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Beschreibung des Instituts |
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Forschungsthemen im Überblick
Molekulare Mechanismen der Kontrolle von Wachstum und Differenzierung in Pflanzen und Entwicklung von Methoden zur Untersuchung solcher Mechanismen; molekulare Basis von circadianen Rhythmen bei Pflanzen; Rolle der Modifikation von Proteinen durch Ubiquitin und SUMO in der Pflanzlichen Entwicklung (Coupland).
Pflanzliche Immunreaktionen; Zelltodkontrolle; pflanzliche Pathogenerkennung; Mechanismen der Gen-Aktivierung und -Reprimierung; systemisch erworbene Resistenz; niedermolekulare Abwehrsubstanzen; Integration biotischer und abiotischer Stress-Signale; (Schulze-Lefert).
Molekulare Analