksprache R durchgeführt und durchgängig als Open Source zur Verfügung gestellt.

D

Der erste Schritt in der Verarbeitung von Massenspektrometriedaten ist die Signalverarbeitung, um die Rohdaten in einfache Peaklisten zusammenzufassen und zu annotieren. Die ursprünglich für Metabolitenprofile entwickelten Methoden haben wir auf die Verarbeitung von Tandem-Massenspektren (MS/MS) erweitert. Für die biologische Interpretation ist die Identifikation der Metabolite nötig. Das IPB ist Mitglied im MassBank-Konsortium und entwickelt die in-sillico-Methode MetFrag für die Fälle, in denen keine Referenzspektren existieren. Das neue Tool MetFusion integriert beide Ansätze. Im EU Projekt COSMOS arbeiten wir mit Partnern an der Etablierung einer effektiven E-Infrastruktur zur Speicherung und Analyse von Metabolomicsdaten und deren Integration mit weiteren -omics-Datensätzen aus den Lebenswissenschaften.

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Metabolite Profiling in Arabidopsis and Crop Plants Head: Dierk Scheel

Group Members Christoph Böttcher Postdoctoral Scientist

Julia Göhricke Technician

Siska Herklotz Master Student

Sylvia Krüger Technician

Sophie Nahrstedt PhD Student

Stephan Schmidt Postdoctoral Scientist

Nadine Strehmel Postdoctoral Scientist

Collaborators Stephan Clemens University of Bayreuth, Germany

During development and in response to variable environmental conditions, plants exhibit altered metabolite patterns. Among those low molecular weight compounds, the number and diversity of secondary metabolites is particularly high. These are known to play crucial roles in plant development, adaptation and defense. For sensitive detection, quantification and identification of the diverse spectrum of metabolites liquid and gas chromatography-coupled mass spectrometry (LC-MS and GC-MS) is employed in mostly non-targeted manner. In cooperation with the Bioinformatics and Mass Spectrometry group, versatile tools for data analysis and storage have been developed and made publicly available (see corresponding report).

tography, the hyphenation of orthogonal analysis platforms such as LCMS and GC-MS and the setup of an GC/APCI(+)-QTOFMS analysis pipeline. As a result, more than 90 compounds of a representative root exudate sample of the Arabidopsis accession Col-0 were structurally characterized and 42 of them identified using an authenticated standard. With this knowledge, the genetic variability of plants’ root exudates was explored. Comprehensive metabolite profiling analysis of 19 Arabidopsis thaliana accessions showed that the root exudation pattern is to a large part genetically determined, which could be proven for selected compounds, such as 1-MeO-13CH2NH2 and didehydro di(coumaroyl)spermidine sulfate.

Current research focused on biological objectives on the one hand (Fig. 1, panel A) and technical issues on the other hand (Fig.1, panel B). One central research activity was within the interdisciplinary SAW project Chemical communication in the rhizosphere. Here, innovative strategies for the identification of unknown compounds from complex metabolite profiles were applied. These target the compilation of accurate tandem mass spectrometry data, the application of on-line H/D exchange chroma-

These data furthermore formed the basis for exploring changes in root and exudate metabolite patterns in response co-cultivation of Arabidopsis plants with Piriformospora indica or Rhizobium leguminosarum, as well as the altered root exudation pattern after limited nutrient availability using iron as an example case. Both microorganisms had a strong influence on the lignan, glucosinolate and coumarin pathway. Coumarins were identified as being essential for Fe(III) mobilization.

A)

Ulf-Ingo Flügge, Tamara Gigolashvili University of Cologne, Germany

Erich Glawischnig Technical University Munich, Germany

Barbara Ann Halkier University of Copenhagen, Denmark

Joachim Kopka Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology, Golm, Germany

Carsten Milkowski University of Halle, Germany

Silke Ruppel, Katja Witzel Leibniz Institute of Vegetable and Ornamental Crops, Großbeeren, Germany

Paul Schulze-Lefert Max Planck Institute for Plant Breeding Research, Cologne, Germany

B)

ährend der Entwicklung und als Reaktion auf wechselnde Umweltbedingungen verändern Pflanzen

W

das Muster ihrer Metaboliten. Unter diesen niedermolekularen Verbindungen sind insbesondere Anzahl und Diversität von Sekundärmetaboliten sehr hoch. Sie spielen eine wichtige Rolle in Ent-

wicklungs-, Adaptations- und Abwehrprozessen. Für die sensitive Detektion, Quantifizierung und Identifizierung des Spektrums pflanzlicher Metaboliten wird Flüssigkeits- und Gaschromatographie-gekoppelte Massenspektrometrie (LC-MS, GC-MS) zumeist in ungerichteten Ansätzen eingesetzt. In Zusammenarbeit mit der Forschungsgruppe Bioinformatik und Massenspektrometrie wurden wichtige Werkzeuge zur Datenanalyse

Fig. 1. Central research objectives of the metabolite profiling group. A) Main topics of the SAW project Chemical Communication in the Rhizosphere including microbial community dynamics, nutrient deficiency and genetic variability studies. B) Development of strategies for the identification of unknown compounds from complex metabolite profiles.

und –speicherung entwickelt und öffentlich verfügbar gemacht.

56

57

Publications and other Activities of the Department of Stress and Developmental Biology

Publications 2013 Frolov, A., Henning, A., Böttcher, C., Tissier, A. & Strack, D. An UPLC-MS/MS method for the simultaneous identification and quantitation of cell wall phenolics in Brassica napus seeds J. Agricult. Food Chem. 61, 1219-1227. Gaquerel, E., Kuhl, C. & Neumann, S. Computational annotation of plant metabolomics profiles via a novel network-assisted approach. Metabolomics 9, 904-918. Gerlich, M. & Neumann, S. MetFusion: integration of compound identification strategies. J. Mass Spectrom. 48, 291298. Haug, K., Salek, R.M., Conesa, P., Hastings, J., de Matos, P., Rijnbeek, M., Mahendraker, T., Williams, M., Neumann, S., Philippe Rocca-Serra, P., Maguire, E., González-Beltrán, A., Sansone, S.-A., Griffin, J.L. & Steinbeck, C. MetaboLights an open-access general-purpose repository for metabolomics studies and associated metadata. Nucl. Acids Res. 41, D781-D786. Kathagen, A., Schulte, A., Balcke, G., Phillips, H. S., Martens, T., Matschke, J., Günther, H. S., Soriano, R., Modrusan, Z., Sandmann, T., Kuhl, C., Tissier, A., Holz, M., Krawinkel, L. A., Glatzel, M., Westphal, M. & Lamszus, K. Hypoxia and oxygenation induce a metabolic switch between pentose phosphate pathway and glycolysis in glioma stem-like cells. Acta Neuropathol. 126, 763-780. Kopischke, M., Westphal, L., Schneeberger, K., Clark, R., Ossowski, S., Wewer, V., Fuchs, R., Landtag, J., Hause, G., Dörmann, P., Lipka, V., Weigel, D., Schulze-Lefert, P., Scheel, D. & Rosahl, S. Impaired sterol ester synthesis alters the response of Arabidopsis thaliana to Phytophthora infestans. Plant J. 73, 456-468. Lassowskat, I., Naumann, K., Lee, J. & Scheel, D. PAPE (prefractionation-assisted phosphoprotein enrichment): a novel approach for phosphoproteomic analysis of green tissues from plants. Proteomes 1, 254-274. Mittasch, J., Böttcher, C., Frolov, A., Strack, D. & Milkowski, C. Reprogramming the phenylpropanoid metabolism in seeds of oilseed rape by suppressing the orthologs of REDUCED EPIDERMAL FLUORESCENCE1 Plant Physiol. 161, 1656-1669. Navarro-Quezada, A., Schumann, N. & Quint, M. Plant Fbox protein evolution is determined by lineage-specific timing of major gene family expansion waves. PLoS One 8, e68672. Ruttkies, C., Gerlich, M. &, Neumann, S. Tackling CASMI 2012: solutions from MetFrag and MetFusion. Metabolites 3, 623-636.

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Schymanski E. L. & Neumann, S.The critical assessment of small molecule identification (CASMI): challenges and solutions. Metabilotes 3, 517-538. Schymanski E. L. & Neumann, S. CASMI: and the winner is… Metabolites 3, 412-439. Singer, A.U., Schulze, S., Skarina, T., Xu, X., Cui, H., EschenLippold, L., Egler, M., Srikumar,T., Raught, B., Lee, J., Scheel, D., Savchenko, A. & Bonas, U. A pathogen type III effector with a novel E3 ubiquitin ligase architecture PLoS Pathog. 9, e1003121. Stanstrup, J., Gerlich, M., Dragsted, L.O. & Neumann, S. Metabolite profiling and beyond: approaches for the rapid processing and annotation of human blood serum mass spectrometry data. Anal. Bioanal. Chem. 405, 5037-5048. Stegmann, M., Anderson, R. G., Westphal, L., Rosahl, S., McDowell, J. K. & Trujillo, M. The exocyst subunit Exo70B1 is involved in the immune response of Arabidopsis thaliana to different pathogens and cell death. Plant Signal. Behav. 8, e27421. Strehmel, C., Zhang, Z., Strehmel, N. & Lensen, M. Cell phenotypic changes of mouse connective tissue fibroblasts (L-929) to poly(ethylene glycol)-based gels. Biomaterials Science 1, 850- 859.

Book Chapter 2013 Hummel, J., Strehmel, N., Bölling, C. Schmidt, S., Walther D. & Kopka, J., Mass spectral search and analysis using the Golm Metabolome Database. In: The handbook of plant metabolomics. (Weckwerth, W. & Kahl, G. eds.) WileyBlackwell Weinheim, S. 321-343, ISBN 978-3-527-32777-5. Neumann, S., Rasche, F., Wolf, S. & Böcker, S. Metabolite identification and computational mass spectrometry. In: The handbook of plant metabolomics (Weckwerth, W. & Kahl, G. eds.)Wiley-Blackwell Weinheim, S. 289-303, ISBN: 978-3-527-32777-5. Sign.: A/1231.

Bachelor Theses 2013 Graap, Jenny: Quantifizierung der Expression von Effektorgenen des Pilzes Rhynchosporium secalis. Hochschule Anhalt, Fachbereich Angewandte Biowissenschaften und Prozesstechnik, 25/3/2013. Herklotz, Siska: Die Bedeutung des VQ-Motivs für Interaktionen zwischen VQ-Proteinen und WRKY-Transkriptionsfaktoren. Hochschule Anhalt, Fachbereich Angewandte Biowissenschaften und Prozesstechnik. 25/3/2013.

Lemke, Robert: Interaktive Analyse von Naturstoffen mit Themenmodellen. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Informatik, 22/4/2013. Müller, Erik: Integrierte Analyse von SNP- und MS-Daten. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Informatik, 10/10/2013 Runge, Paul: Charakterisierung und funktionelle Analyse eines ABC-Promotors aus Solanum tuberosum. Hochschule Anhalt, Fachbereich Angewandte Biowissenschaften und Prozesstechnik, 18/11/2013. Yang, Wu: Untersuchung der Aktivität des pathogeninduzierten StABCG1-Promotors und Deletionsanalyse des StABCG1-Promotors aus Solanum tuberosum. Hochschule Anhalt, Fachbereich Angewandte Biowissenschaften und Prozesstechnik, 18/11/2013.

Master Theses 2013 Scheller, Paul: Implementation eines dynamischen GreenCloud Systems. Hochschule Merseburg, 18/1/2013 Xiaohang, Wang: Funktionale Charakterisierung von Pektinmethylesterase-Genen des Gerstenpathogens Rhynchosporium commune. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biochemie / Biotechnologie, 18/2/2013.

Doctoral Theses 2013 Geißler, Katrin: Charakterisierung der Arabidopsis thaliana-Mutanten pen2erp2 und pen2erp6. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biologie, 1/3/2013. Palm-Forster, Mieder Anthony Thomas: Identification and functional characterisation of three novel proline rich proteins that are mitogen activated protein kinase substrates. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biologie, 26/2/2013.

Publications 2014 Böttcher, C., Chapman, A., Fellermeier, F., Choudhary, M., Scheel, D. & Glawischnig, E. The biosynthetic pathway of Indole-3-carbaldehyde and indole-3-carboxylic acid derivatives in Arabidopsis1[W]. Plant Physiol. 165, 841–853. Brack, W., Altenburger, R., Schüürmann, G., Krauss, M., López Herráez, D., van Gils, J., Slobodnik, J., Munthe, J., Gawlik, B. M., van Wezel, A., Schriks, M., Hollender, J., Tollefsen, K. E., Mekenyan, O., Dimitrov, S., Bunke, D.,

Cousins, I., Posthuma, L., van den Brink, P.- J., López de Alda, M., Barceló, D., Faust, M., Kortenkamp, A., Scromshaw, M., Ignatova, S., Engelen, G., Massmann, G., Lemkine, G., Teodorovic, I., Walz, K.-H., Dulio, V., Jonker, M. T. O., Jäger, F., Chipman, K., Falciani, F., Liska, I., Rooke, D., Zhang, X., Hollert, H., Vrana, B., Hilscherova, K., Kramer, K., Neumann, S., Hammerbacher, R., Backhaus, T., Mack, J., Segner, H., Escher, B. & de Aragão Umbuzeiro, G. The solutions project: challenges and responses for present and future emerging pollutants in land and water resources management. Sci. total Environm. erschienen: Vol. 503-504 (2015) 22-31. Broeckling, C. D., Afsar, F. A., Neumann, S., Ben-Hur, A. & Prenni, J. E. RAMClust: a novel feature clustering method enables spectral-matching-based annotation for metabolomics data. Analyt. Chem. 86, 6812-6817. Carrasco, J. L., Castelló, M. J., Naumann, K., Lassowskat, I., Navarrete-Gómez, M., Scheel, D. & Vera, P. Arabidopsis protein phosphatase DBP1 nucleates a protein network with a role in regulating plant defense. PloS One. 9, e90734. Creek, D. J., Dunn, W. B., Fiehn, O., Griffin, J. L., Hall, R. D., Lei, Z., Mistrik, R., Neumann, S., Schymanski, E. L., Sumner, W. L.,Trengove, R. & Wolfender, J.-L. Metabolite identification: are you sure? And how do your peers gauge your confidence? Metabolomics 10, 350-353. Geissler, K., Eschen-Lippold, L., Naumann, K., Schneeberger, K., Weigel, D., Scheel, D., Rosahl, S. & Westphal, L. Mutations in enhanced disease resistance1 (EDR1) alter the response of Arabidopsis thaliana to Phytophthora infestans and the bacterial PAMPs, flg22 and elf18. Mol. Plant Microbe. Interact., erschienen: Vol. 28 (2015) 122-133. González-Beltrá, A., Neumann, S., Maguire, E., Sansone, S.A. & Rocca-Serra, P. The Risa R/Bioconductor package: integrative data analysis from experimental metadata and back again. BMC Bioinformatics 15, (Suppl. 1), S11. Griss, J., Jones, A. R., Sachsenberg, T., Walzer, M., Gatto, L., Hartler, J., Thallinger, G. G., Salek, R. M., Steinbeck, C., Neuhauser, N., Cox, J., Neumann, S., Fan, J., Reisinger, F., Xu, Q.-W., del Toro, N., Oerez-Riverol, Y., Ghali, F., Bandeira, N., Xenarios, I., Kohlbacher, O., Vizcaino, J. A. & Hermjakob, H. The mzTab data exchange format: communicating MS-based proteomics and metabolomics experimental results to a wider audience. Mol. Cell. Prot. 13, 2765-2775. Hawkins, N. J., Cools, H. J., Sierotzki, H., Shaw, M. W., Knogge, W., Kelly, D. E. & Fraaije, B. A. Paralogue re-emergence: a novel, historically-contingent mechanism in the evolution of anti-microbial resistance. Mol. Biol. Evol. 31, 1793-1802.

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Publications and other Activities of the Department of Stress and Developmental Biology

Publications 2014 Heymann, T., Westphal, L., Wessjohann, L. & Glomb, M. A. Growing and processing conditions lead to changes in the carotenoid profile of spinach. J. Agr. Food Chem. 62, 4960-4967.

Schmid, N. B., Giehl, R. F. H., Döll, S., Mock, H.-P., Strehmel, N., Scheel, D., Kong, X., Hider, R. C. & von Wiren, N. Feruloyl-CoA 6’-hydroxylase1-dependent coumarins mediate iron acquisition from alkaline substrates in Arabidopsis. Plant Physiol. 164, 160-172.

Kumar, A., Gopalswamy, M., Wishart, C., Henze, M., Eschen-Lippold, L., Donnelly, D. & Balbach, J. N-Terminal phosphorylation of parathyroid hormone (PTH) abolishes its receptor activity. ACS Chem. Biol. 9, 2465–2470.

Schmidt, H., Günther, C., Weber, M., Spörlein, C., Loscher, S., Böttcher, C., Schobert, R. & Clemens, C. Metabolome analysis of Arabidopsis thaliana roots identifies a key metabolic pathways for iron acquisition. PloS One 9, e102444.

Landgraf, R., Smolka, U., Altmann, S., Eschen-Lippold, L., Senning, M., Sonnewald, S., Weigel, B., Frolova, N., Strehmel, N., Hause, G., Scheel, D., Böttcher, C. & Rosahl, S. The ABC transporter ABCG1 is required for suberin formation in potato tuber periderm. Plant Cell 26, 3403-3415.

Schober, D., Wilson, M., Jacob, D., Moing, A., Mayer, G., Eisenacher, M., Salek, R. M. & Neumann, S. Ontology usage in omics standards initiatives: pros and cons of enriching XML data formats with controlled vocabulary terms. In: Ontologies and Data in Life Sciences (ODLS2014), Freiburg im Breisgau, October 7-8, 2014 IMISE-REPORT 1/2014, G 1-6 (36-42).

Lassowskat, I., Böttcher, C., Eschen-Lippold, L., Scheel, D. & Lee, J. Sustained mitogen-activated protein kinase activation reprograms defense metabolism and phosphoprotein profile in Arabidopsis thaliana. Front. Plant Sci. 5, 554. Majovsky, P., Naumann, C., Lee, C.-W., Lassowskat, I., Trujillo, M., Dissmeyer, N. & Hoehenwarter, W. Targeted proteomics analysis of protein degradation in plant signaling on an LTQ-Orbitrap mass spectrometer. J. Proteome Res. 13, 4246–4258. Maldonado-Bonilla, L.D., Eschen-Lippold, L., Gago Zachert, S., Tabassum, N., Bauer, N., Scheel, D. & Lee, J. The arabidopsis tandem zinc finger 9 protein binds RNA and mediates pathogen-associated molecular pattern-triggered immune responses. Plant Cell Physiol. 55, 412-425.

Seiler, C., Harshavardhan,V.T., Reddy, P.S., Hensel, G., Kumlehn, J., Eschen-Lippold, L., Rajesh, K., Korzun, V., Wobus, U., Lee, J., Selvaraj, G. & Sreenivasulu, N. Abscisic acid flux alterations result in differential ABA signaling responses and impact assimilation efficiency in barley under terminal drought stress. Plant Physiol. 164, 1677-1696.

Vogel, M. O., Moore, M., Konig, K., Pecher, P., Alsharafa, K., Lee, J. & Dietz, K. J. Fast retrograde signaling in response to high light involves metabolite export, MITOGENACTIVATED PROTEIN KINASE6, and AP2/ERF transcription factors in Arabidopsis. Plant Cell 26, 1151-1165. Weyhe, M., Eschen-Lippold, L., Pecher, P., Scheel, D. & Lee, J. Ménage à trois: The complex relationships between mitogen-activated protein kinases, WRKY transcription factors and VQ-motif-containing proteins. Plant Signal. Behav. 9, e29519,

Doctoral Theses 2014 Lassowskat, Ines: Catch me if you can – Identifikation neuer Substrate Mitogen-aktivierter Proteinkinasen (3/6) in Arabidopsis thaliana mittels eines Phosphoproteomicsbasierten Ansatzes. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biologie, 21/5/2014. Wenzel, Claudia: Identifizierung und Charakterisierung von putativen Virulenzfaktoren des Gerstenpathogens Rhynchosporium commune. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biologie, 3/3/2014.

Book Chapter 2014

Bachelor Theses 2014 Erbe, Stephan: Identifikation und Quantifikation von gelabelten Proteinen aus LC/MS Messungen. Martin-LutherUniversität Halle-Wittenberg, Fachbereich Informatik, 30/9/2014.

Pecher, P., Eschen-Lippold, L., Herklotz, S., Kuhle, K., Naumann, K., Bethke, G., Uhrig, J.,Weyhe, M., Scheel, D. & Lee, J. The Arabidopsis thaliana mitogen-activated protein kinases MPK3 and MPK6 target a subclass of 'VQ-motif'-containing proteins to regulate immune responses. New Phytol. 203, 592– 606.

Sheikh, A. H., Raghuram, B., Eschen-Lippold, L., Scheel, D., Lee, J. & Sinha, A. K. Agroinfiltration by cytokinin-producing Agrobacterium sp. strain GV3101 primes defense responses in Nicotiana tabacum. Mol. Plant Microbe Interact. 27, 1175-1185.

Wolschewski, Anastasia: Prozessierung von Metabolomdaten aus SWATH Massenspektren. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Informatik, 18/8/2014.

Ranf, S., Eschen-Lippold, L., Fröhlich, K., Westphal, L., Scheel, D. & Lee, J. Microbe-associated molecular patterninduced calcium signaling requires the receptor-like cytoplasmic kinases, PBL1 and BIK1. BMC Plant Biol. 14, 374.

Siersleben, S., Penselin, D.,Wenzel, C.,Albert, S. & Knogge, W. PFP1, a gene encoding an Epc-N domain-containing protein, is essential for pathogenicity of the barley pathogen Rhynchosporium commune. Eukaryot. Cell 3, 1026-1035.

Reddy, P. S., Kavi Kishor, P. B., Seiler, C, Kuhlmann, M., Eschen-Lippold, L., Lee, J., Reddy, M. K. & Sreenivasulu, N. Unraveling regulation of the small heat shock proteins by the heat shock factor /HvHsfB2c/ in barley: its implications in drought stress response and seed development. PloS One 9, e89125.

Strehmel, N., Kopka, J., Scheel, D. & Böttcher, C. Annotating unknown components from GC/EI-MS-based metabolite profiling experiments using GC/APCI(+)QTOFMS. Metabolomics 10, 324-336. Strehmel, N., Böttcher, C., Schmidt, S. & Scheel, D. Profiling of secondary metabolites in root exudates of Arabidopsis thaliana. Phytochemistry 108, 35-46.

Scheer, Daniel: Untersuchung von Pathogen-relevanten Metaboliten von Solanum tuberosum und Arabidopsis thaliana. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biologie, 28/4/2014.

Eschen-Lippold, L., Bauer, N., Löhr, J., Palm-Forster, M. A. & Lee, J. Rapid mutagenesis-based analysis of phosphorylation sites in mitogen-activated protein kinase substrates. In: Plant MAP kinase (Komis, G. & Šamaj, J. eds.) Humana Press, New York (Methods Mol. Biol., 1171) S. 183-192, ISBN 978-1-4939-0921-6.

Seybold, H.,Trempel, F., Ranf, S., Scheel, D., Romeis,T. & Lee, J. Ca2+ signaling in plant immune response: from pattern recognition receptors to Ca2+ decoding mechanisms. New Phytol. 204, 782–790.

Schenke, D., Cai, D. & Scheel, D. Suppression of UV-B stress responses by flg22 is regulated at the chromatin level via histone modification. Plant Cell Environ. 37, 1716– 1721.

60

Schymanski, E. L., Gerlich, M., Ruttkies, C. & Neumann, S. Solving CASMI 2013 with metFrag, metFusion and molgen-MS/MS. Mass Spectrometry 3, S0036.

Torriani, S. F. F., Penselin, D., Knogge, W., Felder, M., Taudien, S., Platzer, M., McDonald, B.A. & Brunner, P. C. Comparative analysis of mitochondrial genomes from closely related Rhynchosporium species reveals extensive intron invasion. Fungal Genet. Biol. 62, 34-42.

Master Theses 2014 Brode, Martina: Analyse der Proteinstabilität und die Identifikation von putativen RNA-Bindungsdomänen eines Arabidopsis thaliana Tandem-Zinkfingerproteins. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biologie, 26/3/2014. Missal, Annekatrin: Analyse zum Einfluss eines PHD-Domänen-Proteins auf die abwehrrelevante Genexpression in Arabidopsis thaliana. Martin-Luther-Universität HalleWittenberg, Fachbereich Biochemie / Biotechnologie 7/8/2014.

61

Department of Cell and Metabolic Biology

Abteilung Stoffwechsel- und Zellbiologie

Head: Professor Alain Tissier

Leiter: Professor Alain Tissier

Secretary: Ildikó Birkás

Sekretariat: Ildikó Birkás

ow specific metabolites are produced, how their biosyn-

H

constitute the major interaction point and are key to the ex-

thesis is regulated, and what roles they play in the re-

change of minerals and nutrients between the plant and the fun-

ie werden spezifische Metabolite produziert? Wie ist

W

Ebenfalls hochspezialisierte Zellstrukturen sind die Arbuskeln

ihre Biosynthese reguliert? Welche Rolle spielen sie in

sponses of plants to their environment are fundamental

gus. This interaction is studied in two research groups, Jasmo-

von Mykorrhizapilzen, die innerhalb der Pflanzenwurzel gebildet

der Reaktion der Pflanze auf ihre Umwelt? Dies sind

questions that our Department is trying to answer. These are ad-

nate Function & Mycorrhiza (B. Hause) and Carotenoid Me-

werden und das wichtigste Organ für den Austausch von Mine-

grundlegende Fragen, die in unserer Abteilung beantwortet wer-

dressed in the context of specific organs, tissues or cell types

ral- und Nährstoffen zwischen Pflanze und Pilz in dieser mutua-

tabolism & Mycorrhiza (M. Walter and A. Tissier). In the first

den sollen, wobei insbesondere spezifische Organe, Gewebe

listischen Symbiose darstellen. In der AG Jasmonatfunktion &

and/or in the context of plant-microorganisms interactions. Me-

group, this is done in the frame of a PAKT-project funded by the

oder Zelltypen und/oder die Interaktion von Pflanzen mit Mikro-

Mykorrhiza (B. Hause) werden hierbei im Rahmen des von der

tabolites, whether they are defense or signaling compounds, are

Leibniz Association entitled Chemical Communication in the

organismen im Mittelpunkt stehen. Pflanzliche Metabolite – ob

Leibniz-Gemeinschaft geförderten PAKT-Projekts Chemische

delivered at specific places and times to fulfill their function.

Rhizosphere. Here, the focus is on the early events of the inter-

sie nun als Abwehr- oder Signalstoffe fungieren – werden an spe-

Kommunikation in der Rhizosphäre die frühen Ereignisse der In-

Within our Department, this space and time controlled biosyn-

action. Transcriptomic and metabolomic approaches are imple-

zifischen Orten und zu bestimmten Zeiten produziert, um ihre

teraktion mittels Transcriptomics und Metabolomics-Ansätzen

thesis and delivery of specialized metabolites is being investi-

mented to identify specific molecules and associated pathways,

Funktion zu erfüllen. Diese räumlich und zeitlich kontrollierte Bio-

untersucht. Es sollen spezifische Metabolite einschließlich der

gated in the context of a few model systems.

which are induced in the plant root as it encounters the fungus.

synthese und Freisetzung spezialisierter Metabolite wird anhand

dazugehörigen Stoffwechselwege identifiziert werden, die die

In the second group, the biosynthesis and function of carotenoid

einiger Modell-Systeme untersucht.

Pflanze in Reaktion auf die Anwesenheit vom Pilz produziert. In

One such system, studied in the Research group Glandular

cleavage products, particularly alpha-ionone derivatives, which

Trichomes & Isoprenoid Biosynthesis (A. Tissier), is the secretory

are specifically synthesized and accumulate in the arbusculated

Ein solches System, das in der AG Glanduläre Trichome & Iso-

korrhiza (M. Walter und A. Tissier) stehen Biosynthese und Funk-

cells of the glandular trichomes. These specialized structures,

cells, are being studied. It is speculated that these compounds

prenoidbiosynthese (A. Tissier) untersucht wird, besteht aus

tion von Carotinoid-Spaltungsprodukten, hierbei insbesondere

located on the surface of the aerial parts of many plant species

play a role in the turn-over of arbuscules, which are relatively

den sekretorischen Zellen glandulärer Trichome. Diese speziali-

die der Alpha-Ionon-Derivate im Fokus. Sie werden in Arbuskel-

are able to deliver onto the leaf surface massive amounts of com-

short-lived structures with a life span of only a few days. How

sierten Strukturen, die sich auf der Oberfläche der oberirdischen

haltigen Zellen der Wurzel gebildet und spielen wahrscheinlich

pounds which may represent up to 15% of the leaf biomass and

small molecules can control the development and differentiation

Teile vieler Pflanzen befinden, können große Mengen verschie-

eine Rolle im Turn-Over der Arbuskeln, die selbst nur kurzlebige

represent a first line of defense against pathogens of herbivores.

of organs, tissues and cell types is also a major interest of the re-

dener Substanzen auf die Blattoberfläche abgeben, was bis zu

Strukturen mit einer Lebenszeit von nur wenigen Tagen sind. Wie

Because complete pathways are exclusively localized to these

search group Jasmonate Function & Mycorrhiza. The jasmo-

15% der Blattbiomasse ausmachen kann und gleichzeitig die er-

kleine Moleküle Entwicklung und Differenzierung von Pflanzenor-

cells, they constitute a good system to elucidate their biosynthe-

nates are well known for their role in the induction of defense

ste Verteidigung einer Pflanze gegenüber Pathogenen und her-

ganen, -geweben und -zellen steuern, ist eine Frage, die ebenfalls

sis. This is done primarily by assembling collections of ESTs (Ex-

processes, but they also have an important function in plant

bivoren Insekten darstellt. Da hierbei vollständige Biosynthese-

von der AG Jasmonatfunktion & Mykorrhiza beantwortet wer-

pressed Sequenced Tags) and mining through those for candi-

development, in particular for the differentiation of flower or-

wege in einzelnen Zellen zu finden sind, stellen die glandulären

den soll. Jasmonate sind bekannt für ihre Rolle in der Induktion

date genes potentially involved in the pathways of interest on the

gans. Comparative transcriptomics and metabolomics of flower

Trichome ein gutes System dar, komplette Biosynthesen aufzu-

von pflanzlichen Abwehrprozessen, sie haben aber auch eine

basis of similarity to known enzyme classes. This approach has

organs of wild type and jasmonate-insensitive mutants of toma-

klären. Ausgehend von der Herstellung von EST (Expressed Se-

Funktion in der Pflanzenentwicklung, wie z.B. der Entwicklung

been used to elucidate sesquiterpenoid and diterpenoid path-

to at different stages of development has revealed significant

quenced Tags)-Kollektionen werden diese nach Kandidatenge-

von Blüten. Vergleichende Transkriptom- und Metabolom-Analy-

ways in tomato and tobacco, respectively. How these cells

differences, which form the basis of a new model of flower organ

nen anhand von Ähnlichkeiten zu bekannten Enzymklassen

sen von Blütenorganen unterschiedlicher Entwicklungsstadien

achieve such a high productivity is also a major focus of the

differentiation.

durchsucht. Dieser Ansatz wurde bereits erfolgreich zur Aufklä-

von Wildtyp-Pflanzen und einer Jasmonat-insensitiven Mutante

rung der Biosynthese von sesquiterpenoiden und diterpenoiden

haben Unterschiede aufgezeigt, die die Basis für ein neues Mo-

Reconstituting complex biosynthesis pathways of specialized

Verbindungen in Tomate bzw. Tabak genutzt. Wie die sekretori-

dell der Blütenorganentwicklung in Tomate darstellen.

metabolites can be very helpful, not only to better understand

schen Zellen der Trichome solch eine hohe Produktivität errei-

In the research group Phenylpropanoid metabolism & Protein

them, but also to develop alternative production systems for

chen, ist ein anderer Fokus dieser Gruppe, wobei die Verbindung

Die Rekonstitution von komplexen Biosynthese-Wegen spezifi-

Biochemistry (T. Vogt), the biosynthesis and function of phenyl-

high-value compounds either in plants or in microorganisms. To

zwischen Primär- und Sekundärstoffwechsel untersucht wird.

scher Metabolite ist nicht nur hilfreich für das bessere Verständ-

propanoids is being investigated in flower organs. Specific phe-

achieve this, highly efficient cloning strategies are required. Gol-

nolamides and flavonoid glycosides are synthesized in the tape-

den Gate is one such technology, which was developed by S.

In der AG Phenylpropanoidstoffwechsel und Proteinbiochemie

er, alternativer Produktionssysteme für wertvolle Substanzen in

tum, another highly specialized tissue, and delivered onto the

Marillonnet, leader of the research group Synthetic Biology.

(T. Vogt) stehen Biosynthese und Funktion von Konjugaten der

Pflanzen oder Mikroorganismen. Um das zu erreichen, sind

surface of maturing pollen grains, where they occur both in sol-

This modular cloning technology allows us to contemplate novel

Phenylpropanoide im Vordergrund. Charakteristische Vertreter

hocheffiziente Klonierungssysteme notwendig. Solch eine Tech-

uble and insoluble forms. Although their function is still elusive,

approaches for metabolic and signaling pathway engineering

dieser Stoffe werden im Tapetum, einem anderen hochspeziali-

nologie ist die Golden-Gate-Technik, die von S. Marillonnet (AG

their occurrence across all higher plant species suggests an im-

and this is already translated into collaborative projects both

sierten Gewebe, synthetisiert und auf die Oberfläche reifender

Synthetische Biologie) entwickelt wurde. Die modulare Klonie-

portant fundamental role which is actively being searched for.

within the Department and the Institute.

group, by investigating the connections between primary and specialized metabolism.

der anderen Gruppe, die AG Carotenoid-Metabolismus & My-

nis dieser Wege, sondern ermöglicht auch die Entwicklung neu-

Pollen abgegeben. Dort sind sie in löslicher, aber auch in gebun-

rungstechnik ermöglicht es uns, neue Wege zu gehen, um meta-

dener Form zu finden. Ihr Vorhandensein in allen höheren Pflan-

bolische Wege und Signalketten zu konstruieren, was bereits zu

Mycorrhizal arbuscules are other highly specialized cellular

zen lässt auf eine wichtige, jedoch noch unbekannte Funktion in

Kooperationsprojekten innerhalb der Abteilung, aber auch inner-

structures, which are formed in the symbiotic interaction be-

der Pflanze schließen, die aufgeklärt werden soll.

halb des IPB führte.

tween mycorrhizal fungi and the roots of higher plants. They

62

63

Collaborators Ulla Bonas, Gerd Hause University of Halle, Germany

Albert Boronat, Albert Ferrer University of Barcelona, Spain

Marc Boutry Université Catholique de Louvain, Belgium

Harro Bouwmeester

Glandular Trichome and Isoprenoid Biosynthesis Head: Alain Tissier

head (Fig. 3). Using fluorescence acti-

University of Wageningen, the Netherlands

vated cell sorting (FACS) these stages

Ric de Vos

could be grouped into three fractions,

Plant Research International, Wageningen, the Netherlands

which are now being used for RNA-sequencing which will provide stage-specific transcriptome data.

Jonathan Gershenzon Max Planck Institute of Chemical Ecology, Jena, Germany

Armin Hansel

Glandular trichomes are specialized or-

University of Innsbruck, Austria

gans protruding at the surface of many

Homeostasis of Isoprenoids (H.I.P) is a

plant species that are typically made of

cooperative ERA-CAPS (www.eracaps.org)

one or several stalk cells surmounted by

3-year project (2014-2016) funded by the

Ulrich Schaffrath

one or several secretory cells. The secre-

DFG where we are investigating the sub-

University of Aachen, Germany

tory cells can produced large amounts of

cellular localization of isoprenoid pathway

Rob Schuurink

a variety of compounds, which can be volatile, such as phenylpropanoid derivatives, mono- or sesquiterpenes, or non-volatiles, such as sugar esters or diterpenes. Glandular trichomes have attracted the attention of plant biochemists for a number of years for several reasons: the secretion of glandular trichomes has been shown in many instances to confer a protection against herbivore pests; in addition, the specialized biosynthetic pathways leading to the final products are often exclusively expressed in the glandular cells, facilitating their identification and characterization; finally, their high productivity makes them an interesting tar-

Fig. 1: Biosynthesis of cisoid sesquiterpenoids in two accessions of the wild tomato Solanum habrochaites. Cisoid sesquiterpenoids are derived from Z,Z-farnesyl diphosphate (Z,Z-FPP). In accession LA1777, the sesquiterpene synthase SBS makes (+)-α-santalene and (+)-endo-β-bergamotene as main products (Sallaud et al., 2009). These are then oxidized to santalenoic and bergamotenoic acid. An aldehyde dehydrogenase which converts the aldehydes to the carboxylic acids was identified and characterized. Identification of the missing oxidation steps is in progress. In accession LA2167, the sesquiterpene synthase ZIS makes 7-epizingiberene (Bleeker et al., 2012). A single cytochrome P450 oxygenase was shown to oxidize zingiberene at 2 positions to make 4-hydroxy-zingiberene and 2,3epoxy-4-hydroxy-zingiberene.

get for metabolic engineering. Due to ex-

Fig. 2: Type VI glandular trichomes of the cultivated (Solanum lycopersicum) and wild tomato (S. habrochaites), viewed under fluorescence microscopy (top row) or electron microscopy. In the cultivated tomato the four glandular cells can be clearly distinguished in a four-leaf clover shape, whereas the trichomes of the wild species are round and contain a large cavity where metabolites can be secreted.

enzymes in plants, potential interaction between proteins of the pathways, and

Angelos Kanellis University of Thessaloniki, Greece

University of Amsterdam, the Netherlands

Ana Simonovic University of Belgrade, Serbia

transport of isoprenoid metabolites within and outside the cell.

Companies Yoram Eyal

In TERPMED (www.terpmed.eu), a project financed by the European Commission (2011-2013), we have been investigating the biosynthesis of phenolic diterpenes

Volcani Center, Bet Dagan, Israel

Michael Hahn Elektrochemie Halle, Germany

Klaus Pellengahr Organobalance GmbH, Berlin, Germany

such as carnosic acid (CA) and carnosol

Thomas Stölzel

(COL) in rosemary (Rosmarinus officinalis)

AB Sciex, Darmstadt, Germany

In addition, one of our objectives is to un-

and Greek sage (Salvia fruticosa). These

derstand how the specialized secretory

compounds have high antioxidant activi-

to characterize subsequent steps. Several

cells of the glandular trichomes achieve

ties and have been shown to elicit anti-

P450 monooxygenases could thus identi-

their massive metabolic productivity. In

oxidative pathways in neuron cells, mak-

fied, which when expressed in yeast lead

particular, we would like to uncover the

ing them potential candidates for the

to the production of carnosaldehyde and

relationships between central metabolism

treatment of neurodegenerative disor-

carnosic acid. These results make it now

tensive genetic and genomic resources,

now made progress in elucidating the sub-

tributes to an enhanced protection to-

and the isoprenoid specialized pathways.

ders. The diterpene synthases required

possible to develop biotechnology-based

Solanaceae species such as tomato (Sola-

sequent steps of these pathways. A P450

wards insects. One important aspect is the

For this, we performed a comparative ana-

for the production of the miltiradiene pre-

processes for the production of these

num lycopersicum and related wild spe-

monooxygenase from LA2167 could be

architecture of the type VI glandular tri-

lysis between leaves and glandular tricho-

cursor were identified and we have begun

antioxidant metabolites.

cies) and tobacco (Nicotiana sp.) consti-

shown to oxidize zingiberene to zingibere-

chomes, where the terpenoids are pro-

mes using transcriptomics, metabolo-

tute a good model for the study of glan-

nol and epoxy-zingiberenol, while a dehy-

duced. We found that in S. habrochaites

mics, 13C-labeling and proteomics. These

dular trichomes.

drogenase from LA1777 was shown to oxi-

the four glandular cells are surrounded by

data are being analyzed and will be used

dize santalenal to santalenoic acid (Fig. 1).

an extracellular envelope, giving it the ap-

to build a metabolic model of the glandu-

In its type VI glandular trichomes, the wild

Other candidates are being characterized

pearance of a ball, and furthermore that

lar trichomes.

tomato species S. habrochaites produces

for the oxidation of santalene to santale-

an intercellular cavity has developed be-

a variety of sesquiterpenoids that confer

nal.

tween those cells, allowing the storage of

In a project funded by the DFG, we are

large quantities of secreted compounds

also investigating the development and

resistance against herbivore pests. Some accessions, like LA1777, produce santale-

In addition to qualitative differences in its

(Fig. 2). We designed a trichome score to

differentiation of type VI glandular trich-

noic and bergamotenoic acids, while oth-

terpene profile with S. lycopersicum, S.

convert this phenotype into a quantitative

omes. Based on fluorescence and trans-

ers (LA2167) produce derivatives of zin-

habrochaites accumulates much larger

trait, which is now being genetically dis-

mission electron microscopy we could

giberene. The sesquiterpene synthases

quantities (mg/g fresh weight) of trichome

sected using backcross populations be-

define five distinct stages of late develop-

were identified previously and we have

derived compounds, a feature which con-

tween S. lycopersicum and S. habrochaites.

ment and differentiation of the trichome

Group Members

Fig. 3: Development stages of type VI glandular trichomes from the wild tomato S. habrochaites. Representative pictures of autofluorescence (top row) and light (bottom row) microscopy are shown. The scale bar (white) represents 10 μM.

landuläre Trichome sind spezialisierte Organe auf der Oberfläche oberirdischer Teile vieler Landpflanzen. In ihren

G

metabolisch aktiven, sekretorischen Zellen produzieren sie Sekundärstoffe, die eine chemische Barriere gegenüber

Mareike Asmer

Carolin Bernholz

Felix Lange

Ulschan Scheler

Bachelor Student

PhD Student

Bachelor Student

Master Student & PhD Student

Benedikt Athmer

Kathleen Brückner

Swanhild Lohse

Eleni Spyropoulou

Bioinformatics Scientist

Postdoctoral Scientist

Postdoctoral Scientist

Guest Scientist

Gerd Balcke

Sabrina Gensichen

Franziska Pröhl

Romy Töpfer

Postdoctoral Scientist

Bachelor Student

Master Student

PhD Student

dadurch gewonnenen Kenntnisse könnten zur Züchtung neuer Tomatensorten, die eine erhöhte Resistenz gegen herbivore In-

Stefan Bennewitz

Anja Henning

Humberto Ramírez-Medina

Sebastian Zabel

sekten tragen, verwendet werden. Außerdem ist die Analyse des metabolischen Netzwerks dieser Zellfabriken von großem

Postdoctoral Scientist

Technician

Postdoctoral Scientist

PhD Student

Nick Bergau

Anna Kulma

Petra Schäfer

Master Student & PhD Student

Guest Scientist

Technician

64

Schädlingen darstellen. In Solanaceen, die unsere Modellpflanzen zur Untersuchung der Biosynthese und Entwick-

lung von glandulären Trichomen ausmachen, sind Terpenoide die dominanten Produkte. In Tomaten wurde die Biosynthese von Sesquiterpen-Carboxysäuren sowie die Entwicklung und die Differenzierung von glandulären Trichomen untersucht. Die

Interesse, insbesondere, um die Verbindungen zwischen primärem und sekundärem Metabolismus aufzuklären. Dies könnte die Pflanzen- oder Mikroorganismen-basierte Herstellung von Naturstoffen durch Metabolic Engineering deutlich verbessern.

65

Collaborators Salim Al-Babili King Abdullah University of Science & Technology, Thuwal, Saudi-Arabia

Maria J. Harrison Boyce Thompson Institute for Plant Research, Ithaca, USA

Carotenoid Metabolism & Mycorrhiza

Juan Antonio López-Ráez Estación Experimental del Zaidín (CSIC), Granada, Spain

Heads: Alain Tissier & Michael H. Walter

Ralph Welsch University of Freiburg, Germany

Company Carotenoids are 40-carbon molecules as-

Alan Blowers

Fig. 2: Sequence similarity tree of phy-

sembled from C5 units, which can be tailored by oxidative enzymes to generate

toene synthase (PSY) isoforms high-

specific carotenoid cleavage products (apocarotenoids) with a variety of functions. Two phytohormones, abscisic acid (ABA) and strigolactones (SLs), derive from carotenoids after a single or a sequential double cleavage of their carotenoid precursors, respectively (Fig. 1). SLs are stress hormones exuded from roots upon nutrient starvation to promote the symbiosis with arbuscular mycorrhizal (AM) fungi.

use of the mtpt4 mutant unable to deliver

lighting a novel, phosphate starva-

phosphate through the periarbuscular

tion- and AM-induced PSY3 clade

arbuscule-degradation phenotype of this

of dicots (orange background). The

part by overproducing C13/C14 apocarote-

green branch contains various PSY

mizing root colonization of the mutant,

membrane of arbuscules. The prematuremutant might be brought about at least in noids in arbusculated cells. Despite optiwe were unable to find differences to wild apocarotenoid accumulation. One expla-

interconnections, the biological function

paralogs including the drought-induced PSY3 class

of their products, their evolution and how

of monocots in-

buscule degradation could be obtained in

their biosynthesis is affected by a regula-

volved in ABA biosynthesis (blue background).

the mutant, which always had a variable

The key interest of the group is in the elucidation of apocarotenoid pathways, their

ted carotenoid precursor supply. The main focus is on glycosylated C13 α-ionol (formerly cyclohexenone) derivatives and C14 mycorradicin presumably derived from zeaxanthin (Fig. 1). These compounds are induced in root cells hosting fungal arbuscules. Arbuscules are dynamic entities,

type mycorrhizal roots in terms of C13/C14 nation may be the fact that no uniform ar-

number of residual mature arbuscules. However, we could show by immunolocalization that degrading arbuscules of the

Fig. 1: Plant root apocarotenoid pathways starting from β-carotene and zeaxanthin. Current enzyme targets are indicated in yellow. Dedicated carote-

truncatula based on their unique expres-

aglycon provided by Bernhard Wester-

sion in AM (MtUGT1, MtUGT2) as deduced

mann (Department NWC) have so far

C13/C14 biosynthetic enzyme of the MEP

noid precursor formation appears to be managed through isoforms of carotenogenic enzymes, e.g. PSY3.

from the Medicago Gene Expression Atlas.

been unsuccessful in showing activity

pathway (Fig. 3) as do wild type degrad-

The genes were expressed in E. coli and

and a glycosylated product.

ing arbuscules (not shown). This implies

which undergo constant degradation und

mutant contain high levels of DXR, an

that premature activity of a natural path-

MtUGT1 recombinant protein was identi-

re-emergence but the reason for their

phosphate starvation and AM arguing for

The modification of the C13 cleavage

fied. However, assays with recombinant

Approaching C13/C14 apocarotenoid func-

way of arbuscule degradation brings

transient nature is not understood. The

their involvement in a regulated carote-

product is still elusive. AM-inducible

enzymes using synthetic C13 blumenol C

tion from a different angle involved the

about the mtpt4 phenotype.

dynamics of arbuscules is investigated

noid precursor supply to either C13/C14 or

genes with sequence similarity to ABA2

with a focus on a still hypothetical role of

SL biosynthesis or both. PSY3 gene

from ABA biosynthesis (Fig. 1) have been

C13 apocarotenoids in a plant-controlled

knock-down in mycorrhizal hairy roots of

identified guided by the hypothesis that

degradation of arbuscules with poor mi-

M. truncatula correlated with reduced

their gene products might, in analogy to

neral nutrient delivery to roots. Novel

C13/C14 levels demonstrating an in vivo

ABA2, convert a C13 product of zeaxanthin

steps in C13/C14 and SL apocarotenoid bio-

function in carotenoid precursor supply

cleavage having a β-ionone ring configu-

synthesis are to be elucidated (Fig. 1) to

to this branch pathway. However, tomato

ration, to the α-ionone ring found in C13

find new, more specific targets for path-

PSY3 enzyme activity in vitro or in hetero-

apocarotenoids. A tomato ABA2-like gene

way tracking and manipulation.

logous hosts is still under study. Interest-

was cloned and expressed in zeaxanthin

ingly, genes encoding PSY3-type iso-

producing E. coli strains supplemented

A novel isoform of phytoene synthase

forms can be identified in most dicot

by CCD1. Only when the ABA2-like se-

(PSY3) encoding a key step of caroteno-

genomes, but are absent from monocots.

quence was inserted, the expected 3-oxo-

genesis has been identified from tomato

The dicot PSY3s form a novel, previously

α-ionol compound was identified by LC-

and Medicago truncatula. Its transcript

unrecognized ancient clade of PSY genes

MS. Moreover, mycorrhizal roots of trans-

levels are exclusively up-regulated by

with orthologous members. Other PSY

genic tomato suppressed for ABA2-like

isogenes, differentially expressed in

expression exhibited reduced levels of C13

fruits and leaves and in monocot roots

apocarotenoids, whereas C14 levels were

Group Members

are paralogs, which evolved more recently

unaltered compatible with the proposed

(Fig. 2). Stress-inducible isoforms like the

biochemical function of this enzyme.

Claudia Horn

Kathrin Kowarschik

dicot PSY3 co-regulated with down-

Technician

PhD Student

stream catabolic steps might be compo-

The final step to C13 apocarotenoid glyco-

Artem Kamaev

Ron Stauder

nents of multi-enzyme complexes com-

sides is predicted to be catalyzed by UDP-

Master Student

PhD Student

mitted to apocarotenoid rather than to

glycose-dependent glycosyltransferases.

carotenoid formation.

Two distinct UGTs were cloned from M.

66

Ball Horticultural, Chicago, USA

Fig. 3: Immunolocalization of DXR (red), a carotenoid precursor biosynthetic enzyme, to a collapsed arbuscule (central structure, green) in the M. truncatula mtpt4 mutant. Overlay is on the left.

arotinoide sind weitverbreitete C40-Verbindungen, aus denen enzymatisch spezifische Spaltungsprodukte (Apocarotinoide) entstehen können. Zu den Apocarotinoiden gehören die Phytohormone ABA (C15) und Strigolactone (C19)

C

sowie Sekundärstoffe, die in mykorrhizierten Wurzeln akkumulieren (C13 α-Ionol-Glycoside und C14 Mycorradicin). Die

AG untersucht die Biosynthese und Funktion der C13/C14 Apocarotinoide im Kontext des gesamten Carotinoidstoffwechsels der Wurzel. Dabei sind Mykorrhiza-induzierte Isoenzyme der Carotinoidbiosynthese (PSY3) und Schritte der C13-Modifizierung aktuelle Schwerpunkte. Ferner wird eine noch hypothetische Funktion der C13-Apocarotinoide in einer Kontrolle des Abbaus von Pilzorganen (Arbuskel) durch die Pflanze in Abhängigkeit der Arbuskel-vermittelten Mineralstoffaufnahme der arbuskulären Mykorrhiza untersucht.

67

Collaborators Udo Conrad, Winfried Weschke Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research, Gatersleben, Germany

Philipp Franken

Jasmonate Function & Mycorrhiza

tion with J. J. Giovannoni, Boyce Thomp-

Head: Bettina Hause

the expression profiles from developing

son Institute Ithaca, USA) and compared leaves (Fig. 3) of the JA-treated wild type (enhanced trichome number) with that of

Institute of Vegetable and Ornamental Crops, Großbeeren/Erfurt, Germany

James J. Giovannoni Cornell University, Ithaca, USA

Peter Gresshoff University of Queensland, Australia

Gerd Hause University of Halle, Germany

Joachim Kopka Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology, Potsdam-Golm, Germany

Miroslav Strnad Palacký University Olomouc, Czech Republic

jai1 (reduced trichome number). Among In nature, plants interact with numerous

the differentially regulated genes, several

microorganisms. Among them are benefi-

putative transcription factors were identi-

Finally, a collaborative project with W.

cial fungi as well as pathogenic oo-

fied and are now under functional charac-

Weschke and U. Conrad (IPK Gatersleben)

mycetes. Our work is focused on the ana-

terization by transgenic approaches.

was finished. Here, our experience in im-

lysis of early responses of the model leg-

munological detection of phytohormones

ume Medicago truncatula to a symbiont (spores of the arbuscular mycorrhizal fungus [AMF] Rhizophagus irregularis) and to a pathogen (zoospores of the causal agent of root rot, Aphanomyces euteiches). We aim to identify symbiosis-specific changes in root exudates and root volatiles, but also in transcripts compared to that during co-cultivation with the patho-

Fig. 1: Changes in the exudate pattern of M. truncatula roots after contact with soil-born microorganisms. A. Plants were cultivated in an aeroponic system for six weeks and either treated with spores of the pathogen A. euteiches (Ae), the AMF R. irregularis (Ri) or stayed non-treated (Co). B. Heatmap of LC-MS data of exudates of differently treated M. truncatula roots. Shown are compounds exhibiting at least 75 % abundance per treatment and an at least two-fold change (Oneway ANOVA, p≤0.05).

gen. To analyze metabolic changes, M. truncatula plants were grown in an aeroponic cultivation system provided by the IGZ in Großbeeren, and then treated with either spores of the two microorganisms for 12 hours. LC-MS analyses of root exudates showed more than 90 and 70 sub-

led to new insights into the putative func-

cell-specific localization of JAs by develop-

tion of abscisic acid (ABA) in endosperm

ing a non-invasive detection method. In

cellularization: ABA is abundant in early

the first approach, we used promoters of

non-elongated, but not in differentiated

the highly JA-responsive genes of A. tha-

cells of the nucellar projection. This is in

liana to select JA-specific cis-elements for

contrast to the maternally affected shrunk-

the construction of a synthetic, JA-speci-

en endosperm mutant seg8, where these

fic promoter. In the second approach, a

cells did not elongate and ABA remained

new system utilizing artificial TAL effec-

abundant. Additionally, bioactive forms of

tors in combination with synthetic

gibberellins (GAs, kindly measured by M.

lated metabolites than wild type stamen

promoter-reporter systems is under inves-

Strnad, Olomouc) were strongly and tran-

and showed an enhanced expression of

tigation (in collaboration with RG Tissier).

siently increased in wild type caryopses.

ethylene-regulated genes. Additionally,

Activity and specificity of both systems is

This led to the conclusion that differentia-

jai1 stamen exhibited a premature rise of

monitored through GFP fluorescence in

tion of the barley nucellar projection

the ethylene precursor ACC starting at

transient (Arabidopsis protoplasts, leaves

might be driven by a distinct increase in

that developmental stage when highest JA

of Nicotiana benthamiana) and stable

the ratio of GA to ABA, which is deregu-

(Arabidopsis) transformation systems.

lated in seg8.

stances exuded at significantly higher lev-

phenotype of the corresponding Arabi-

gene expression studies, respectively. As

level occurred in the wild type. All these

els upon treatment with the AMF and the

dopsis mutant, the tomato mutant jasmo-

functional proof, jai1 plants were trans-

data suggest a dual role of JA in stamen

pathogen, respectively (Fig. 1). To gain

nate-insensitive1 (jai1) is female sterile. To

formed with the cDNA encoding PI-2 un-

development: (i) a positive regulation of

deeper insights into the response of ma-

get deeper insights into the role of JAs in

der the control of an ovule-specific pro-

pollen nutrition at early development and

ture root systems and to compare meta-

tomato flower development, JA-related

moter. Here, at least a partial rescue of

(ii) at later stages, an inhibition of a pre-

bolite pattern with transcriptional chan-

gene expression and metabolite accumu-

seed formation in jai1 plants points to an

mature function of ethylene, which itself

ges, the roots were additionally proces-

lation in female and male reproductive tis-

essential role of PIs and/or proteases in

is a regulator of anther dehiscence and

sed for transcript profiling. The analysis of

sues was monitored. Among genes diffe-

tomato female gametophyte develop-

pollen release.

these data sets will allow a comprehensive

rentially expressed in ovules of all deve-

ment.

characterization of the early responses of

lopmental stages were defense-related

M. truncatula roots to symbiotic or patho-

genes such as those encoding protease

To investigate JA-function in tomato sta-

plants are affected in the formation of

genic soil-born microorganisms.

inhibitors (PIs). Among the PIs, PI-2 is the

men development, six developmental sta-

glandular trichomes indicated by signifi-

best characterized one. Its expression was

ges of wild type and jai1 stamen were

cantly reduced number of type-VI glandu-

Jasmonates (JAs) are ubiquitously occur-

not detectable in ovules of jai1 plants sug-

compared starting with small flower buds

lar trichomes on the leaf surface. In colla-

ring plant signaling compounds formed in

gesting a role of PI-2 in female fertility of

up to open flowers (Fig. 2). Phenotypic ana-

borative work with RG Tissier, we are inter-

response to biotic and abiotic stress as

tomato. To answer this question we com-

lyses of jai1 showed disturbed pollen deve-

ested to identify and characterize genes

well as during development. Phenotypic

pared developing ovules of wild type and

lopment accompanied by increased sta-

involved in JA-regulated induction of

analyses of JA-insensitive mutants indi-

jai1 plants in respect to programmed cell

men desiccation at later developmental

glandular trichomes. We used a transcrip-

cated the involvement of JA in flower de-

death and expression of ovule-specific ser-

stages. jai1 stamen of these stages accu-

tomic approach via RNA-seq (collabora-

velopment. In contrast to the male sterile

ine proteases by cytological methods and

mulated higher levels of desiccation-re-

Beside altered flower development, jai1

P

Monika D. Arnold

Susanne Forner

Dorothée Klemann

Kati Mielke

Ramona Schubert

Theresa Wießner

Master Student

PhD Student

PhD Student

PhD Student

Franziska Grosch

Yulong Li

Tamás Monostori

Master Student & PhD Student

Master Student

Chandan Chiniga Kemparaju

Bachelor Student

PhD Student, CSC Fellow

Guest Scientist

Hagen Stellmach

PhD Student, Erasmus Mundus Fellow

PhD Student

Julian Dindas Master Student

Figure 3: Glandular trichomes of the surface of a developing tomato leaf. A. Two-weeks-old tomato seedling; B. The youngest leaf of about 3 mm length used for analyses; C. Scanning electron micrograph of the youngest leaf showing different developmental stages of glandular trichomes.

flanzen müssen auf verschiedenste Umweltfaktoren reagieren. Negative Auswirkungen haben z.B. der Befall durch Pathogene, während z.B. die arbuskuläre Mykorrhiza, eine mutualistische Symbiose mit Pilzen positiv auf die Pflanze

Group Members

68

Another project focuses on tissue- and

Figure 2: Schematic model of the role of jasmonates in stamen development of tomato. In developing stamen of early stages, increasing JA levels promote pollen nutrition and development. Later on, JAs inhibit premature rise of ethylene, which itself regulates positively anther dehiscence and pollen release.

Ulrike Huth

Juliane Lößner

Maria Pogoda

Technician

Bachelor Student

Bachelor Student

Technician

Diana Weier Postdoctoral Scientist

Heena Yadav

wirkt. Ein Schwerpunkt unserer Arbeiten ist die Analyse der Reaktion von Wurzeln von Medicago truncatula auf den Kontakt mit Mikroorganismen des Bodens. Die Charakterisierung von Exsudat- und Transkriptmustern soll Aufschluss geben, wie die Pflanze ein Pathogen vom Symbiont unterscheiden kann. Außerdem analysieren wir mittels zytologischer, biochemischer und molekularer Methoden die Rolle des Pflanzenhormons Jasmonsäure, das viele der pflanzlichen Antworten auf biotische und abiotische Faktoren vermittelt, aber auch Entwicklungsprozesse wie die Blüten- und Trichom-Entwicklung reguliert. Komplementiert werden diese Ansätze durch die Entwicklung von Methoden, die eine zell- und gewebespezifische Detektion von Jasmonsäure und Abscisinsäure ermöglichen.

69

Collaborators Mohammed Ali-Shtayeh BERC Research Center, Til, Nablus, Palestine

Fernando Cotinguiba da Silva University of Rio de Janeiro, Brazil

Andrej Frolov University of Leipzig, Germany

Phenylpropanoid Metabolism & Protein Biochemistry

The second project of the group is re-

cation-dependent OMTs and can also be

lated to enzymology of O-methyltrans-

identified with only minor modifications in

Head: Thomas Vogt

ferases (OMTs) and in this case the func-

the microbial and mammalian counter-

tional characterization of CCoAOMT-like

parts (Fig. 2). Mutation of the critical lysine

enzymes, specifically the well-established

157 to an alanine changed the catalytic

Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials, Halle, Germany

and crystallized PFOMT from Mesembry-

triad to a dyad. This resulted in a complete

Bernd Ulber

Previous work established the tapetum-

anthemum crystallinum. In collaboration

loss of enzyme activity towards the usual

University of Göttingen, Germany

specific biosynthesis of tris-hydroxycin-

with the modeling group of Wolfgang

catechol-like substructures of phenyl-

Danièle Werck

namoyl spermidine conjugates (HCAAs)

Brandt (Dept. NWC) we have established a

propanoids and flavonoids, with the ex-

Centre national de la recherche scientifique, Strasbourg, France

resulting in the accumulation of these

new reaction mechanism for this type of

ception of a 5,6,7-tris-hydroxylated A-ring

compounds in the tryphine of Arabidopsis

cation-dependent enzymes and de-

system of the flavonol quercetagetin, the

thaliana pollen grains. Promoter-GFP fu-

scribed a previously undetected and high-

native substrate of PFOMT in M. crystal-

one of the essential amino acids for a con-

sions confirm the presence of the tape-

ly conserved catalytic triade Lys157-Asn181-

linum. In this case, instead of the usual five

served proton relay is eliminated, PFOMT

tum-specific hydroxycinnamoyltranferase

Asp228 required for enzymatic activity.

different products, a single, unusual 5-O-

can overcome this impaired activity by

and the decorationg methyltranferase to

Quantum mechanical calculations and

methylated flavonol was detected, charac-

switching to or maintaining an alternative

be expressed in early stages of tapetum

modeling data were confirmed by site-

terized by a yellow fluorescence under UV-

reaction mechanism at the expense of a

development. A reduction or complete

directed mutagenesis, replacing each

A radiation. Besides the efficient formation

limited, more specific product formation.

loss of HCAAs is observed in knockout

amino acid by alanine, which resulted in

of an interesting natural product, this ex-

Under natural condition this altered

mutants of enzymes related to the phe-

catalytic efficiencies three orders of mag-

ample illustrates potential evolutionary

chemotype could lead to a potentially

nylpropanoid part as well as to the poly-

nitude lower. Sequence comparisons re-

consequences of a residual flexibility with-

modified response in the interaction of the

amine part of the pathway. Since HCAA-

vealed that this triad is conserved among

in a structurally severely constrained me-

organism with its biotic or abiotic environ-

bound spermidine makes up about 80%

substrate specific and promiscuous plant

tal-dependent enzyme type. Even when

ments.

Mwafaq Ibdah Newe Yaar Research Center, Ramat Yishay, Israel

Matthias Menzel

of the total polyamine (PA) level and these levels are virtually identical in various HCAA-knockout and knockdown lines,

Fig. 2: Conserved amino acids Lys157,

polyamine homeostasis appears to be controlled at the translation rather than at

Asn181, and Asp228 in plant cation-

the transcription level. Recent evidence confirmed that HCAAs are also incorpo-

dependent OMTs (CCoAOMT-like

rated and covalently bound to the pollen wall, preferentially by alkaline hydrolysable ester bonds, rather than by ether bonds. Since the overall aromatic composition of the pollen wall is also modified in HCAA-knockout plants, it remains to be seen how much the HCAAs essentially contribute to the rigidity and mechanical strength of the exine. These data are be-

Fig. 1: Illustration of the two major pathways contributing to the pattern of soluble phenylpropanoids of the pollen coat. Abbreviations: AtTSM1, Arabidopsis thaliana tapetum specific methyltransferase 1; CHS, chalcone synthase; F3GT, flavonol 3-O-glucosyltransferase; FLS, flavonol synthase; MAT, methionine adenosyltransferase; PAL, phenylalanine ammonia lyase; SDT, spermidine disinapoyltransferase; SAMDC, S-adenosyl-L-methionine decarboxylase; SHT, spermidine hydroxycinnamoyl transferase; SPDS, spermidine synthase. R1/R2, OH or OMe.

ing quantified in collaboration with the Fraunhofer Institute for Mechanics of Ma-

tion of pollen specific flavonol α-1,2-lin-

plants carrying a 3-O-glucosyltransferase

terials (Halle).

ked 3-O-glucosides (sophorosides) has

knockout were selected and tested for fla-

been elucidated. Two critical UDP-depen-

vonol sophoroside accumulation on the

Besides the HCAA-biosynthetic pathway,

dent glucosyltransferases that result in

exine of purified pollen grains. The result-

a second pathway resulting in the forma-

the formation of pollen specific kaempfe-

ing data showed that pollen of this line

rol and quercetion 3-O-sophorosides

showed a drastic, yet not complete loss of

have been identified. The genes have

this type of flavonols in the pollen try-

been cloned and the corresponding en-

phine. Two independent phenylpropa-

zymes functionally expressed in microbial

noid pathways can now be attributed to

systems. The sequential formation of the

the tapetum cells, synthesizing the pollen

Group Members Dominic Brauch Guest Scientist

sophorosides was observed when either

exine: HCAAs and flavonol sophoroside

PhD Student & Postdoctoral Scientist

quercetin or quercetin 3-O-glucoside, re-

(Fig. 1). Although the biosynthesis of both

Christian Görner

spectively, were used as substrates. For-

classes of compounds has been clarified,

Bachelor Student

mation of flavonol sophorosides was also

some questions are still unresolved. For

Stephan Grunewald

observed in Nicotiana benthamiana in

example, what kind of molecular signa-

transient expression studies after cloning

tures determine the specific role of both

under a constitutive promoter and subse-

types of compounds and why are these

quent transformation of the plants with

compounds universally distributed among

Agrobacterium tumefaciens. Arabidopsis

angiosperms?

Christin Fellenberg

Master Student

Kerstin Manke Technician

Markus Schmidt Bachelor Student

70

OMTs) contributing to the catalytic triad are marked with an arrow. From: Brandt, Manke, Vogt, Phytochemistry, doi:10.1016/j.phytochem.2014.12.018.

ie Arbeiten zur Biosynthese und Funktion der Hydroxyzimtsäure-Spermidinkonjugate (HCCAs) in Antheren und Pollen

D

von Arabidopsis thaliana wurden um einen weiteren Phenylpropanbiosyntheseweg ergänzt. Arabidopsis-Antheren syn-

thetisieren und Pollen akkumulieren auf ihrer Oberfläche neben den HCAAs eine Klasse spezifischer und ungewöhnlicher Phenylpropane, Flavonol α-1,2-verknüpfte 3-O-diglucoside, sogenannte Sophoroside. Diese werden sequentiell durch zwei spezifische Glucosyltransferasen synthetisiert, eine Flavonol 3-O-glucosyltransferase und eine pollenspezifische Flavonol-3-O-glucosid:UDP-glucose-1,2-glucosyltransferase. Beide Gene wurden identifiziert und durch heterologe Expression in Bakterien und Pflanzen hinsichtlich ihrer Substratspezifität funktionell eindeutig charakterisiert. Neben einem Beitrag der kovalent gebundenen HCAAs zur Festigkeit der Pollenwand sind weitere Funktionen sowohl für die HCAAs als auch für die Sophoroside als UV-Schutz oder als potentielle Antioxidantien denkbar, konnten aber experimentell noch nicht verifiziert werden. In einem zweiten Projekt haben enzymatische Arbeiten zur Funktion von Methyltransferasen in Zusammenarbeit mit der Abteilung NWC zur Identifizierung eines allgemein gültigen, neuen Reaktionsmechanismus, einer katalytischen Triade, im Falle pflanzlicher kationabhängiger Methyltransferasen geführt. Theoretische Berechnungen wurden am Beispiel des gut charakterisierten Enzyms PFOMT aus M. crystallinum durch positionsspezifische Mutationen und mittels Sequenzvergleichen belegt.

71

Synthetic Biology

Fig. 3: Test of basic parts encoding 5'-untranslated sequences and N-terminal coding sequences fragments. The modules were cloned between the 35S promoter and the GFP gene in binary vectors, and transiently expressed in Nicotiana benthamiana cells by Agrobacterium-mediated delivery. The tested modules target the GFP protein to the chloroplast (1 and 2), the apoplast (3), the nucleus (4), the mitochondria (7), or simply add a fusion tag to the cytosolically located protein (5,6). U, tobacco mosaic virus 5'-untranslated sequence; chloro, chloroplast transit peptide; His, His tag; Amy SP, rice amylase signal peptide; SV40, nuclear localization signal; EK, enterokinase cleaving site sequence; CoxIV, yeast CoxIV gene mitochondrial transit peptide.

Head: Sylvestre Marillonnet Plants are source of a large number of

ments using a one-pot one-step assembly

products useful to mankind, including

reaction. This method, called Golden Ga-

food, feed, fuel, building materials, and

te cloning, does not require complicated

medicinal substances. Current agricultural

procedures such as gel extraction, and is

practices needed to produce these are

therefore easily automatable. An impor-

however largely dependent on non-re-

tant feature of synthetic biology is the use

newable fossil fuel-based agrochemicals.

of standard biological parts, DNA frag-

Plant synthetic biology has great potential

ments with a defined standard structure

to improve agriculture by producing

and with associated performance charac-

plants that will require fewer fossil fuel-ba-

teristics. Standardized DNA parts are use-

sed agrochemicals for maximal growth

ful to facilitate reuse of the parts in diffe-

coli and Agrobacterium (Fig. 2). Vectors

libraries of promoters for coordinated ex-

for betanin biosynthetic pathway have

and productivity. Synthetic biology could

rent constructs, for sharing of parts

with lower copy number should facilitate

pression of the various genes. These li-

previously been identified by research

also be useful to generate plants that are

between users, and for predicting the be-

cloning and maintenance of large con-

braries should provide a wide range of ex-

groups from different institutions, includ-

able to produce a wider range of chemi-

haviour when several parts are assembled

structs in both bacterial hosts. MoClo vec-

pression levels to obtain an appropriate

ing the IPB. Coexpression of all three

cal compounds that may serve as a source

in a larger construct. A DNA cloning sys-

tors are not only restricted to plant expres-

level of expression for each gene of the

genes (a glucosyl transferase, a dioxyge-

of a renewable feedstock for industry or

tem for assembly of multigene constructs

sion vectors. We are in fact continuously

pathway. These promoters should also

nase and a cytochrome p450) leads to

for energy production. Synthetic biology

from standard parts was developed ear-

developing cloning vectors for expression

share minimal homology between differ-

high level of biosynthesis of betanin in Ni-

may also be useful for engineering micro-

lier based on Golden Gate cloning. This

in other hosts, including for example E.

ent members of the library to avoid re-

cotiana leaves. These three genes are ne-

bial strains for production of some plant

modular cloning system (MoClo) allows a

coli and yeast (in collaboration with the

combination between different promot-

vertheless not sufficient for biosynthesis

secondary metabolites that cannot be

user to assemble any multigene construct

group of Alain Tissier in the Department).

ers within the same construct. To achieve

in heterologous hosts such as yeast. We

produced economically in their native

of choice using a series of one-pot assem-

this goal, we are currently developing li-

are currently trying to identify the last

hosts.

bly steps, starting from a library of se-

The library of basic parts forms the base

braries of promoters based on the TAL ef-

missing gene of the pathway (coding for

of a standardized DNA assembly system.

fectors (in collaboration with the group of

an an enzyme that is thought to convert

Parts can be be shared and exchanged

Alain Tissier in the Department). Such li-

tyrosine to L-Dopa) in order to transfer the

between all users of the cloning system.

braries of level 0 modules will allow syn-

entire pathway to heterologous hosts like

At the same time, all users can also be

chronized and orthogonal expression of

yeast.

contributors to the library of parts. Basic

all genes of a biosynthetic pathway.

quenced and characterized basic parts Our group has two main interests: (1) de-

(level 0 parts, Fig. 1).

velop tools to enable and facilitate plant synthetic biology, and (2) use of these

MoClo is designed for assembly of multi-

tools to reconstitute model biosynthetic

gene constructs for plants. While sets of

pathways in plants or microorganisms, or

vectors for expression in plants are al-

to develop artificial biosynthetic path-

ready available, it is useful to continue to

ways for biosynthesis of novel chemical

develop new vectors that have different

substances.

specifications. For example, a series of binary vectors for Agrobacterium-medi-

Development of tools for synthetic biology

ated delivery to plant cells were made

We have earlier developed a method to

recently; these vectors differ by the ori-

efficiently assemble multiple DNA frag-

gins of replications for maintenance in E.

Fig. 1: Basic biological parts cloned as level 0 modules are assembled in multigene constructs in several cloning steps. Each cloning step is based on Golden Gate cloning, a method that allows onepot DNA assembly of multiple DNA fragments. A first cloning step result in assembly of functional transcriptional units in level 1 constructs. Several transcriptional units can be further assembled in level 2, M or P multigene constructs, with constructs becoming progressively larger with each cloning step. Successive cloning steps are performed using different type IIS restriction enzymes and selectable markers. 72

Fig. 2: Test of binary vectors by transient expression in Nicotiana benthamiana leaves. A GFP construct under control of the 35S promoter was subcloned in 5 different binary vectors that replicate at different levels in E. coli and Agrobacterium. 1, level 2 vector, high copy in E. coli (ColEI ori), medium copy in Agrobacterium (PVS1 ori); 2, level M vector, high copy in E. coli (ColEI ori), medium copy in Agrobacterium (RK2 ori); 3, level P vector, medium copy in E. coli (p15a ori), medium copy in Agrobacterium (RK2 ori); 4, level P vector, single copy in E. coli (F1 ori), single copy in Agrobacterium (RiA4 ori); 5, Level 2 vector, F1 RiA4, single copy in E. coli (F1 ori), single copy in Agrobacterium (RiA4 ori).

parts must follow defined specifications. For the MoClo system, parts should be

Group Members

flanked by two BsaI restriction sites in op-

Reconstitution of biosynthetic pathways in heterologous hosts

posite orientation, and not contains re-

We are interested in identifying genes in-

Technician

striction sites for the enzymes BsaI, BpiI,

volved in plant biosynthetic pathways of

Kristin König

and (optionally) BsmBI. Parts must be se-

interest, and in assembling the complete

quenced and characterized functionally.

biosynthetic pathways in heterologous

An example of parts made recently and

hosts. One example is the biosynthesis of

Collaborators

tested functionally in Nicotiana benthami-

betanin, a widely used natural food colo-

Nicola Patron, Jonathan Jones

ana leaves is shown in Fig. 3.

rant extracted from red beet. Betanin is a

Sainsbury Lab, John Innes Institute, Norwich, UK

member of the betalains, a class of comSynchronized expression of multiple genes

pounds that are found in members of the

of a biosynthetic pathway requires having

Caryophillales. Three of the genes required

Ramona Grützner

Master Student

Werner Roos University of Halle, Germany

m Fokus der Arbeitsgruppe steht die Entwicklung von Werkzeugen und Technologien für die Synthetische Biologie sowie deren Anwendung auf dem Gebiet des Metabolic Engineering in Pflanzen und Mikroorganismen. Grundlage unserer

I

Arbeiten ist ein von uns entwickeltes DNA-Montagesystem, das den Zusammenbau von Multigenkonstrukten aus standardisierten DNA-Abschnitten einer DNA-Bibliothek erlaubt. Durch die Konstruktion von Expressionsvektoren in verschiedenen Organismen, wie Pflanzen, Hefen und Bakterien, wird dieses DNA-Assemblierungssystem von uns stetig weiterentwickelt und optimiert. Darüber hinaus kreieren wir Bibliotheken mit einer Vielzahl von regulatorischen Sequenzen, wie Promotoren und Terminatoren, für die koordinierte Expression von verschiedenen Genen. Ziel dieses Verfahrens ist die Wiederherstellung von kompletten Biosynthesewegen in verschiedenen Organismen. So arbeiten wir zurzeit an der Entwicklung von Modell-Biosynthesen von Betalainen und Carotinoiden.

73

Publications and other Activities of the Department of Cell and Metabolic Biology Publications 2013 Brückner, K. & Tissier, A. High-level diterpene production by transient expression in Nicotiana benthamiana. Plant Meth. 9, 46. Frolov, A., Henning, A., Böttcher, C., Tissier, A. & Strack, D. An UPLC-MS/MS method for the simultaneous identification and quantitation of cell wall phenolics in Brassica napus seeds. J. Ag. Food Chem. 61, 1219-1227. Hilou, A., Zhang, H., Franken, P. & Hause, B. Do jasmonates play a role in arbuscular mycorrhiza-induced local bioprotection of Medicago truncatula against root rot disease caused by Aphanomyces euteiches? Mycorrhiza 24, 45-54. Ischebeck, T., Werner, S., Krishnamoorthy, P., Lerche, J., Meijón, M., Stenzel, I., Löfke, C., Wiessner, T., Im, Y. J., Perera, I. Y., Iven, T., Feussner, I., Busch, W., Boss, W. F., Teichmann, T., Hause, B., Persson, S. & Heilmann, I. Phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate influences PIN polarization by controlling clathrin-mediated membrane trafficking in Arabidopsis. Plant Cell 25, 4894-4911. Kathagen, A., Schulte, A., Balcke, G., Phillips, H. S., Martens, T., Matschke, J., Günther, H. S., Soriano, R., Modrusan, Z., Sandmann, T., Kuhl, C., Tissier, A., Holz, M., Krawinkel, L. A., Glatzel, M., Westphal, M. & Lamszus, K. Hypoxia and oxygenation induce a metabolic switch between pentose phosphate pathway and glycolysis in glioma stem like cells. Acta Neuropathol. 126, 763780. Matsuba, Y., Nguyen, T. T.H., Wiegert, K., Falara, V., Gonzales-Vigil, E., Leong, B., Schäfer, P., Kudrna, D., Wing, R. A., Bolger, A. M., Usadel, B., Tissier, A., Fernie, A. R., Barry, C. S. & Pichersky, E. Evolution of a complex locus for terpene biosynthesis in Solanum. Plant Cell 25, 20222036. Mittasch, J., Böttcher, C., Frolov, A., Strack, D. & Milkowski, C. Reprogramming the phenylpropanoid metabolism in seeds of oilseed rape by suppressing the orthologs of reduced epidermal fluorescence1. Plant Physiol. 161, 1656-1669. Nahar, K., Kyndt,T., Hause, B., Höfte, M. & Gheysen, G. Brassinosteroids suppress rice defense against root-knot nematodes through antagonism with the jasmonate pathway. Mol. Plant Microbe Int. 26, 106-115. Schaarschmidt, S., Gresshoff, P. M. & Hause, B. Analyzing the soybean transcriptome during autoregulation of mycorrhization identifies the transcription factors GmNF-YA1a/b as positive regulators of arbuscular mycorrhization. Genome Biol. 14, R62.

74

Staniek, A., Bouwmeester, H., Fraser, P.D., Kayser, O., Martens, S., Tissier, A., van der Krol, S., Wessjohann, L. & Warzecha, H. Natural products –modifying metabolite pathways in plants. Biotech. J. 8, 1159-1171. Stehle, F., Götsch, F., Wray, V., Schmidt, J. Strack, D. & Brandt, W. Snap-shot of serine carboxypeptidase-like acyltransferase evolution: The loss of conserved disulphide bridge is responsible for the completion of neo-functionalization. J. Phylogen. Evolution Biol. 1, 1-9. Wasternack, C. & Hause, B. Jasmonates: biosynthesis, perception, signal transduction and action in plant stress response, growth and development. An update to the 2007 review in Annals of Botany. Ann. Bot. 111, 1021-1058. Wils, C. R., Brandt,W., Manke, K. & Vogt,T. A single amino acid determines position specificity of an Arabidopsis thaliana CCoAOMT-like Omethyltransferase. FEBS Lett. 587, 683-689.

Book Chapter 2013 Engler, C. & Marillonnet, S. Combinatorial DNA assembly using Golden Gate cloning. In: Synthetic biology (K. M. Polizzi, ed.) Humana Press New York (Methods in Molecular Biology, 1073) S. 141-156, ISBN 978-1-62703-624-5. Hause, B., Mielke, K. & Forner, S. Cell-specific detection of jasmonates by means of immunocytological approach. In: Jasmonate signaling (A. Goossens & L. Pauwels, eds.) Humana Press New York (Methods in Molecular. Biology, 1011) S. 135-144, ISBN 978-1-62703-413-5. Wasternack, C. & Hause, B. Benno Parthier und die Jasmonatforschung in Halle. In: Nova Acta Leopoldina, NF Supplementum 28, S. 29-38, ISBN 978-3-8047-3209-4.

Bachelor Theses 2013 Lange, Felix: Stable Isotope Labelling glandulärer Trichome von Solanum habrochaites. MartinLuther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Biochemie und Biotechnologie, 30/09/2013. Pogoda, Maria: Entwicklung der Staubblätter in Tomate: Pharmakologische Bestätigung der negativen Regulation von Ethylen durch Jasmonate. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Biochemie und Biotechnologie, 24/09/2013.

Master Theses 2013 Bergau, Nick: Vergleichende Metabolomik von glandulären Trichomen und Blättern von wilden

(Solanum habrochaites) und kultivierten Tomaten (Solanum lycopersicum). Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Biochemie und Biotechnologie, 30/09/2013. Dindas, Julian: Analysis of jasmonate-regulated ethylene and auxin actions during tomato flower development. Universität Göttingen, 05/03/2013. Scheler, Ulschan: Investigations on the role of P450 enzymes in the carnosic acid pathway of Rosmarinus officinalis. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Biochemie und Biotechnologie, 18/11/2013. Schubert, Ramona: Rolle von Oxylipinen in der Regulation der Mykorrhizierung nach Blattverwundung in Solanum lycopersicum. MartinLuther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Biologie, 04/06/2013.

Doctoral Thesis 2013 Fellenberg, Christin: Biosynthesis and function of hydroxycinnamic acid amides in flowers of Arabidopsis thaliana. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Biochemie und Biotechnologie, 14/03/2013.

Publications 2014 Bosch, M., Wright, L. P., Gershenzon, J., Wasternack, C., Hause, B., Schaller, A. & Stintzi, A. Jasmonic acid and its precursor 12-oxophytodienoic acid control different aspects of constitutive and induced herbivore defenses in tomato. Plant Physiol. 166, 396-410. Brückner, K., Bozic, D., Manzano, D., Papaefthimiou, D., Pateraki, I., Scheler, U., Ferrer, A., de Vos, R. C. H., Kanellis, A. K. & Tissier, A. Characterization of two genes for the biosynthesis of abietane-type diterpenes in rosemary (Rosmarinus officinalis) glandular trichomes. Phytochemistry 101, 52-64. Bucher, M., Hause, B., Krajinski, F. & Küster, H. Through the doors of perception to function in arbuscular mycorrhizal symbioses. New Phytol. 204, 833-840. Dey, S.,Wenig, M., Langen, G., Sharma, S., Kugler, K. G., Knappe, C., Hause, B., Bichlmeier, M., Babaeizad, V., Imani, J., Janzik, I., Stempfl, T., Hückelhoven, R., Kogel, K.-H., Mayer, K. F. X. & Vlot, A. C. Bacteria-triggered systemic immunity in barley is associated with WRKY and ethylene responsive factors but not with salicylic acid1. Plant Physiol. 166, 2133-2151.

Druege, U., Franken, P., Lischewski, S., Ahkami, A. H., Zerche, S., Hause, B. & Hajirezaei, M.-R. Transcriptomic analysis reveals ethylene as stimulator and auxin as regulator of adventitious root formation in petunia cuttings. Front. Plant Sci. 5. Engler, C., Youles, M., Gruetzner, R., Ehnert, T.M., Werner, S., Jones, J. D. G., Patron, N. J. & Marillonnet, S.A golden gate modular cloning toolbox for plants. ACS Synth. Biol.3, 839-843. Krajinski, F., Courty, P. E., Sieh, D., Franken, P., Zhang, H., Bucher, M., Gerlach, N., Kryvoruchko, I., Zoeller, D., Udvardi, M. & Hause, B. The H+-ATPase HA1 of Medicago truncatula is essential for phosphate transport and plant growth during arbuscular mycorrhizal symbiosis. Plant Cell 26, 1808-1817. Meesters, C., Mönig, T., Oeljeklaus, J., Krahn, D., Westfall, C. S., Hause, B., Jez, J. M., Kaiser, M. & Kombrink, E. A. Chemical inhibitor of jasmonate signaling targets JAR1 in Arabidopsis thaliana. Nat. Chem. Biol. 10, 830-836. Phan, H. T., Hause, B., Hause, G., Arcalis, E., Stoger, E., Maresch, D., Altmann, F., Joensuu, J. & Conrad, U. Influence of elastin-like polypeptide and hydrophobin on recombinant hemagglutinin accumulations in transgenic tobacco plants. PLoS ONE 9, e99347. Staniek, A., Bouwmeester, H., Fraser, P. D. Kayser, O. Martens, S., Tissier, A., van der Krol, S., Wessjohann, L.A. & Warzecha, H. Natural products – learning chemistry from plants. Biotechnol. J. 9, 326-336. Wasternack, C. & Hause, B. Blütenduft, Abwehr, Entwicklung: Jasmonsäure – ein universelles Pflanzenhormon. Biologie in unserer Zeit, 44, 164 -171. Weier, D.,Thiel, J., Kohl, S.,Tarkowská, D., Strnad, M., Schaarschmidt, S., Weschke, W., Weber, H. & Hause, B. Gibberellin-to-abscisic acid balances govern development and differentiation of the nucellar projection of barley grains. J. Exp. Bot. 65, 5291-5304.

Book Chapter 2014 Balcke, G. U., Bennewitz, S., Zabel, S. & Tissier, A. Isoprenoid and metabolite profiling of plant trichomes. In: Plant Isoprenoids (M. R. Concepción ed.) Humana Press New York (Methods Mol. Biol., 1153) S. 189-202, ISBN 978-1-4939-06055. Engler, C. & Marillonnet, S. Golden gate cloning. In: DNA cloning and assembly methods (S. Valla & R. Lale eds.) Humana Press New York (Methods in Molecular Biology, 1116) S. 119-131, ISBN 978-1-62703-763-1.

Hause, B. & Hause, G. Microscopic techniques and single cell analysis. In: Ecological biochemistry – environmental and interspecies interactions (G.J. Krauß & D. H. Nies eds.) Wiley-VCH Weinheim, S. 367-382, ISBN 978-3-527-31650-2.

Grunewald, Stephan: Biosynthese der Flavonolsophoroside in Arabidopsis thaliana Antheren. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Biochemie und Biotechnologie, 30/10/2014.

Thieme, F. & Marillonnet, S. Quick and clean cloning. In: DNA cloning and assembly methods (S.Valla & R. Lale eds.) Humana Press New York (Methods in Molecular Biology, 1116) S. 119131, ISBN 978-1-62703-763-1.

Kamaev, Artem: Untersuchung mykorrhizaspezifischer Glycosyltransferasen. Martin-LutherUniversität Halle-Wittenberg, Institut für Biochemie und Biotechnologie, 29/09/2014.

Tissier, A., Ziegler, J. & Vogt T. Specialized plant metabolites: diversity and biosynthesis In: Ecological biochemistry – environmental and interspecies interactions (G.-J. Krauß & D. H. Nies, eds.) Wiley-VCH Weinheim, S. 15-38, ISBN 978-3527-31650-2.

Bachelor Theses 2014 Asmer, Mareike: Untersuchungen einer Aldehyddehydrogenase im Sesquiterpenmetabolismus in Tomaten. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Biochemie und Biotechnologie, 18/09/2014. Gensichen, Sabrina: Charakterisierung einer Isoprenylsynthase aus Arabidopsis thaliana. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Biochemie und Biotechnologie, 14/11/2014.

König, Kristin: Engineering of the anthocyanin biosynthetic pathway in Nicotiana benthamiana. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Biochemie und Biotechnologie, 14/11/2014. Wießner, Theresa: Interaction of Medicago truncatula with Rhizophagus irregularis and Aphanomyces euteiches – Identification and characterization of early-inducible genes of the root. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Biochemie und Biotechnologie, 27/11/2014.

Doctoral Thesis 2014 Mielke, Kati: Zell- und gewebespezifische Detektion von Jasmonaten. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Biologie, 22/01/2014.

Görner, Christian: Nachweis, Klonierung und Expression spezifischer Glycosyltransferasen aus Arabidopsis thaliana. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Biochemie und Biotechnologie, 01/09/2014. Grosch, Franziska: Studien zur in vivo Interaktion von COI1 und JAZ1 im transienten Expressionssystem (Nicotiana benthamiana). Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Biochemie und Biotechnologie, 06/10/2014. Lößner, Juliane: Rolle von Jasmonaten in der frühen Fruchtentwicklung der Tomate. MartinLuther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Biochemie und Biotechnologie, 06/10/2014. Schmidt, Markus: Vergleich konventioneller Lichttechnik und LED-Beleuchtungstechnik bezogen auf das Wachstum der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Biochemie und Biotechnologie, 24/10/2014.

Master Theses 2014 Arnold, Monika Dorothea: Identifizierung früher OPDA responsiver Gene in Arabidopsis thaliana. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Biochemie und Biotechnologie, 16/10/2014.

75

Independent Junior Research Group

Ubiquitination in Immunity Head: Marco Trujillo The overarching interest of our research is

PUB22 became stabilized within minutes.

to elucidate the molecular basis of ubiqui-

Further analysis showed that PUB22 is

tination and its function during plant-mi-

highly unstable and mediates its own ubi-

Collaborators

crobe interactions. Plants are able to sense

quitination. As a result, it is efficiently de-

Jiri Friml

environmental cues and respond to them

graded by the 26S proteasome. We have

rapidly and efficiently. Moreover, they are

identified different types of kinases, which

in constant interaction with microbes.

interact with and phosphorylate PUB22

Cellular signaling triggered by the per-

during the immune response. The charac-

ception of pathogens requires the coordi-

terization of these phosphorylation events

John McDowel

nation of a myriad of processes which cul-

support a novel regulatory mechanism,

Virginia Tech, USA

minate in an appropriate activation of

which relies on changes in autoubiquiti-

Hirofumi Nakagami, Ken Shirasu

immunity. Posttranslational modifications

nation activity.

RIKEN Center for Sustainable Resource Science, Japan

Institute of Science and Technology, Austria

Ingo Heilmann University of Halle, Germany

Stefan Hoth University of Hamburg, Germany

allow plants to rapidly respond to

Patrick Schweizer

pathogen infection and altered environ-

The study of ubiquitinated proteins faces

mental conditions. The attachment of ubi-

many challenges. Some of these are: low

quitin moieties, known as ubiquitination, is

stoichiometry of ubiquitin, degradation of

a key player in the orchestration of cellular

modified proteins, as well as a rapid deu-

responses and general plant physiology.

biquitination. These problems are classi-

Plants are constantly being challenged by

Fig. 1: Ubiquitination cascade and its reconstitution by synthetic biology. A) Ubiquitination of a target protein (T) involves a sequential cascade of enzymatic activities. The ubiquitin-activating enzyme (E1) forms a thioester linkage with the ubiquitin (red). Next, ubiquitin is passed to a ubiquitin-conjugating enzyme (E2) again through a thioester linkage. The E2 carries the activated ubiquitin to the ubiquitin ligase (E3), which facilitates the transfer of the ubiquitin from the E2 to a lysine residue in the target protein. B) Generation of recombinant operons for the reconstitution of the ubiquitination cascade in bacteria.

a wide array of pathogens, which can lead to yield losses in the case of infection. Consequently, survival depends on the plant’s ability to react as quickly and effectively as possible against the invading pathogen. Plants perceive an infection by means of plasma membrane localized receptors. After the perception of a patho-

Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research, Gatersleben, Germany

Cyril Zipfel The Sainsbury Laboratory, UK

cally addressed by the use of inhibitors

nation cascade in bacteria is amenable

for the 26S proteasome or deubiquitina-

for easy up-scaling. This will render ubiq-

ting enzymes. However, caveats of their use include the accumulation of highly processive substrates and the depletion of the cellular ubiquitin pool. Hence, to circumvent these limitations, we have started with the reconstitution of the ubiquitination cascade in prokaryotic systems which lack ubiquitin and therefore

uitinated products accessible for massFig. 2: Engineering of a deubiquitination resistant ubiquitin. Ubiquitin (Ub) and the ubiquitin deubiquitination resistant (UbDR) variant were expressed in plant cells. The resilience of UbDR against cleavage can be observed as an increase in the total amount of ubiquitinated proteins.

spectrometry or NMR analysis. Our aim is to develop a synthetic biology toolbox, which will enable our group and the scientific community to easily assay E3 activity and substrate ubiquitination. But most importantly, it will be instrumental in the engineering of custom made E3 lig-

gen, a cascade of signaling events is trig-

Our group identified a set of plant U-box

quitin ligase substrates. Up to now we

also all other enzymes involved in its me-

gered to activate an immune response.

type E3 ubiquitin ligases (PUBs) that con-

have performed several large-scale high-

tabolism. To reconstitute ubiquitination

These signaling cascades must be tightly

tribute to the attenuation of the immune

throughput yeast two-hybrid screens

we are employing a synthetic biology ap-

tlenecks that obstruct the analysis of E3

proach we have engineered ubiquitin pro-

regulated and ubiquitination is deeply

response after pathogen perception. Our

using different PUBs as bait. In prior work,

proach. Through the use of the Golden

function and substrate modification.

teins that are resistant to deubiquitinating

embedded in this process.

work has highlighted for the first time the

we were able to identify Exo70B2, a sub-

Gate cloning method, we have generated

importance of negative regulation in im-

unit of the exocyst complex, which medi-

large recombinant bacterial operons to

In contrast to the classical in vitro ap-

substrates. By including different tags,

Ubiquitination is involved in most aspects

munity. This process is pivotal to maintain

ates vesicle tethering during exocytosis,

express all components of the ubiquitina-

proach to characterize E3 activity that on-

these modified ubiquitins will facilitate

of the regulation of immune responses.

the physiological homeostasis of plants

as a target of PUB22. This study showed

tion cascade (Fig. 1B). This approach al-

ly leads to spurious amounts of the modi-

the mass spectrometric analysis of the

Depending on the way that the ubiquitin

and avoid growth disadvantages due to

how ubiquitination of a component of the

lows us to overcome several critical bot-

fied proteins, the reconstituted ubiquiti-

ubiquitin proteome (Fig. 2).

moieties are linked to each other, tagged

metabolic trade-offs and energetic penal-

vesicular traffic machinery impacts on im-

proteins are destined to one of several

ties.

mune signaling in plants. Novel identified

possible fates, which include proteolysis,

targets include central components of

ases paving the way for biotechnological applications. Moreover, in a parallel ap-

enzymes and therefore accumulate on

flanzen befinden sich in ständiger Interaktion mit Mikroorganismen wie z.B. Bakterien, Pilzen und Viren. Um sich vor

P

endocytosis or changes in activity (Fig.

In order to understand the underlying

the endomembrane vesicle trafficking

1A). Ubiquitination is best known for me-

mechanism of immune regulation, and

which underline the unique position of

diating the degradation of proteins via the

how ubiquitination contributes to this re-

PUB ligases in the regulation of plant

Krankheitserregern zu schützen, haben Pflanzen Rezeptoren entwickelt, die diese erkennen und durch die Weiterleitung entsprechender Signale ins Innere der Zelle, diverse Abwehr- und metabolische Anpassungsmechanismen der Pflanze aktivieren. Die Ubiquitinierung spielt bei diesen Prozessen eine zentrale regulatorische Rolle. Durch die Verknüp-

26S proteasome.

gulation, we are aiming to identify E3 ubi-

adaption to stresses.

fung des Ubiquitins mit bestimmten Zielproteinen werden diese innerhalb der Zelle ihrer weiteren Bestimmung zugeführt.

Even though E3s are known to be respon-

Unsere Gruppe befasst sich mit der Untersuchung der Ubiquitinierung in der Immunantwort mit Augenmerk auf deren regulatorischen Funktionen. Unsere Forschungen ergaben, dass spezifische Ligasen Komponenten des intrazellulären Vesikeltransports ansteuern und diese durch Ubiquitinierung regulieren. Darüber hinaus wird die weitere detaillierte Untersuchung

Group Members

sible for the specificity of ubiquitination, many questions remain unanswered re-

Giulia Furlan

Kathrin Kowarschick

Chil-Woo Lee

Nadine Tischer

PhD Student

Technical Assistant

Research Associate

Master Student

garding the basis of ubiquitination, such

Jörn Klinkenberg

Roman Lassig

Cecilia Martinez

Marco Zietz

as the mechanisms responsible for the

Postdoctoral Scientist

Postdoctoral Scientist

Bachelor Student

Master Student

modulation of the E3 activity. We discov-

der molekularen Mechanismen des Ubiquitinierungsprozesses durch Methoden der synthetischen Biologie angestrebt. Die Erforschung dieser Prozesse eröffnet die Möglichkeit, resistentere Sorten zu entwickeln und damit einen Beitrag zu leisten zur Erhöhung der Erträge und zur Sicherung der Nahrungsmittelqualität.

ered that upon activation of immunity,

76

77

Independent Junior Research Group

Protein Recognition and Degradation

model system, we are using Arabidopsis

development, flower induction, hypoxia

thaliana, currently the best-understood

response, possibly plant-pathogen inter-

Head: Nico Dissmeyer

plant organism, by combining genetics,

action, and cell division. Most of these fac-

cell biology and state-of-the-art bioche-

tors are highly important traits in agricul-

mistry.

ture. To date, the underlying molecular wiring remained obscure.

Molecular and functional analysis of protein recognition and degradation in plants

The NERD is a proteolytic system target-

Rationale

Proteins belong to the fundamental

ing substrate proteins with respect to

Plant PQC is particularly interesting with

equipment of each organism’s cell and

their N-terminal residue and influences

respect to e.g. stabilization or breakdown

play crucial roles in numerous biochemi-

their in vivo half-life. N-terminal basic, bul-

of protein storage reserves in seeds and its

cal and cell biological contexts. They are

ky or hydrophobic side chains are recog-

involvement in other aspects of plant

only able to function properly if their

nized by so-called E3 Ub-ligases followed

growth and development. These enable

abundance and shape are correct. Protein

by ubiquitination (attachment of chains of

seeds to germinate, grow and establish a

folding is one of the major determinants

the small protein modifier ubiquitin) and

seedling. Noteworthy, the presence of

The overall protein fold is a determinant

eventually by proteasomal degradation.

functional plant proteins becomes increa-

NERD has a multitude of functions in ani-

singly relevant from a bioeconomical point

for proper protein function. Cellular

mals and yeast but only few substrates

of view as one of the premier storage units

have been discovered. In plants, NERD is

for energy and one hallmark of plant envi-

protein quality control mechanisms

even less understood and solely a small

ronmental stress tolerance. Plant proteins

class of transcription factors has been

constitute the primary source of food for

ensure the disposal of erroneous pro-

identified as substrates with an important

humans and feed for livestock and in form

role in hypoxia response. In studied mo-

of phytonutrients and renewable plant-

teins or candidates which are „used up“.

del systems, NERD functions include the

based sources of energy. Besides that,

A long-term goal is to understand the bio-

control of chromosome segregation, DNA

correct protein function is an important

logical significance of plant PQC in the

repair, apoptosis, meiosis, and diverse de-

determinant for genetical engineering and

context of development and biotechno-

velopmental processes. In Arabidopsis,

the production of proteins of medical

logy by elucidating protein quality check-

the primary cause for adverse protein

Picture taken from Dissmeyer & Schnittger, The age

NERD is associated with seed ripening, li-

interest is emerging in plant biotechnol-

points and proteostatic control with a

folding in plants and leads to a reduction

of protein kinases,

pid breakdown and germination. More-

ogy and mastering protein stability can im-

strong focus on the plant N-end rule

of the average yields for major crop plants

Methods Mol Biol. 2011;779: 7-52.

over, plant NERD regulates leaf and shoot

prove faithful protein production in plants.

pathway.

N-end rule pathway

of their stability and it is vital to know mechanisms of recognition and degradation of proteins that need to be destructed and how intracellular protein abundance is controlled. Biotic and abiotic stress stimuli like drought, salinity, extreme temperatures, heavy metals, pathogen infection and chemicals lead to osmotic and oxidative stresses. This may irreversibly damage proteins by misfolding during formation and thus compromise the entire cell. Abiotic stress is considered to be

by more than 50% worldwide. Therefore,

Phenotypes of Arabidopsis mutant plants compromised in protein quality control.

it represents a serious threat to agriculture and also the environment. Our research aims to describe the biological integration of complex plant protein quality control (PQC), i.e. posttranslational networks ensuring proper protein

gical substrates on a cellular and molecu-

State of the art

functionality. Separated into two major

lar level. Special emphasis lies on one

The proteome must be precisely guarded

project cores, we aim to identify, charac-

field of PQC, namely the N-end rule path-

to function properly. This takes place on

terize and functionally analyze novel en-

way of targeted protein degradation

the level of protein abundance (pro-

zymatic components and their physiolo-

(NERD) which is a part of the ubiquitin (Ub)

teostasis) and by specialized PQC check-

proteasome system (UPS). PQC is neces-

point systems, e.g. NERD, which has the

Group Members

sary to respond to endogenous physiolo-

capacity of targeted recognition and re-

gical cues and to environmentally harsh

moval of proteins that harbor specific destruction signals, so-called degrons.

Wir erforschen einen Aspekt grundlegender molekularer Mechanismen der Erkennung und des Abbaus pflanzlicher Eiweißstoffe (Proteine). Proteine zählen zu den wichtigsten Bestandteilen aller lebenden Zellen und übernehmen verschiedenste essentielle Aufgaben, die von zellulären Bau- und Botenstoffen über Energiespeicher bis hin zu biochemischen Katalysatoren (Enzyme) reichen. Für die jeweiligen Funktionen sind vor allem die Menge und Konzentration der Proteine entscheidend

Frederik Faden

Stefan Mielke

conditions. In plants, only little is known

PhD Student

Master Student

about the portfolio of biological function

Despite their clear involvement in cardinal

Anne Kind

Augustin Catalin Mot

of PQC, although mutations in NERD or

cellular functions, only few roles of plant

Bachelor Student

Postdoctoral Scientist

protein misfolding pathway components

NERD have been identified but this path-

Maria Klecker

Christin Naumann

PhD Student

PhD Student

cause abnormalities through altered pro-

way comprises a hierarchical cascade of

Dieter Lange

Pavel Reichman

tein turnover and erroneous folding. They

protein modifiers with multiple possible

Master Student

PhD Student

are associated with physiological mal-

levels of regulation.

Carolin Mai

Michaela Reißland

functions, lead to severe diseases in mam-

Master Student

Research Assistant

mals, improper responses to biotic and

We have developed a transgenic in vivo

Elisabeth Maluck

Florian Sperling

abiotic stress in plants, and adversely in-

protein stability reporter system as a mo-

Master Student

Bachelor Student

fluence cell proliferation, organ growth,

lecular tool that allows screening for mu-

and seed germination.

tants defective in PQC. As experimental

78

Fig. 4: Our tools: artificial proteolytic substrates, which cause gradual decreasing levels of the protein of interest and eventually lead to conditional phenotypes.

Pflanzliche Proteinqualitätskontrolle – Grundlagen der Erkennung und des Abbaus von Proteinen

sowie deren dreidimensionale Form, ihre sogenannte Faltung. Nur, wenn diese Parameter genauestens kontrolliert und reguliert werden, können die zellulären Stoffwechselwege und weitere Funktionen korrekt ablaufen. Daher untersuchen wir die molekularen Wege, die dafür sorgen, dass fehlerhafte oder anderweitig zum Abbau bestimmte Proteine erkannt und degradiert werden und wollen die komplexen Netzwerke der pflanzlichen Proteinqualitätskontrolle funktionell analysieren. Das bedeutet herauszufinden, welche biologischen Funktionen sie letztendlich ausüben und mit welchen Problemen bei Fehlern (Mutationen) in denselben zu rechnen ist.

79

Interdepartmental Research Group

Proteome Analytics

Collaborators

Head: Wolfgang Hoehenwarter

Sacha Baginsky, Ingo Heilmann, Christian Schmelzer University of Halle, Germany

Institute of Vegetable and Ornamental Crops, Großbeeren, Germany

Gerold Beckers

Wolfram Weckwerth University of Vienna, Austria

nology to plant research. The abundance,

University of Aachen, Germany

activity and interactions of thousands of

Yanmei Chen

proteins are constantly changing. This is a

China Agricultural University, Beijing, China

Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research, Gatersleben, Germany

The Proteome Analytics research group brings state of the art proteomics tech-

primary determinant of the plant phenotype. It is our goal to describe these intricate molecular dynamics in accurate detail and thereby understand plant proteome biology. The Proteome Analytics research group conducts a wide range of mass spectro-

Fig. 1: Cutting edge mass spectrometry is used to identify peptides and proteins.

vitro kinase assays or co-immunoprecipitation experiments. The same holds true for ubiquitylation. In a collaborative effort it was possible to map ubiquitylation on substrates relevant to hormone sensing and work is ongoing to enrich and meas-

gether with scientists from in- and outside

ment of cell wide changes in protein

labeling (Fig. 3). Quantification of many

of the IPB. The group collaborates closely

abundance in response to genetic and/or

thousands of proteins from a single sam-

with colleagues on all aspects of phytolo-

environmental perturbations are poten-

ple in a reasonable time frame is a major

gical studies from design to experimenta-

tially the most powerful implementation

step to realize the full potential of prote-

tion, data analysis and interpretation of

of functional genomics. We have con-

ome research at the IPB.

the results. Thus the group investigates

ducted a series of large scale discovery

the institute’s central research themes

proteomics studies in an effort to under-

Recently, targeted proteomics has re-

from the perspective of conditional

stand the genetic basis of the mechanism

ceived much attention because it allows

The importance of post translational mo-

labeling, aluminum hydroxide metal oxide

changes in the state of the totality of cel-

underlying soil phosphate sensing in the

researchers to selectively determine the

dification (PTM) cannot be overempha-

affinity chromatography (MOAC) enrich-

lular proteins at one time.

root. The total root protein extract of one

abundance of sets of proteins with the

sized. Reversible, multi-site PTM has as

ment of phosphorylated proteins, trypsin

Liquid chromatography (LC) on-line with

week old lpr1lpr2, pdr2 and pdr3 null mu-

highest accuracy, repeatability and sensi-

much an impact on protein function as

digestion and titanium dioxide MOAC en-

high resolution accurate mass (HR/AM)

tant Arabidopsis seedlings was repeat-

tivity. We have optimized targets protein

translation of the nascent polypeptide it-

richment of phosphorylated peptides

mass spectrometry (MS) is the research

edly measured and quantified using label

analysis using inclusion lists and retention

self. Mass spectrometry is the ideal tech-

from the phosphoprotein enriched frac-

group’s core technology used to identify

free quantification techniques following

time scheduled parallel reaction monitor-

nique for analysis of PTM because of the

tion called Tandem MOAC. It was used to

and quantify peptides and proteins. The

phosphate deprivation. The observed re-

ing (PRM) on the Orbitrap Velos Pro. Mea-

mass shift incurred by covalent attach-

detect and quantify phosphorylation of in

group currently employs an Orbitrap Ve-

modeling of the proteome together with

surements of protein abundance were lin-

ment of a chemical moiety and MS/MS

vivo mitogen-associated protein kinase

los Pro mass spectrometer and the acqui-

quantitative transcript profiling points to-

ear over three orders of magnitude with a

peptide sequencing allows precise locali-

(MPK) substrates upon MPK activation and

sition of a QExactive Plus mass spectro-

wards a complex interplay between soil Pi

limit of quantification of 100 amol in 1 µg

zation and quantification of site-specfic

salicylic acid treatment in Arabidopsis. Also

meter is planned in 2015 (Fig. 1). This in-

content and iron availability in fine-tuning

of Arabidosis thaliana total protein ex-

PTM.

strumentation complemented with the

local root growth in response to limited

tract. This led to a collaborative study

best qualitative and quantitative analysis

phosphate supply (Fig. 2). A similar inte-

seeking to shed light on the identity of

We have developed a quantitative two

signaling such as tethering complexes, ki-

software puts us in an excellent position

grative -omics study was conducted on

possible substrates of the N-end rule

step procedure combining 15N metabolic

nases and transcription factors following

to operate at the cutting edge of prote-

the leaf and trichome tissue of two toma-

(NERD) pathway of protein degradation.

ome science.

to cultivars to better understand the mo-

Protein degradation via NERD in plants is

lecular mechanisms and function of tri-

largely unexplored but it was shown to be

chomes in light of primary metabolism.

central to oxygen sensing and may also

Because proteins are the functional end

Katja Witzel

functional or interaction studies such as in

metry-based proteomics applications to-

products of gene expression, measure-

play a major role in ethylene signaling.

ure site-specific ubiquitylation in vivo.

Figure 2. Proteome remodeling following phosphate deprivation in Col-0 wild type and lpr1lpr2 and pdr2 knockout mutant genotypes.

we mapped in vitro and in vivo phosphorylation sites on diverse proteins involved in

Fig: 3. Multidimensional separation of proteins and peptides to achieve deeper coverage of the plant proteome.

ie Arbeitsgruppe Proteomanalytik vereint modernste Proteomwissenschaft und Pflanzenforschung. Die hochauflö-

D

sende Massenspektrometrie ist die zur Proteinidentifizierung und Quantifizierung angewandte Kerntechnologie der Arbeitsgruppe.

These studies identified around 5,000

Proteins bearing an N-terminal degrada-

Group Members

proteins each. Only recently it has be-

tion signal called an N-degron were quan-

come possible to quantify nearly the en-

tified in NERD enzyme null mutant geno-

Im Wesentlichen sind Proteine die funktionalen Endprodukte der Genexpression. Somit ist die quantitative Erfassung der

MHD Rami Al Shweiki

tire cellular proteome down to a copy

types to detect degradation putatively

Master Student

number of less than 500 per cell from a

downstream of NERD. Additionally, the

Annegret Laub

single sample in human cell lines. This is

abundance of the flagellin receptor FLS2,

the Proteome Analytics research group’s

the most well characterized pathogen as-

ultimate goal. We are currently working

sociated molecular pattern (PAMP) recep-

Veränderungen einer größtmöglichen Menge zellulärer Proteine in Folge genetischer oder umweltbedingter Störungen die bedeutendste Anwendung der funktionalen Genomik. Wir entwickeln Technologien, um die Abundanz vieler tausender Pflanzenproteine auf einmal zu messen. Als Pendant dazu wurden Targeted-Proteomik-Ansätze zur gerichteten Quantifizierung ausgewählter Proteine mit der höchsten Sensitivität, Genauigkeit und Wiederholbarkeit etabliert. In Zusammenarbeit mit Kollegen werden Techniken zur quantitativen Lokalisierung posttranslationaler Modifikationen an Proteinen entwickelt

on establishing multi-dimensional protein

tor in plant innate immunity was mea-

identification technology optimized for

sured and it’s degradation following flg22

plant tissue combined with 15N metabolic

treatment confirmed.

Research Assistant

Petra Majovsky Technician

Domenika Thieme Technician

80

Suayib Üstün

und eingesetzt. So untersucht die Arbeitsgruppe die zentralen Fragenstellungen des IPB aus der Perspektive der Veränderungen der zellulären Proteine als Ganzes.

81

Publications and other Activities of the Junior Research Groups

RG Ubiquitiniation in Immunity Publications 2013 /2014 Stegmann, M., Anderson, R. G., Westphal, L., Rosahl, S., McDowell, J. K. & Trujillo, M. The exocyst subunit Exo 70 B1 is involved in the immune response of Arabidopsis thaliana to different pathogens and cell death. Plant Signal. Behav. 8, e27421 (2013) Dörmann, P., Kim, H., Ott, T., Schulze-Lefert, P., Trujillo, M., Wewer, V. & Hückelhoven, R. Cell-autonomous defense, re-organization and trafficking of membranes in plantmicrobe interactions. New Phytol. 204, 815-22 (2014) Majovsky, P., Naumann, C., Lee, C.-W., Lassowskat, I., Trujillo, M., Dissmeyer, N. & Hoehenwarter, W. Targeted proteomics analysis of protein degradation in plant sig-

naling on an LTQ-Orbitrap mass spectrometer. J. Proteome Res. 13, 4246–4258 (2014)

Doctoral Thesis 2013 Stegmann, Martin: Identification of PUB22 targets and functional characterization in PAMP-triggered immunity. Julius-Maximilians-Universität Würzburg, Fachbereich Biologie, 06/16/2013.

Master Theses 2014 Tischer, Nadine: Identification of plant U-Box 22 E3 ubiquitin ligase-interacting ubiquitin-conjugating enzymes. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biologie, 05/15/2014.

RG Protein Recognition and Degradation Publications 2013 / 2014 Harashima, H., Dissmeyer, N. & Schnittger, A. Cell cycle control kingdom. Trends Cell Biol. 23. 345-356 (2013) Faden F., Mielke S., Lange D. & Dissmeyer N. Generic tools for conditionally altering protein abundance and phenotypes on demand. Biol. Chem. 395, 737-762 (2014) Majovsky, P., Naumann, C., Lee, C.-W., Lassowskat, I., Trujillo, M., Dissmeyer, N. & Hoehenwarter, W. Targeted proteomics analysis of protein degradation in plant signaling on an LTQ-Orbitrap mass spectrometer. J. Proteome Res. 13, 4246–4258 (2014)

Bachelor Theses 2013 /2014 Kind, Anne: Charakterisierung der N-terminalen Amidasen NTAN1 und NTAQ1 in Arabidopsis thaliana. MartinLuther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biochemie und Biotechnologie, 08/28/2013. Reißland, Michaela: Analyzing conditional expression of CDKA1 mutants in Arabidopsis thaliana. Martin-LutherUniversität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biochemie und Biotechnologie, 11/20/2014.

82

Sperling, Florian: Etablierung eines ex vivo -Testsystems zum funktionellen Screening von Proteinstabilitätsreportern in Protoplasten. Martin-Luther-Universität HalleWittenberg, Fachbereich Biochemie und Biotechnologie, 09/24/2013.

Master Theses 2013/2014 Lange, Dieter: Analysis and application of the temperature-sensitive N-degron in Arabidopsis thaliana. MartinLuther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biochemie und Biotechnologie, 10/30/2014. Mai, Carolin: Stabilitätsuntersuchung des RPM1-INTERACTING PROTEIN 4 (RIN4) als bona fide-Substrat der N-Ende-Regel in Arabidopsis. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biochemie und Biotechnologie, 02/07/2014.

Publications of the Interdepartmental Research Group

RG Proteome Analytics Publications 2013 Černý, M., Kuklová, A., Hoehenwarter, W., Fragner, L., Novák, O., Rotková, G., Jedelsky, P.L., Žáková, K., Šmehilová, M., Strnad, M., Weckwerth, W. & Brzobohaty, B. Proteome and metabolome profiling of cytokinin action in Arabidopsis identifying both distinct and similar responses to cytokinin down- and up-regulation. J. Exp. Bot. 64, 4193-4206.

Weckwerth, W., Wienkoop, S., Hoehenwarter, W., Egelhofer, V. & Sun, X. From proteomics to systems biology: MAPA, MASS WESTERN, PROMEX, and COVAIN as a user-oriented platform. In: Plant Proteomics (J. V. JorrinNoro, ed.) Humana Press. New York (Methods Mol. Biol; 1072) S. 15-27, ISBN 978-1-62703-630-6.

Egelhofer, V., Hoehenwarter, W., Lyon, D., Weckwerth, W. & Wienkoop, S. Using ProtMAX to create high-massaccuracy precursor alignments from label-free quantitative mass spectrometry data generated in shotgun proteomics experiments. Nat. Protoc. 8, 595-601. Hoehenwarter, W., Thomas, M., Nukarinen, E., Egelhofer, V., Röhrig, H., Weckwerth, W., Conrath, U. & Beckers, G.J. Identification of novel in vivo MAP kinase substrates in Arabidopsis thaliana through use of tandem metal oxide affinity chromatography. Mol. Cell. Proteomics 12, 369-80.

Publications 2014 Grimmer, J., Rödiger, A., Hoehenwarter,W., Helm, S. & Baginsky, S. The RNA-binding protein RNP29 is an unusual Toc159 transport substrate. Front. Plant Sci. 5, 258. Majovsky, P., Naumann, C., Lee, C.-W., Lassowskat, I., Trujillo, M., Dissmeyer, N. & Hoehenwarter, W. Targeted proteomics analysis of protein degradation in plant signaling on an LTQ-Orbitrap mass spectrometer. J. Proteome Res. 13, 4246–4258.

Book Chapter 2014 Beckers, G. J. M., Hoehenwarter, W., Röhrig, H., Conrath, U. & Weckwerth, ,W. Tandem metal-oxide affinity chromatography for enhanced depth of phosphoproteome analysis. In: Plant Proteomics (J. V. Jorrin-Noro ed.) Humana Press. New York (Methods Mol. Biol., 1072) S. 621-632, ISBN 978-1-62703-630-6.

Maluck, Elisabeth: Inhibition of the N-end rule pathway by reverse genetics. Martin-Luther-Universität HalleWittenberg, Fachbereich Biochemie und Biotechnologie, 12/11/2014.

83

Abteilung Administration und Infrastruktur Leiterin: Christiane Cyron Sekretariat: Caroline Stolzenbach

20 Prozent weniger Stromverbrauch

Standort Halle eine Workshopreihe zur Führungskompetenz ins

Ausbildung

eine Personalrotation eingeführt. Durch diese Maßnahmen konn-

Durch vereinte Anstrengung aller Mitarbeiterinnen und Mitarbei-

Leben gerufen. Die Resonanz war so positiv, dass in Folge ähn-

Das Institut bildet seit vielen Jahren Bürokaufleute, Fachinforma-

ten viele Arbeitsabläufe optimiert und der Service in der Gärtne-

ter des Instituts ist es in den Jahren 2013 – 2014 gelungen, den

liche Workshops für den Führungsnachwuchs auch IPB-intern

tiker, Chemielaborantinnen und -laboranten sowie Gärtnerinnen

rei erhöht werden.

Stromverbrauch um 20 Prozent (entspricht circa 200 T€ Einspa-

angeboten werden. Dabei lernen junge Führungskräfte aus dem

und Gärtner für Zierpflanzenbau aus. Nach Abschluss der Ausbil-

rung p.a.) zu senken. Dabei spielt die Modernisierung der Kälte-

wissenschaftlichen und administrativen Bereich nicht nur Füh-

dung bietet das Institut mindestens einen einjährigen Arbeits-

Hochwasser 2013

anlage zur Versorgung der Phytokammern eine herausragende

rungsverhalten, sie erfahren auch voneinander über die unter-

vertrag an; etlichen Auszubildenden konnte auch ein fester

Vor eine geradezu abenteuerliche Herausforderung hat das

Rolle. Durch die Modernisierung der Kälteanlage wird die Be-

schiedlichen Anforderungen im wissenschaftlichen und admini-

Arbeitsplatz angeboten werden. Ein Mitarbeiter, der im Institut

Hochwasser der Saale das Institut im Frühsommer 2013 gestellt.

triebssicherheit der Phytokammern erhöht und gleichzeitig der

strativen Bereich.

ausgebildet wurde, leitet heute eine Arbeitsgruppe im Bereich

Die fast 150 Jahre alte Steinwand, die das IPB-Gelände zur Saale

Administration und Infrastruktur.

hin abstützt, wurde stark geschädigt. Was anfänglich nur nach

Energieverbrauch gesenkt. Versuche mit energiesparender LED-

einem größeren Reparaturvorhaben aussah, hat sich später als

Beleuchtung bei der Pflanzenanzucht haben bereits zu einer

Besonders gefreut haben wir uns darüber, dass sich in den

Bachelorarbeit in der Abteilung Stoffwechsel- und Zellbiologie

Jahren 2013 und 2014 in Folge jeweils eine Nachwuchswissen-

Ausbau der Forschungsinfrastruktur des IPB

politischer Balanceakt unter Einbeziehung einer Vielzahl von Äm-

geführt. Derzeit wird überlegt, einen Drittmittelantrag zur Wech-

schaftlerin des IPB für das Mentoring-Programm der Leibniz-Ge-

Den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern und Koopera-

tern der Stadt Halle entpuppt. Bis zum Sommer 2015 wird die

selwirkung zwischen verschiedenen Spektren der LED-Beleuch-

meinschaft qualifizieren konnte. Eine weitere Wissenschaftlerin

tionspartnern des Instituts steht eine hervorragende For-

Stützwand mit 1,4 Mio Euro aus dem Hochwasserfonds des Bun-

tung und dem Wachstum von Versuchspflanzen zu stellen.

wurde in das Young Leaders in Science - Programm der Schering

schungsinfrastruktur zur Verfügung. Im Berichtszeitraum konn-

des saniert. Anschließend wird die Stadt Halle den Saaleradwan-

Stiftung aufgenommen.

ten ein UHPLC-gekoppeltes Hochleistungsmassenspektrometer,

derweg sanieren.

Förderung der Beteiligung an EU-Drittmittelprojekten

ein GC-Triple Quadrupole MS, ein Massenspektrometer QTrap,

Im 7. Forschungsrahmenprogramm wurden bzw. werden am IPB

ein GC-Massenspektrometer, ein Phosphorimager, diverse

vier Projekte durch die EU gefördert. Erfolgreich abgeschlossen

HPLC- und UPLC-Systeme und Fluoreszenzkameras für die Mi-

sind TERPMED (SZB) und BIONEXGEN (NWC), zurzeit laufen Betei-

kroskopie erworben werden. Die Investitionen wurden teilweise

ligungen an den Projekten COSMOS und SOLUTION (beide Bio-

durch EFRE-Mittel unterstützt.

informatik). Für das Programm Horizon 2020 liegen bereits Anträge für PhenoMenAl (Bioinformatik) und NaProSiNano (NWC) vor.

Sonstige Ressourcen

Bei der Beantragung und Abwicklung der Projekte arbeiten die

Beim wirtschaftlichen Einsatz der Sachressourcen des Instituts

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Instituts eng mit

spielen, neben dem Energieverbrauch, das Bibliotheksbudget, der

entsprechenden Ansprechpartnern im administrativen Bereich

Chemikalienverbrauch und die Bewirtschaftung der Anzuchtflä-

zusammen. Seit Anfang 2014 wird die Zusammenarbeit zusätzlich

chen eine wichtige Rolle.

durch eine Referentin für Forschungsförderung unterstützt. Im Berichtszeitraum wurde für den Bezug eher selten nachge-

Zentrale Sicherung der Forschungsprimärdaten

fragter Online-Zeitschriften ein Prepaid-System eingeführt, das

Zur Umsetzung der Regeln der DFG zur Sicherung guter wissen-

im Vergleich zum Vollabonnement den kostengünstigeren Ein-

schaftlicher Praxis, wonach Forschungsdaten mindestens über

zelbezug von Zeitschriften ermöglicht.

einen Zeitraum von zehn Jahren nach ihrer Veröffentlichung auf-

84

zubewahren sind, wurde ein zentraler Datenspeicher eingerich-

Nicht mehr benötigte Chemikalien des Instituts werden in einer

tet, auf dem die Forschungsprimärdaten des Instituts gespei-

Chemikalienbörse für die Wiederverwendung vorgehalten.

chert werden. Die Forschungsprimärdaten stehen damit langfris-

Durch eine bauliche Umstrukturierung der Lagerflächen des In-

tig zur Überprüfung, aber auch für weitere Arbeiten interner

stituts konnten die Flächen der Chemikalienbörse erweitert wer-

oder externer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zur Ver-

den und gleichzeitig eine höhere Sicherheit für die Lagerung von

fügung.

chemischen Standardprodukten erreicht werden.

Führungskompetenz des wissenschaftlichen und administrativen Nachwuchses

Der wachsenden Nachfrage nach Anzuchtflächen im Rahmen

Schwere Maschinen werden zur Sanierung der alten Stützmauer

größerer Forschungsprojekte wurde durch eine veränderte Be-

aufgefahren. Mit riesigen Verpresspfahlankern wird das alte

Zur Förderung und Vernetzung junger Wissenschaftlerinnen

wirtschaftung der Flächen begegnet. So wurden bisher getrennt

Gestein im dahinter liegenden Porphyr befestigt.

wurde in Kooperation mit den anderen Leibniz-Instituten am

bewirtschaftete Gewächshausflächen zusammengelegt und

85

Mitarbeiter der Abteilung Administration und Infrastruktur 2013 / 2014

Personal

Gärtnerei

Leiterin: Kerstin Balkenhohl

Projektleiterin Innen: Petra Jansen,

Anne-Kathrin Ekelmann

Projektleiterin Außen: Dagmar Martin

Claudia Haferung

Alexander Bergter (bis Juli 2013)

Marco Lindemann (bis Juli 2013)

Alice Bühring (bis August 2014)

René Pietzner (bis Oktober 2014)

Thomas Franz

Caroline Stolzenbach

Aileen Jedemann (bis Juli 2013) Christian Müller

Finanzen

Personalübersicht des IPB 2013 / 2014

2013

2014

Anzahl der Mitarbeiter/innen zum Stichtag 31.12.

186

178

Wissenschaftler/innen davon Frauen

113 45

104 37

Anteil der Vollbeschäftigten in %

55

56

Frank Noack

Leiterin: Barbara Wolf

Philipp Plato

Anja Bahr (bis Oktober 2013)

Caroline Schwenzer (bis Mai 2014)

Maike Langlhofer

Sabine Voigt

Anteil der Teilzeitbeschäftigten in %

45

44

Elisabeth Sens (bis Juni 2014)

Gebäude und Liegenschaften

Anzahl der Planstellen

91

91

Andrea Walter

Leiterin: Heike Böhm Beschäftigungspositionen Haushalt

29

32

Über Drittmittel finanzierte Positionen

45

33

Anteil der weiblichen Beschäftigten insgesamt in %

52

51

Fluktuationsrate in %

23

19

Durchschnittsalter der Beschäftigten in Jahren

36

36

im kaufmännischen Bereich in der Gärtnerei im Bereich der Systemadministration

7 2 4 1

6 2 3 1

Erfolgreiche Berufsabschlüsse

3

0

Anzahl der Gastwissenschaftler (inkl. Stipendiaten) im Jahresdurchschnitt

18

28

Anzahl der studentischen und wissenschaftlichen Hilfskräfte im Jahresdurchschnitt

45

36

Tanja Pareis

Carsten Koth

Einkauf

Michael Kräge

Leiterin: Rosemarie Strassner

Felix Ölke

(bis Dezember 2014)

Klaus-Peter Schneider

Alexandra Burwig

Catrin Timpel

Melanie Rasch

Eberhard Warkus

Clemens Schinke

Auszubildende Information und Dokumentation

Tobias Abe / Fachinformatiker

Leiter: Christoph Kupiec

Nadine Dally / Bürokauffrau (bis Januar 2013)

Andrea Piskol

Frances Hintsche / Bürokauffrau Elisabeth Lenart / Bürokauffrau (bis Juni 2013)

Chemikalienlager Leiter: Martin C. N. Brauer

Juliane Mewes / Chemielaborantin (bis Januar

Berufsausbildung

2013) Max Mittelstädt / Bürokaufmann Nils Mosch / Gärtner

Geräteservice und IT

Tanja Pareis / Bürokauffrau (bis Juni 2013)

Leiter: Tino Körner

Lucas Teschner / Gärtner

Holger Bartz

Kevin Vollmann / Gärtner

Robert Cremer (bis Juni 2013)

Christin Wenke / Gärtnerin

Ronald Scheller

86

87

Budget 2013 / 2014

Ausgaben

Drittmittel 2013 / 2014

2013 TEUR

2014 TEUR

Grundfinanzierung

Einnahmen nach Zuwendungsgeber

2013 TEUR

%

2014 TEUR

%

Personalausgaben

6.251

6.424

Bund

74

3

54

2

Sachausgaben

3.654

3.428

DFG/ NV

298

13

378

16

656

569

DFG/ SFB

308

14

368

16

DFG/ SPP

143

6

239

10

Zuweisungen/ Zuschüsse Investionen davon EFRE-Mittel Zwischensumme

2.822 549 13.383

2.092 113

Sachausgaben Investionen Zwischensumme

EU

12.513

Das IPB wurde im Jahr 2014 aus

Drittmittelfinanzierung Personalausgaben

DFG/ Era Net

1.460

1.463

301

306

30

238

1.791

2.007

Sonstige Mittel

der Bund-/Länderfinanzierung mit Zuwendungen in Höhe von 14.047 TEUR gefördert (2013:

den für das Jahr 2014 im Umfang von 2.300 TEUR eingeworben (2013: 2.247 TEUR).

107

143

Sachausgaben

177

39

Zusätzlich standen 2014 sonsti-

9

5

ge Einnahmen (Vermietungen,

293

187

15.467

14.707

Zwischensumme

Gesamtsumme

0

48

2

13

122

5 29

Land

210

9

656

Leibniz-Wettbewerb

440

20

56

2

69

3

112

5

Sonstige (DAAD, Stadt Halle, Mitgliedsbeiträge) Stiftungen

74

3

132

6

Wirtschaft

345

15

135

6

2.247

100

2.300

100

13.414 TEUR). Drittmittel wur-

Personalausgaben

Investionen

0 286

Zwischensumme Kassenbestand Vorjahr

Gesamtsumme

504

455

2.751

2.755

Lizenzen, u.a.) in Höhe von 65 TEUR (2013: 85 TEUR) sowie Kassenreste aus dem Vorjahr zur Verfügung.

Investitionen

2013 TEUR

2014 TEUR

Geräteinvestitionen gesamt davon institutionell davon EFRE-Mittel davon sonstige Mittel

2.456 2.447 411 9

1.805 1.800 79 5

Bauinvestitionen gesamt davon institutionell davon EFRE-Mittel davon Fluthilfefonds

Summe

88

405 375 138 30

530 292 34 238

2.861

2.335

DAAD

Deutscher Akademischer Austauschdienst

DFG/ NV

Normalverfahren der DFG

DFG/ SFB

Sonderforschungsbereich der DFG

DFG/ SPP

Schwerpunktprogramm der DFG

DFG/ Era Net

Zusammenarbeit zwischen nationalen und regionalen Forschungsförderorganisationen bzw. Programmagenturen

EU

Europäische Union

Land

Bundesland Sachsen-Anhalt

89

Nationale und internationale Forschungsverbünde Mitwirkung des IPB als Koordinator oder Partner

in diesem Bereich zu setzen und zu fördern. Ansprechpartner am

Wittenberg, das IPK Gatersleben und das IPB. Mitarbeiter des IPB

IPB: Dr. Steffen Neumann

sind an drei Teilprojekten beteiligt.

SOLUTIONS: Solutions for present and future emerging pollu-

RADAR – Research Data Repositorium

tants in land and water resources management

lung und Etablierung einer Infrastruktur

das mit neuen Methoden, Modellen und

für die langfristige und nutzbare Archivierung von Forschungs-

Folgende drittmittelfinanzierte Forschungsverbundprojekte

bury Laboratory, Cambridge University (Großbrittanien) und die

Instrumenten die Aufstellung von zukünftigen Richtlinien für

daten verschiedener Fachbereiche. Das IPB ist maßgeblich an

werden vom IPB koordiniert oder wurden vom IPB mit gegrün-

Latvia University of Agriculture (Jelgava, Litauen).

Wasser und Umweltschutz unterstützen will. Das Ziel ist es, Lö-

der Entwicklung eines fachübergreifenden Metadatenschemas

sungen für den Schutz der europäischen Gewässer vor gefährli-

beteiligt und überprüft anhand von eigenen NMR-Daten in Test-

chen Chemikalien zu entwickeln. Das Konsortium besteht aus 39

läufen die Funktionalität des Systems während der gesamten

det. ERA-CAPS: H.I.P. - Homöostase von Isoprenoiden in Pflanzen

1. Leibniz-Projekte

Lokalisation und Transport von Isoprenoiden

Organisationen aus 17 Ländern und wird vom Helmholtz-Zent-

Entwicklung. Neben dem IPB ist die Technische Informationsbi-

Leibniz Research Cluster (LRC): Bio-/ Synthetische multifunk-

in verschiedenen Zellkompartimenten ste-

rum für Umweltforschung (UFZ) koordiniert. Ansprechpartner

bliothek (TIB) Hannover, das Leibniz-Institut für Informationsin-

tionale Mikro-Produktionseinheiten - Neuartige Wege zur

hen im Fokus dieses Verbundes. Die Erfor-

am IPB: Dr. Steffen Neumann und Christoph Ruttkies

frastruktur (FIZ) Karlsruhe, das Karlsruher Institut für Technologie

Wirkstoffentwicklung

schung der Isoprenoide erfolgt anhand von

(KIT) und die Fakultät für Chemie und Pharmazie der Ludwig-

2. BMBF-Projekte

In diesem Leibniz Research Cluster fin-

glandulären Trichomen aus Kultur-, Modell-

den sich Wissenschaftler aus fünf Leib-

und Wildpflanzen. Isoprenoide spielen als Vorläufer der pflanz-

Biohealth: Pflanzliche Biodiversität Indonesiens und mensch-

Ansprechpartner am IPB: Dr. Filipe Furtado, Dr. Andrea Porzel

niz-Instituten zusammen, um ihre Exper-

lichen Terpenoide nicht nur für die Pflanze eine wichtige Rolle;

liche Gesundheit

und Prof. Ludger Wessjohann.

Maximilian-Universität in München am RADAR-Projekt beteiligt.

tise zu bündeln und an biotechnolo-

sie werden auch vom Menschen als Pharmazeutika, Duft- und

Ziel des Projektes ist es, natürliche Sub-

gischen Methoden für die Produktion von Wirkstoffen zu for-

Aromastoffe, Insektizide oder Spezialchemikalien genutzt. Ziel

stanzen in indonesischen Pflanzen und

DFG Graduiertenkolleg 1591 – Posttranscriptional control of

schen. Der LRC wird bis 2020 vom Bundesministerium für

des Projektes ist es, die Produktion industriell relevanter Iso-

Pilzen zu finden, deren antiinfektive Wir-

gene expression: mechanisms and role in pathogenesis

Bildung und Forschung im Rahmen der Initiative Nächste

prenoide innerhalb der Pflanze zu steigern. Die Partner des IPB

kung sie zu potentiellen Kandidaten für

Im Rahmen des GRK 1591 erhalten

Generation biotechnologischer Verfahren - Biotechnologie 2020+

sind das Volcani Center ARO (Israel), die Université catholique

die Entwicklung neuer Arzneimittel macht. Das Projekt wird für

im Schnitt etwa 12 Stipendiaten von

mit 5,5 Millionen Euro gefördert, dem ein analoger Beitrag der

de Louvain (Belgien) und die Universität Amsterdam (Nieder-

3 Jahre vom BMBF gefördert. Kooperationspartner und Koordina-

Wissenschaftlern der Martin-Luther-

Leibniz-Institute gegenübersteht. Beteiligt am Verbundprojekt

lande). Ansprechpartner: Prof. Alain Tissier

tor ist die Universität Leipzig. In Indonesien erfolgt eine Zusam-

Universität und des IPB eine inter-

menarbeit mit dem Indonesischen Institut für Wissenschaften

disziplinäre Betreuung bis zur Pro-

sind neben dem IPB das Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie (HKI) als Sprecher des LRC, das

Wichtiger Partner ist das IPB an folgenden drittmittelfi-

(LIPI) und der Landwirtschaftlichen Universität Bogor. Ansprech-

motion. Die Themenfelder decken

Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften (ISAS) in

nanzierten Forschungsverbundprojekten

partner IPB: Prof. Ludger Wessjohann

biochemische bis zellbiologische

(IPF) und das Leibniz-Institut für Neue Materialien (INM) in

1. EU-Projekte

3. DFG-Projekte

Pflanzenforschung ab. Das IPB ist unter Leitung von Dr. Selma

Saarbrücken. Ansprechpartner: Prof. Ludger Wessjohann und

PhenoMeNal: Eine umfassende und standardisierte E-Infra-

Schwerpunktprogramm SPP1374 - Biodiversitätsexploratorien:

Gago Zachert mit einem Projekt am Graduiertenkolleg beteiligt.

Danilo Meyer

struktur für die Analyse von medizinischen Stoffwechsel-Phä-

BE LOW – Analyse von Wurzel-Merkmalen zum Testen von Um-

notypdaten

weltfiltern und Nischen-Komplementarität in Grünland-

DFG Graduiertenkolleg 1026 – Konformationsumwandlungen

Gesellschaften

bei makromolekularen Interaktionen

Aspekte von der Krebs- bis zur

Dortmund, das Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden

einer

In den nächsten zehn Jahren wird die

gesellschaftlichen Herausforderung durch neue Wege in der

Genombestimmung für eine be-

Das Projekt BE LOW geht der Frage nach, in

Ziel des GRK 1026 ist es, die Beziehung zwischen Proteinfal-

Identifizierung, Gewinnung und Anwendung von Naturstoffen

trächtliche Anzahl der 500.000.000

welcher lokalen Nachbarschaft bzw. Pflanzen-

tung und Proteinfunktion besser zu verstehen. Da nur korrekt

Das Ziel dieses Projekts ist die Untersuchung der Wirkung von

EU/EWR-Bürger routinemäßig durch-

gemeinschaft eine neu ankommende Art am besten wachsen

gefaltete Proteine richtig funktionieren, werden spontane oder

Johanniskraut auf Alzheimer-Demenz und andere neurodege-

geführt werden. Verbunden mit der

kann. Dafür soll die Zusammensetzung von Wurzelexsudaten

enzymatisch gesteuerte Faltungsprozesse auf biophysikali-

nerative Alterserkrankungen. Das Projekt wird im Rahmen des

Erhebung von Stoff wechsel-Daten

verschiedener Pflanzen eines Standortes analysiert werden.

scher, biochemischer und zellbiologischer Ebene untersucht.

Leibniz-Wettbewerbs von der Leibniz-Gemeinschaft für 3 Jahre

bildet dies die Basis einer personalisierten Medizin. Die Erhe-

Wurzeln haben die Fähigkeit unterschiedliche Signalstoffe ins

13 Gruppen von verschiedenen Abteilungen der MLU Halle-Wit-

gefördert. IPB-NWC ist Hauptantragsteller und Koordinator des

bung solcher Daten stellt dramatische Anforderungen an das

Erdreich abzugeben, um nützliche Mikroorganismen anzuziehen

tenberg arbeiten im GRK zusammen. Zwei Gruppen des IPB

Projekts. Die Partner sind die Universität Oslo, das IPK Gaters-

biomedizinische Datenmanagement und die Rechenkapazitäten

und Schädlinge zu vertreiben. Diese in ihrer Summe als Exsudat

(Dr. Nico Dissmeyer und Prof. Steffen Abel) sind als assoziierte

leben, die TU Braunschweig und die Universität Halle-Witten-

in Europa. PhenoMeNal wird dafür eine datenschutzkonforme

bezeichneten Substanzen werden qualitativ und quantitativ un-

Mitglieder am GRK 1026 beteiligt.

berg. Ansprechpartner: Dr. Katrin Franke und Prof. Ludger

und nachhaltige E-Infrastruktur schaffen. Das Projekt wird von

tersucht. Mithilfe dieser Daten soll u.a. getestet werden, ob die

Wessjohann

der Europäischen Kommission im Rahmen von Horizont 2020

statistische Wahrscheinlichkeit des Miteinander-Vorkommens

4. German Israel Foundation for Scientific Research and Development

gefördert und von 13 Partnern aus sieben verschiedenen

von Pflanzenarten in einem spezifischen Lebensraum vorhersag-

Untersuchung der Calcium-vermittelten Signaltransduktion bei der pflanzlichen Immunantwort

Johanniskraut

gegen

Alzheimer

–

Begegnung

2. ERA-Net-Projekte der EU

Ländern durchgeführt. Koordinator ist das European Molecular

bar ist. Die Partner in diesem Projekt sind neben dem IPB die MLU

ERA-SynBio: SmartPlant - Entwicklung von synthetischen re-

Biology Laboratory (EMBL-EBI) in Hinxton, UK. Ansprechpartner

Halle-Wittenberg und das Deutsche Zentrum für integrative

Ziel des Projekts ist es, die Calcium-

gulatorischen Netzwerken in Pflanzen

am IPB: Dr. Steffen Neumann

Biodiversitätsforschung (iDiv, Halle, Jena, Leipzig). Ansprech-

vermittelten zellulären Prozesse der

Das Ziel des SmartPlant-Konsortiums unter der Koordination von

90

Ziel des RADAR- Projekts ist die Entwick-

SOLUTIONS ist ein EU-Verbundprojekt,

partner am IPB: Prof. Dierk Scheel.

pflanzlichen Immunantwort zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser Forschung werden langfristig

COSMOS: COordination of Standards in MetabOlomicS

Prof. Alain Tissier ist die Entwicklung von Pflanzen mit verbes-

Das Ziel dieses von der Europäischen

DFG Sonderforschungsbereich 648: Mole-

dazu beitragen, die Krankheitsresistenz von Pflanzen zu ver-

serter Stressresistenz oder einer erhöhten Produktion von

Kommission geförderten Projekts ist

kulare Mechanismen der Informationsver-

bessern. Das IPB beteiligt sich gemeinsam mit der Universität

hochwertigen und schützenden Verbindungen. Dabei kommen

es, den freien und offenen Austausch

arbeitung in Pflanzen

von Tel Aviv, Israel (Koordinator) und der Freien Universität

die Deregulierung von Biosynthesewegen und weitere Strate-

von Daten im Bereich Metabolomics zu ermöglichen. Es werden

Ziel des SFB 648 ist die Aufklärung des In-

Berlin an dem Projekt, das von der German-Israeli Foundation

gien des Metabolic Engineering zum Einsatz. Die Partner in

die Aktivitäten von 14 Partnern durch das EMBL European Bioin-

formationstransfers zwischen Pflanzen und

for Scientific Research and Development gefördert wird. An-

diesem ERA-Net -Projekt sind das IPB (Koordinator), das Sains-

formatics Institute koordiniert, um gemeinschaftliche Standards

Pathogenen. Beteiligt sind die MLU Halle-

sprechpartner am IPB: Prof. Dierk Scheel und Dr. Justin Lee.

91

Nationale und Internationale Forschungsnetzwerke Das IPB ist aktuell an folgenden nationalen und internationa-

Aromastoffen als Alternative zur Pflanzenextraktion oder zur syn-

Leibniz-Forschungsverbund Biodiversität

len wissenschaftlichen Netzwerken beteiligt:

1. Regionale Netzwerke

Die dramatische Veränderung der biologi-

thetischen Produktion zu entwickeln. Ansprechpartner: Prof.

schen Vielfalt ist eine der größten gesell-

Ludger Wessjohann

Computational Mass Spectrometry Initiative (CompMS)

schaftlichen Herausforderungen. Es gilt, die

WissenschaftsCampus Halle – Pflanzenbasierte Bioökonomie

Ziele der Biodiversitätsabkommen mit den oft

Der WissenschaftsCampus Halle

konkurrierenden Zielen der Klima-, Energie-, Landwirtschafts-

verbindet seit 2012 vier Leibniz-In-

und Wirtschaftspolitik in Einklang zu bringen. Der Leibniz-For-

Pflanzen produzieren

Software-Entwicklungen für die Analyse von Massenspektrome-

stitute der Region (IPB, IAMO, IPK

schungsverbund Biodiversität bündelt die Kompetenzen von 22

eine große Anzahl von

trie-Daten. Dabei sollen die Lücken zwischen Proteomik, Metabo-

und IWH) mit den thematisch korrespondierenden Fachberei-

Leibniz-Einrichtungen aus verschiedenen Disziplinen für den Be-

Natur- und Wirkstoffen,

lomik und anderen Bereichen, in denen die Massenspektrome-

chen und An-Instituten der Martin-Luther-Universität. Das Thema

reich Biodiversitätsforschung. Ansprechpartner: Dr. Norbert Ar-

aber leider oft in nur

trie eine zentrale Stellung hat, überbrückt werden.

ist die pflanzenbasierte Bioökonomie, also die nachhaltige indus-

nold Leibniz-Forschungsverbund Lebensmittel und Ernährung

tigen Pflanzenstoffen, und die damit verbundenen sozioökono-

Der Leibniz-Forschungsverbund Lebensmit-

mischen Aspekte. Der WCH wird von der Leibniz-Gemeinschaft

tel und Ernährung stellt sich den Herausfor-

und dem Land Sachsen-Anhalt gefördert. Im Rahmen des WCH wird die Nachwuchsgruppe von Dr. Nico Dissmeyer finanziert. Prof. Ludger Wessjohann ist einer der Sprecher des WCH.

Das Ziel der CompMS Initiative ist die Koordination von

High Value Products (FA 1006)

sehr kleinen Mengen. Das Ziel der COST Action PlantEngine ist

trielle Produktion, Verarbeitung und Nutzung von pflanzlichen Ressourcen mit Schwerpunkt auf Nahrungsmittel und hochwer-

COST Action: PlantEngine - Plant Metabolic Engineering for

es, die Biosynthese von wertvollen Stoffen in der Pflanze durch

5. Chemie-Netzwerke

gezielte Modifizierung der Pflanzen zu optimieren. Ansprech-

Verbund Cluster Biokatalyse 2021

partner: Prof. Ludger Wessjohann und Dr. Sylvestre Marillonnet

Das Ziel des Clusters Biokatalyse

derungen einer komplexen Welt, in der die

COST Action: STREAM - STRigolactones Enhance Agricultural

rung von Forschungsergebnissen

Lebensmittelproduktion und gesunde Ernäh-

Methodologies (FA 1206)

entlang der gesamten Wertschöp-

2021 ist es, die Kommerzialisie-

rung stark von knappen Ressourcen, klimatischen Bedingungen

Die COST Action STREAM ver-

fungskette (vom Enzymscreening

und dem Umgang mit der Natur abhängen. Entlang der Wert-

bindet europäische Forschungs-

über die Produktion und das Downstream-Processing bis zum Endprodukt) zu ermöglichen.

Deutsches Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv)

schöpfungskette verknüpft der Verbund 14 Leibniz-Institute und

aktivitäten zu der Pflanzenhor-

Das iDiv wurde als Drehscheibe der interna-

schafft auf diese Weise ein Disziplin-übergreifendes Wissen-

mongruppe der Strigolaktone.

tionalen Biodiversitätsforschung im Jahr

schaftsnetzwerk. Ansprechpartner: Prof. Steffen Abel

Diese Hormone beeinflussen die Pflanzenmorphologie und die

ChemBioNet

2012 von den Universitäten in Leipzig, Jena und Halle sowie dem

Bodenqualität und sind daher von großem Interesse für eine

ChemBioNet ist ein Netzwerk für

Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (Leipzig, Halle, Magde-

nachhaltige Landwirtschaft. Ansprechpartner: Dr. Michael H.

Ressourcen im Bereich der che-

Walter.

mischen Biologie. Die interdiszi-

burg als DFG-Forschungszentrum initiiert. Das Forschungsziel ist

3. EU-Netzwerke

die Förderung theoriebasierter Synthese und datenorientierter

EU-OPENSCREEN

Theoriebildung in den Biodiversitätswissenschaften.

plinäre, offene Plattform für die Ziel von EU-OPENSCREEN ist die

COST Action: PROTEOSTASIS - European network to integrate

systematische Anwendung von

Entdeckung von neuen Wirkstof-

research on intracellular proteolysis pathways in health and dis-

kleinen Molekülen dient dazu, biologische Systeme besser er-

ease (BM1307)

forschen zu können.

Interdisziplinäres Zentrum für Nutzpflanzenforschung (IZN)

fen in allen Bereichen der Lebenswissenschaften durch Zugang

Das IZN bündelt die in der Region entwickelten beachtlichen

zu den neuesten Technologien, Ressourcen und Expertisen. Die

Die COST Action PROTEOSTASIS

Ressourcen von Agrar- und molekularen Biowissenschaften und

Initiative unterstützt die lebenswissenschaftliche Forschung in

verbindet Wissenschaftler auf

vereint Gruppen der MLU Halle-Wittenberg, des IPK Gatersleben,

Europa und die Umsetzung der Ergebnisse in medizinische, land-

dem Gebiet der Proteinhomöos-

des IPB und des Julius-Kühn-Instituts, dem Bundesforschungsin-

wirtschaftliche, bioindustrielle und gesellschaftliche Anwendun-

tase aus nahezu allen Ländern

stitut für Nutzpflanzen in Quedlinburg (JKI). Gefördert werden

gen.

Europas. Ziel ist es, die Anwen-

Forschungsprojekte an Nutzpflanzen, die sich auf Grundlagenund Anwendungsebene mit den landwirtschaftlich relevanten

dung und Entwicklung von Methoden und Produkten mit klinischer und (bio)ökonomischer Bedeutung voranzutreiben. An-

EPSO — European Plant Science Organisation

Themen Resistenz gegen biotischen Stress und Toleranz gegen

EPSO ist eine unabhängige wissenschaftliche Or-

sprechpartner: Dr. Luz Irina A. Calderón Villalobos, Dr. Nico

abiotischen Stress beschäftigen.

ganisation, die mehr als 226 Forschungsinstitute

Dissmeyer und Dr. Marco Trujillo

und Universitäten aus 30 Ländern verknüpft.

2. Leibniz-Forschungsverbünde

EPSOs Auftrag ist es, den Einfluss und die Sichtbarkeit der

Leibniz-Forschungsverbund Wirkstoffe und Biotechnologie

Pflanzenforschung in Europa zu stärken.

4. Bioinformatik-Netzwerke

Medizinischer Fortschritt, die Sicherung

92

MassBank

landwirtschaftlicher Produktion und eine

COST Action: Bioflavour - New biocatalysts and novel molecu-

Das IPB ist Mitglied des

gesunde Ernährung und Körperpflege sind

lar mechanisms (FA 0907)

MassBank Konsortiums, der

ohne die Entwicklung von Wirkstoffen nicht

Die COST

ersten offenen Datenbank für

vorstellbar. Der Verbund Wirkstoffe und Biotechnologie wurde

Action Bio-

Referenzspektren. Diese Datenbank ist eine wertvolle Ressource

2012 auf Initiative des IPB ins Leben gerufen und bündelt mit 17

flavour ver-

beteiligten Leibniz-Instituten die innerhalb der Gemeinschaft

bindet die europäische Forschung zur natürlichen Produktion

Entwicklung

breit angelegte Forschung zu Molekülen mit biologischer

von Duft- und Aromastoffen in Hefe. Das Ziel ist es, eine umwelt-

metrischer Methoden und Modelle. Ansprechpartner: Dr. Steffen

Wirkung. Ansprechpartner: Prof. Ludger Wessjohann

freundliche, effiziente und natürliche Produktion von Duft- und

Neumann

für die Metabolomforschung und liefert Daten für die neuer

computergestützter

massenspektro-

93

Gastwissenschaftler/innen und Stipendiat(inn)en *

Abteilung Molekulare Signalverarbeitung Ranju Chutia, Indien Erasmus-Mundus-Stipendiatin 06.10.2014 – 30.09.2017

Dinesh Dhurvas Chandrasekaran, Indien

Khaled Alkassem, Syrien

Prof. Jens Pahnke, BRD

Christin Fellenberg, BRD

DAAD-Stipendiat 01.05.2014 – 19.07.2014 18.08.2014 – 31.03.2015

01.11.2014 – 31.12.2017

01.04.2013 – 30.06.2013

Cristiane Pereira, Brasilien

Anna Kulma, Polen

CAPES-Stipendiatin 10.06.2013 – 28.03.2014

Stipendiatin, Uni Breslau 23.09.2014 – 22.12.2014

Daniel Rampon, Brasilien

Yulong Li, China

Dr. Tatiana Bilova, Russland 04.02.2014 – 31.05.2014

DFG-Stipendiat 01.07.2010 – 30.09.2013

Dr. Danstone Baraza, Kenia

Mitra Dipannita, Indien

DAAD-Stipendiat 02.08.2012 – 31.01.2013

DAAD-Stipendiatin 30.09.2013 – 30.09.2015

Upendo Ernest Cheya, Tansania

CNPq-Stipendiat 12.09.2012 – 28.02.2013

Bruno Ravanello, Brasilien

08.07.2014 – 17.09.2014

CNPq-Stipendiat 11.09.2014 – 31.08.2017

04.12.2013 – 30.03.2015

Dr. Roberta Drekener, Brasilien

Dr. Saadeldin Shaaban, Ägypten

Susanne Höpfner, BRD

FAPESP-Stipendiatin 01.11.2013 – 31.10.2014

DAAD-Stipendiat 29.03.2013 – 29.09.2013

Stipendiatin, GRK 05.11.2014 – 30.04.2015

Dr. Mohamed Farag, Ägypten

Tiago da Silva, Brasilien

Daniel Elias, BRD

Philipp Janitza, BRD 01.01.2013 – 30.06.2013

Somnath Koley, Indien Erasmus-Mundus-Stipendiat 03.11.2014 – 31.12.2017

Esmeralda Marti Sanchis, Spanien 01.08.2013 – 31.08.2013

Shiv Meena, Indien Erasmus-Mundus-Stipendiat 07.10.2014 – 31.12.2017

Christian Noah, BRD 04.12.2013 – 31.03.2015

Dr. Silke Richter, BRD 01.01.2013 – 31.03.2013

Ahmed Romel, Bangladesch DAAD-Stipendiat 19.03.2012 – 30.09.2015

Katja Seidel, BRD

01.10.2010 – bis auf Weiteres

Dr. Diana Weier, BRD 01.02.2013 – 31.01.2014

Heena Yadav, Indien Stipendiatin Erasmus-Mundus 07.10.2014 – 31.12.2017

Serge Alain Fobofou Tanemossu, Kamerun

CNPq-Stipendiatin 11.09.2014 – 31.08.2017

DAAD-Stipendiat 03.04.2012 – 31.03.2014

Nadja Sonntag, BRD

Dr. Katrin Franke, BRD 01.09.2013 – 31.08.2014

01.11.2013 – 31.12.2014

Unabhängige Nachwuchsgruppen Frederik Faden, BRD

Dr. Boris Tolkachev, Russland

Stipendiat Graduiertenkolleg 01.10.2011 – 31.03.2014

18.08.2014 – 01.04.2015

Dr. Andrej Frolov, Russland 15.10.2012 – 30.12.2013

Ricardo Wanderley Neves Filho, Brasilien

Dr. Zoila Gandara, Spanien

CNPq-Stipendiat 08.06.2011- 31.03.2014

Amina Msonga, Tansania DAAD-Stipendiatin 29.09.2010 – 31.12.2013

Abteilung Stress- und Entwicklungsbiologie Manaswita Baruah, Indien

Chelsea Harmon, USA

Erasmus-Mundus Stipendiatin 07.10.2014 – 31.12.2017

DAAD-Stipendiatin 16.05.2014 – 19.08.2014

Ingo Hofmann, BRD

Stipendiatin der Studienstiftung des dt. Volkes 01.07.2010 – 31.05.2013

Myint Myint Khine, Myanmar

Stipendiatin Graduiertenkolleg 01.10.2011 – 31.03.2014

Pavel Reichman, Tschechien DAAD-Stipendiat 01.10.2014 – 31.12.2016

Nadine Küster, BRD 10.01.2011 – 31.07.2014

Dr. Stephan Schmidt, BRD 01.10.2014 – 31.03.2015

Tamara Krajnovic, Montenegro

DAAD-Stipendiat 01.10.2012 – 31.03.2014

Dr. Danijela Maksimovic-Ivanic, Serbien

DAAD-Stipendiatin 24.03.2014 – 26.07.2014

15.10.2010 – 31.12.2016

DAAD Stipendiatin 02.10.2014 – 30.11.2014

DAAD-Stipendiatin 14.10.2014 – 13.11.2014

Cecilia Martinez, Mexiko

Christin Naumann, BRD

01.10.2014 – 31.12.2014

15.07.2013 – unbefristet

CAPES-Stipendiat 08.07.2014 – 31.03.2015

Prof. Dieter Strack, BRD

Nalin de Seixas Borges, Brasilien

Prof. Dr. Claus Wasternack, BRD

Ricardo Affeldt, Brasilien

Stipendiat Conacyt Mexico 02.09.2013 – 31.08.2014

08.02.2012 – 31.12.2014

Dr. Claudia Flügel, BRD

Ramona Heinke, BRD

Stipendiat National Plant Science 26.06.2014 – 05.08.2014

Dr. Humberto Medina, Spanien

CNPq-Stipendiat 18.04.2013 – 31.12.2013

16.01.2013 – 14.01.2014

01.01.2013 – 31.03.2013

Abteilung Natur- und Wirkstoffchemie Dr. Nael Abutaha, Saudi-Arabien

Stipendiat, China Scholarship Concil 13.09.2013 – 31.12.2014

Arsheed Hussain Sheikh, Indien

01.04.2014 – 30.04.2014

Abteilung Stoffwechsel- und Zellbiologie Dominic Brauch, BRD

Dr. Sanja Mijatovic, Serbien

01.10.2012 – 16.12.2013

01.04.2014 – 30.04.2014

* mit mindestens vier Wochen Aufenthalt am IPB

94

95

Presse- und Öffentlichkeitsarbeit Sylvia Pieplow Assistenz: Sylvia Siersleben

Die Jahre 2013 und 2014 waren reich an

ten und mit großem Interesse wahrge-

Wissenschaftler als Botschafter des IPB

re jung, lieferte eine beeindruckende 3-

Eine weitere Konferenz von Doktoranden

zu einem der fünf strategischen Zukunfts-

öffentlichkeitswirksamen Ereignissen. Vie-

nommen.

Die dritte internationale Konferenz der

Minuten-Show vor internationalem Publi-

für Doktoranden wird seit gut 20 Jahren,

märkte des Landes Sachsen-Anhalt.“

Global Young Academy (GYA) fand am

kum und einer hochkarätigen Jury. Die

alternierend von Gruppen aus Leipzig,

le Mitarbeiter wirkten auf verschiedenen Ebenen mit, um die Strahlkraft des Insti-

Die landespolitische Sprecherin der SPD,

15.-18.05.2013 in der Leopoldina in Halle

Falling Walls Lab findet seit 2009 jedes

Zürich, Würzburg, Bayreuth, Jena und Hal-

Die Abschlusskonferenz des von der Euro-

tuts zu erhöhen. Hier ein thematisch-chro-

Dr. Katja Pähle, besuchte am 22.04.2013

statt. Dr. Mohamed Farag nahm als frisch

Jahr am 8. November in Berlin statt. Sie

le ausgerichtet: der Doktorandenwork-

päischen Kommission geförderten Koo-

nologischer Abriss:

das Institut, um sich über aktuelle For-

nominiertes Mitglied daran teil und reprä-

bildet den Auftakt zur Falling Walls Con-

shop Naturstoffe. 2014 lag die Organisa-

perationsoprojektes Bionexgen fand am

schungsvorhaben zu informieren. Disku-

sentierte damit nicht nur das IPB, sondern

ference am kommenden Tag, die anläss-

tion und Ausrichtung wieder beim IPB.

02.-04.12. 2013 in Brüssel statt. Das Mee-

Artikel im Zweiwochentakt

tiert wurden auch wissenschaftspolitisch-

auch sein Heimatland Ägypten und ganz

lich des Jahrestages zum Mauerfall die

Die etwa 120 Teilnehmer aus Deutschland

ting hatte gleichzeitig den Charakter ei-

Die Präsenz des IPB in den Medien war in

strategische Fragen.

Afrika. Farag forschte als Humboldt-Sti-

Mauern in Köpfen einreißen will. Dafür

und der Schweiz trafen sich am 09.05. im

ner Informationsveranstaltung für die Öf-

pendiat an Wirkstoffen aus Hopfen, Süß-

werden jedes Jahr 20 der weltweit führen-

Leibniz-Institut für Agrarentwicklung und

fentlichkeit, vornehmlich für EU-Politiker.

den Jahren 2013/2014 gleichbleibend hoch. In beiden Jahren erschienen ins-

Am 05.09.2013 besuchte der ehemalige

holz und Johanniskraut. Aus seiner Arbeit

den Spitzenforscher in die Hauptstadt ein-

Transformationsökonomien (IAMO) zum

Für das IPB nahmen Martin Dippe, Stefa-

gesamt 41 Artikel in der Presse. Mehr als

Direktor und Leopoldina-Altpräsident

in Halle erwuchs eine fruchtbare Instituts-

geladen, um ihre aktuellen Durchbrüche

gemeinsamen Austauch über Alkaloide

nie Finsterbusch und Sylvia Pieplow da-

die Hälfte der Artikel (insgesamt 25) hat-

Benno Parthier gemeinsam mit alten Stu-

partnerschaft zwischen dem IPB und der

zu präsentieren und Lösungen für globale

und andere vielversprechende Wirkstoffe.

ran teil. Präsentiert wurden die Projekte

ten wissenschaftliche Themen im Fokus

dienkollegen das Institut. Der Rundgang

Universität Kairo, die für drei Jahre von der

Herausforderungen aufzuzeigen.

und erreichten ihr Publikum auf überre-

durch unsere Räumlichkeiten war nicht

Alexander-von-Humboldt-Stiftung geför-

gionaler Ebene.

nur für die Teilnehmer des Seminargrup-

dert wird. Inzwischen ist Dr. Farag Assis-

Veranstaltungen

konferenz wegen des Hochwassers nur in

Produktion von Phenylpropanoiden.

pentreffens ein Genuss; auch die Gastge-

tenzprofessor an der Pharmazeutischen

Plant Your Future war das Motto der 9.

sehr kleinem Rahmen stattfand, konnten

Zur Vernetzung von regionalen Akteuren

Führungen durchs Institut

ber hatten sehr viel Freude an diesem wa-

Fakultät der Universität Kairo.

Plant Science Student Conference, die

im letzten Jahr erstmals regionale Vertre-

aus Wissenschaft, Wirtschaft und Verwal-

Rund 75 Gäste besuchten das Institut zum

chen, interessiertem und stets frageb-

Die GYA wurde 2010 gegründet. Sie ver-

vom 28. bis 31. Mai 2013 im IPB stattfand.

ter aus Wissenschaft und Industrie zu die-

tung hat die Martin-Luther-Universität

Tag der Berufe am 20.03.2013, um sich

dürftigem Publikum.

steht sich als die Stimme junger Wissen-

Rund 90 Doktoranden aus dem IPB, dem

sem Meeting zusammenkommen. Die in-

(MLU) gemeinsam mit der Stadt Halle

schaftler auf internationalem Niveau.

IPK in Gaterleben und dem MPI in Jena

ternationale Bioökonomiekonferenz un-

2013 ein besonderes Veranstaltungsfor-

nahmen teil. Die Gastredner, Jonathan

ter dem Motto Bio meets Economy -

mat ins Leben gerufen: die transHAL. Die

über die Ausbildungsmöglichkeiten am IPB zu informieren. Die Resonanz auf die

Das Treffen des WeinbergCampus-Pres-

Veranstaltung war durchweg positiv. Der

sekreises fand am 13.06.2014 im IPB statt.

Als einer von 100 Jungforschern aus aller

Gershenzon vom MPI für Chemische Öko-

Science meets Industry fand am 22. und

2. Konferenz dieses Formats mit Vorträ-

Tag der Berufe findet auf Initiative der Bun-

Neben den Pressesprechern der umlie-

Welt durfte Serge Alain Fobofou Tane-

logie in Jena, Rainer Breitling von der Uni-

23. Mai 2014 in Halle statt. Organisiert

gen, Workshops und Rundtischgesprä-

desagentur für Arbeit deutschlandweit

genden An-Institute nahmen auch Vertre-

mossu auf der Falling Walls Lab Confe-

versität Manchester und Cyril Zipfel aus

wurde die Konferenz vom Wissenschafts-

chen fand am 28.10.2014 im IAMO statt.

einmal im Jahr statt. Ähnliche Schülerfüh-

ter der Stadt Halle und des International

rence am 08.11.2014 über seine Wirkstoff-

Norwich sorgten für scharfe Blicke über

Campus Halle (WCH), der 2014 positiv

Für das IPB war Sylvia Pieplow mit einem

rungen bot das Institut im Rahmen des Zu-

Office der MLU daran teil. Die Teilnehmer

suche in Heilpflanzen berichten. Sein Vor-

den Tellerrand; ebenso das Rahmenpro-

evaluiert wurde und als regionales Koope-

Stand präsent.

kunftstags am 24.04.2013 an.

zeigten sich beeindruckt von Umfang und

trag Breaking the wall of infection disea-

gramm im Botanischen Garten und in den

rationsprojekt weiter von der Leibniz-Ge-

Vielfalt der Pressearbeit am Institut. Disku-

ses ist auch im Netz unter http:// vimeo.

Meckelschen Sammlungen. Darüber hi-

meinschaft und dem Land Sachsen-An-

Am 03.07.2014 besuchten Wissenschafts-

Am 10.04.2013 war das IPB Gastgeber für

tiert wurden anschließend strategische

com/113487997 zu finden. In den Vorent-

naus gab es Vorträge, Poster und viele

halt gefördert wird. Sachsen-Anhalts Wis-

journalisten, Medienexperten und Lokal-

das jährliche Treffen der mitteldeutschen

Fragen zur besseren Sichtbarmachung

scheidungen wählte eine internationale

weitere zahlreiche Gelegenheiten für alle

senschaftsminister Hartmut Möllring be-

politiker das IPB und den gesamten Cam-

Dual-Career-Vereinigung. Auch hier wur-

des wissenschaftlichen Potentials der ge-

Jury von 888 Bewerbern die 100 Finalis-

Jungwissenschaftler, miteinander ins Ge-

tonte noch einmal die Bedeutung des

pus. Die Scienceseeing-Tour fand im Rah-

de ein Rundgang durchs Institut angebo-

samten Stadt.

ten aus. Ein jeder von ihnen, unter 35 Jah-

spräch zu kommen.

WCH: „Der Bereich Bioökonomie gehört

men des Nanospotfestivals statt, das seit

Serge Tanemossu auf der Falling Walls Lab im November 2014 in Berlin

Dinesh Dhurvas Chandrasekaran und Frederik Faden präsentieren das Logo der Plant Science Student Conference im Mai 2013

Zur Bionexgen-Tagung im Dezember 2013 in Brüssel

Sylvia Pieplow führt die Alt-Biologen der Studiengruppe des ehemaligen IPB-Direktors Benno Parthier im September 2013 durch’s Gelände. 96

der Abteilung NWC zur biokatalytischen Nachdem 2013 die erste Bioökonomie-

97

Medienpräsenz des IPB Artikel und Pressemeldungen 2013 25. Februar Walther, C. Schubkraft für Gründer durch Manager-Knowhow. Pressemitteilung der Leibniz-Gemeinschaft.

Wolfgang Brandt in seinem Element zur Scienceseeing-Tour am 3. Juli 2014.

Immer eine Augenweide: Das indische Lichterfest, hier im November 2013, hat am IPB schon Tradition.

2014 einmal jährlich in Halle ausgetragen

neut geladen hatten. Rund 100 Gäste aus

Bigband der Kreismusikschule Carl Loewe

wird. Mit seinem animierten 3D-Vortrag

aller Welt folgten der Einladung zu Tanz,

für Begeisterung.

konnte Wolfgang Brandt das Auditorium

Gesang und Gaumenfreuden. Auch diver-

von der Wirkstofffindung durch Protein-

se andere Doktorandenfeiern wie Hallo-

Sonstiges

modeling begeistern.

weenparty und Tischkickermeisterschaf-

Damit sich Neuankömmlinge und Fremde

ten haben mittlerweile schon Tradition

im Institut besser zurechtfinden, wurde

Einen Tag später, am 04.07.2014 ging es

am Institut. Das gilt auch für die jährlich

2014 von Sylvia Siersleben und Sylvia

zur Langen Nacht der Wissenschaft - im

von der Abteilung NWC organisierte

Pieplow ein Wegeleitsystem konzipiert

Vergleich zu den Vorjahren - eher be-

Rentnerweihnachtsfeier, die bei unseren

und umgesetzt.

schaulich zu am IPB. 273 Hallenser waren

Alumni sehr beliebt ist. Zum zweiten Mal in Folge hat das IPB im

gekommen, um sich, trotz des Viertelfi-

Frühjahr 2013 das Total-Equality-Prädikat

nales der Fußballweltmeisterschaft, im In-

Besonders hervorzuheben im Sinne der

stitut umzusehen. Sie besuchten das

Teambildung sind die jährlichen Instituts-

gewonnen. Familienfreundlichkeit, struk-

Institut vor allem aus genau jenem Grund:

feste für die gesamte Belegschaft. 2013

turierte Nachwuchsförderung, Engage-

Die Lange Nacht am IPB einmal ohne Ge-

zur IPB-Weihnachtsfeier formierte sich

ment im Dual-Career-Netzwerk und El-

dränge und Zeitdruck zu erleben. Der Plan

erstmals eine IPB-Combo mit Sängern

tern-Kind-Zimmer sind Aktivitäten, mit de-

ging auf. Die Veranstaltung war sowohl für

und Musikern aus allen Abteilungen. Die

nen das IPB bei der Jury punktete. Als Mit-

die Mitarbeiter als auch für die Gäste ein

präsentierte dem begeisterten Publikum

glied des Equalityteams (mit Kerstin

angenehm tiefschürfendes Erlebnis.

ein buntes Programm aus deutschen,

Balkenhohl, Claudia Haferung und Ker-

englischen und spanischen Weihnachts-

stin Manke) war Sylvia Pieplow für die

Feste

liedern. Die Texten wurden mit Power-

überzeugende Darstellung aller Gleich-

Bereits zum vierten Mal in Folge war das

point an die Wand projeziert, sodass alle

stellungsprojekte im Fragenkatalog zu-

IPB am 01.11.2014 Gastgeber des Diwali-

Mitarbeiter fleißig mitsingen konnten.

ständig und trug damit wesentlich zum

Lichterfestes in Halle, zu dem die indi-

Musikalisch ging es auch zum IPB-Som-

Gelingen der Bewerbung bei. Das Zertifi-

schen Studenten des IPB und der MLU er-

merfest am 11. 09.2014 zu. Hier sorgte die

kat gilt für drei Jahre.

26. Februar Henneberg, K. Biodiversitätszentrum iDiv richtet internationale Konferenz zu Vegetationsdatenbanken aus. Pressemitteilung des iDiv. 28. Februar Overmeyer, A. Metallionen regulieren den Terpen-Stoffwechsel in Insekten. Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Chemische Ökologie in Jena. 11. März Henneberg, K. Länderübergreifendes Berufungssymposium des iDiv in Leipzig. Pressemitteilung des iDiv. 15. März Walther, C. Jahrespressegespräch 2013 Leibniz-Gemeinschaft verstärkt Hochschulkooperation. Pressemitteilung der Leibniz-Gemeinschaft. 18. März Pieplow, S. Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie öffnet Türen zum Tag der Berufe. Pressemitteilung. 19. März Pieplow, S. Leibniz-Institut öffnet Türen. Mitteldeutsche Zeitung, S. 8. 26. März Höhne, S. Großversuch ohne Erfolg. Im Frühjahr wird es wohl keine Felder mit Gen-Pflanzen in Sachsen-Anhalt geben. Mitteldeutsche Zeitung S. 3. Höhne, S. Gentechnik – Pro und Kontra. Mitteldeutsche Zeitung S. 3. 19. April Henneberg, K. iDiv-Auftakt skizziert die Zukunftsaufgaben der Biodiversitätsforschung. Pressemitteilung des iDiv. Juni 2013 Valenzuela, J. Experto alemán destaca potencial del patrimonio fungico de boeques nativos. Panorama UdeC, Chile Walter, C. WissenschaftsCampus Halle: Pflanzenbasierte Bioökonomie. Leibniz auf dem Campus, S. 9.

Gerd Balcke erklärt die Funktionsweise des Massenspektrometers zur Langen Nacht der Wissenschaften am 4. Juli 2014.

Die frisch formierte IPB-Combo sorgte zur Weihnachtsfeier im Dezember 2013 für Stimmung und Begeisterung. Nach nur wenigen Proben präsentierte das Ensemble ein Programm mit Weihnachtsliedern aus aller Welt.

Schnee, R. From molecule to society. Erste internationale Bioökonomie-Konferenz des WissenschaftsCampus Halle. IPK Journal 22 (2013) 1, S. 20. 4. Juli Bank-Zillmann, M. Mit der Bachelorarbeit auf die Titelseite von Nature: SKWP-Forschungspreis der Universität Halle würdigt zwei Studenten. Pressemitteilung der Universität Halle (MLU). 23. Juli Walther, C. Leibniz setzt regional auf WissenschaftsCampi. Pressemitteilung der Leibniz-Gemeinschaft. 27. Juli Klabuhn, J. Pflanzen sind eben auch nur Tiere. Mitteldeutsche Zeitung, S. 16. 12. August Walther, C. WissenschaftsCampus Halle: „Pflanzenbasierte Bioökonomie“ – Bioökonomie als Schlüsselindustrie des 21. Jahrhunderts. Pressemitteilung der Leibniz-Gemeinschaft. 17. August Schippmann, A. Sachsen-Anhalts Pilz-Atlas. Bild, S. 9. 23. August Glowinsky, G. Strecke zum Laternenfest noch gesperrt. Mitteldeutsche Zeitung, S. 8. 10. September Bank-Zillmann, M. Proteinforscher beraten über weitere Profilierung des Biotechnologie-Standorts Halle – Tagung am 17. und 18. September. Pressemitteilung der MLU. 13. September Falgowski, M. Die Absicht, eine Mauer zu bauen. Mitteldeutsche Zeitung, S. 7. Möbius, J. Bitte frei machen. Kommentar. Mitteldeutsche Zeitung, S. 8. Oktober 2013 Walther, C. Sanduhr der embryonalen Entwicklung tickt auch bei Pflanzen. Jahresbericht der Leibniz-Gemeinschaft 2012/2013, S. 8. Walther, C. Leibniz-Forschungsverbund Wirkstoffe und Biotechnologie. Jahresbericht der Leibniz-Gemeinschaft 2012/2013, S. 25. Walther, C. Hochschulkooperationen. Infofoto. Jahresbericht der Leibniz-Gemeinschaft 2012/ 2013, S. 30/31.

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Medienpräsenz, Layout und Internet Walther, C.WissenschaftsCampus Halle: Pflanzenbasierte Bioökonomie. Jahresbericht der Leibniz-Gemeinschaft 2012/2013, S. 30/31. Bank-Zillmann, M. Bachelor-Arbeit wird Nature-Story. Scientia Halensis 4/2013, S. 30. 18. Oktober Löwe, K. Im Klima-Stress. Mitteldeutsche Zeitung, S. 16, Campusseite. 28. Oktober Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie. Begründung zur Prädikatsvergabe. Mit Chancengleichheit zum Erfolg, S. 22. 29. Oktober Pieplow, S. IPB erhält Prädikat zur Chancengleichheit. Pressemitteilung. 30. Oktober Pieplow, S. Gleiche Chancen. Wochenspiegel, S.1. 30. Oktober Pieplow, S. Leibniz-Institut für Chancengleichheit geehrt. Mitteldeutsche Zeitung, S. 8. 7. November Pausch, K. Lichter gegen alles Böse. Mitteldeutsche Zeitung, S. 14. 7. November Neubert, R. Arzneipflanzen Äthiopiens. Deutsche Apothekerzeitung (153) 45, S. 100. 8. November Walther, C. Leibniz-Gemeinschaft bündelt ihre Kompetenzen zur nachhaltigen Sicherung der biologischen Vielfalt. Pressemitteilung der Leibniz-Gemeinschaft.

Meldungen für Aktuelles 2013 11.03.2013 iDiv startet Berufungssymposium in Leipzig 13.03.2013 Leibniz-Gemeinschaft verstärkt Hochschulkooperationen 18.03.2013 Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie öffnet Türen und Labore zum Tag der Berufe

18.04.2013 Herzlichen Glückwunsch an Claus Wasternack! 17.05.2013 Dr. Mohamed A. Farag nimmt an der Konferenz der Global Young Academy in Halle teil 27.05.2013 Große Doktorandenkonferenz zur Pflanzenforschung am Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie 30.05.2013 Herzlichen Glückwunsch an Sabine Rosahl!

03.06.2013 Erste internationale Bioökonomie-Konferenz des WissenschaftsCampus Halle 05.06.2013 ACHTUNG: Bioökonomie-Konferenz des WissenschaftsCampus abgesagt! Verkürztes Programm am Freitag im IPB geplant. 06.06.2013 Hochwasser

02.12.2013 Neuaufnahme dreier wissenschaftlicher Institute in die Leibniz-Gemeinschaft

08.07.2013 Herzlichen Glückwunsch zum SKWP-Forschungspreis!

02.12.2013 Matthias Kleiner wird neuer Präsident der Leibniz-Gemeinschaft

10.07.2013 Gratulation zum Leibniz-DAAD-Stipendium und neuem interdepartmentellen Forschungsprojekt!

06.12.2013 Weihnachtsfeier im IPB

19.07.2013 IPB Xpress erfolgreich beim Mitteldeutschen Firmentriathlon

17.12.2013 Cofaktor bestimmt Kettenlänge 19.12.2013 Gottfried Wilhelm Leibniz - Der letzte Universalgelehrte

25.07.2013 Cantor-Schüler im Labor 25.07.2013 Leibniz setzt regional auf WissenschaftsCampi

22.08.2013 TOTAL E-QUALITY die Zweite - IPB erhält erneute Auszeichnung für Chancengleichheit

Juli 2013 Poster Evaluierung: 11 Stück

30.10.2013 Diwali 2013 am IPB – Indische Studenten feiern Lichterfest in Halle

18.06.2013 WeinbergKids – Neue Randzeitenbetreuung für Kinder auf dem Weinbergcampus

Layout und Druck 2013

Juni 2013 Geburtstagsmappe Claus Wasternack

29.10.2013 IPB erhält Prädikat zur Chancengleichheit

08.11.2013 Leibniz-Gemeinschaft bündelt ihre Kompetenzen zur nachhaltigen Sicherung der biologischen Vielfalt

9. Dezember Suske, K. Können spezielle Johanniskrautextrakte gegen Alzheimer helfen? Pressemitteilung des Universitätsklinikums Magdeburg.

April 2013 Scientific Report 2011/12

22.10.2013 Neue Sprecher sind gewählt

18.06.2013 ACHTUNG: Eingestürzte Mauer durch Flut!

02.08.2013 Eltern-Kind-Zimmer im IPB

März 2013 Anzeige Futureplan (Berufsausbildung)

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November 2013 Rollup-Poster IPB Poster für Bionexgen-Tagung in Brüssel Flyer NWC (Bionexgen)

14.08.2013 WissenschaftsCampus Halle - Bioökonomie als Schlüsselindustrie des 21. Jahrhunderts

11.09.2013 Proteinforscher beraten über weitere Profilierung des Biotechnologie-Standorts Halle - Tagung am 17. und 18. September 25.09.2013 Alle guten Dinge sind...? 27.09.2013 Herzlichen Glückwunsch an Dr. Carolin Delker!

Artikel und Pressemeldungen 2014 18. Januar Wätzold, J. Forscher heilen Alzheimer mit Johanniskraut. BILD Halle, S. 10. 11. Februar Falgowski, M. Bleibt Saaleweg noch zwei Jahre gesperrt? Mitteldeutsche Zeitung, S. 11. Falgowski, M. Zu lange Abstimmung. Kommentar. Mitteldeutsche Zeitung, S. 10. 20. Februar Razum, M., Neumann, J. & Hahn, M. RADAR – Ein Forschungsdaten-Repositorium als Dienstleistung für die Wissenschaft. Zeitschrift für Bibliothekswesen und Bibliographie 61, S. 18-27. 20. März Walther, C. Leibniz-Institute in Magdeburg, Halle, Berlin, Göttingen und Bremen positiv evaluiert. Pressemitteilung der Leibniz-Gemeinschaft.

25. März Pieplow, S. Grünes Licht für die Pflanzenforschung. Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie wurde erneut positiv evaluiert. Pressemitteilung. 1. April Pieplow, S. Wichtige Säule für Forschung bei Pflanzen. Mitteldeutsche Zeitung, S. 20, Hochschulseite. Mai 2015 Bellof, M. Waiting for a great break-through. GoingPublic Life Sciences 2/14 Industrial Biotechnology, S. 20-21. 21. Mai Sonntag, N. Nachhaltiges Wirtschaften – Internationale Bioökonomiekonferenz. Pressemitteilung des WissenschaftsCampus. 1. Juli Pieplow, S. Moleküle in 3 D. Pressemitteilung. 1. Juli Fuhrmann, C. Auf der Spur der Proteine. Mitteldeutsche Zeitung, S. 24, Campusseite 1. August Auf den Spuren der Pflanzenmedizin. Apothekenrundschau August 2014, Titelstory, S. 1016. 4. August Löwe, K. Der Weg nach oben. Die Argentinierin Selma Gago Zachert nutzt ein Programm des Leibniz-Instituts, das weibliche Führungskräfte stärkt. Mitteldeutsche Zeitung, S. 3, Mantelseite. 12. Oktober Rüschemeyer, G. Mörderische Doppelgänger. Frankfurter Allgemeine Sonntagszeitung 41, S. 56-57. 16. Oktober Wätzold, J. Mister Geiz vom Leibniz-Institut. BILD Halle, S.10. 29. Oktober Weg am Leibniz-Institut wird gesichert. Mitteldeutsche Zeitung, S. 7.

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Medienpräsenz, Layout und Internet

31. Oktober Pausch, K. Lichterfest mit Bollywood-Feeling. Mitteldeutsche Zeitung, S. 14. 5. November Schlüter, J. Durch die grüne Mauer. Infofoto. Mitteldeutsche Zeitung, S. 7. 9. November Halle MZ. Das Land der Wissenschaft. Mitteldeutsche Zeitung, Sonderbeilage zu 25 Jahre Mauerfall. S. 42-43. 11. November Fuhrmann, C. Umbrüche im Blick. Mitteldeutsche Zeitung, S. 20, Campusseite. 12. November Falgowski, M. Mauer im Fels verankert. Mitteldeutsche Zeitung, S. 9. 25. November Fuhrmann, C. Helfen mit Heilkräutern. Mitteldeutsche Zeitung, S. 20, Campusseite. 1. Dezember Sonntag N. Sachsen-Anhalt ist reif für nachhaltiges Wachstum in der Bioökonomie. Pressemitteilung des WCH. 19. Dezember Queitsch, C. Degrading new insights into temperature sensing in plants: Commentary. Cell press, www.cell.com

05.03.2014 Bio meets Economy - Science meets Industry

12.09.2014 Big Band heizt mit heißen Rhythmen ein

21.03.2014 Leibniz-Institute in Magdeburg, Halle, Berlin, Göttingen und Bremen positiv evaluiert

29.10.2014 Willkommen zum indischen Lichterfest

25.03.2014 Grünes Licht für die Pflanzenforschung

07.11.2014 Population Boom - Film und Informationsveranstaltung des WissenschaftsCampus Halle

26.03.2014 Wirkstofftage in Berlin

17.11.2014 Mit Pflanzen heilen

05.05.2014 Leibniz-Wirkstoff des Jahres gekürt

19.11.2014 Jahrestagung der Leibniz-Gemeinschaft vom 26. bis 28. November in Berlin

12.06.2014 Grünes Licht für Stipendiaten 01.07.2014 Moleküle tanzen in 3D 07.07.2014 Lange Nacht für Fußballmuffel 04.08.2014 Glückwunsch an Selma Gago Zachert 12.09.2014 IPB ist Mitglied im Vorstand der Metabolomics Society

01.12.2014 Sachsen-Anhalt ist reif für nachhaltiges Wachstum in der Bioökonomie 11.12.2014 Falling Walls Lab – Wissenschaft reißt Mauern ein

Fernsehen 2014 Juni 2014 Beiträge zu Beilstein TV, Abteilung NWC

Layout und Druck 2014 Januar 2014 Anzeige Futureplan März 2014 Newsletter 3 2014 Juni 2014 Anzeige Studienführer der MLU Juli 2014 Poster zur Langen Nacht: 6 Stück September 2014 Flyer zum Gesundheitstag Oktober 2014 Poster zur Transhal Uni-Broschüre für ausländische Studenten

Meldungen für Aktuelles 2014 16.01.2014 Pflanzliche Immunantwort - Ubiquitin reguliert Abwehr 23.01.2014 Können spezielle Johanniskrautextrakte gegen Alzheimer helfen? 11.02.2014 Neues EU-Projekt - Trichome auf dem Vormarsch

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Impressionen und Impressum

Herausgeber Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie Weinberg 3 06120 Halle www.ipb-halle.de

Redaktion, Satz und Layout Sylvia Pieplow Presse- und Öffentlichkeitsarbeit Tel.: (0345) 5582 1110 Fax: (0345) 5582 1119 [email protected]

Fotos und Grafiken IPB

Titelfoto Jens Müller, IPB Eine unter Phosphatmangel wachsende Seitenwurzel durchbricht die epidermale Zelllage der Hauptwurzel und bildet eine Vielzahl von Wurzelhaaren auf der Suche nach dem Nährstoff (Färbung mit Propidiumiodid und Konfokal-Mikroskopie). Siehe auch AG Nutrient Sensing, S. 18-19.

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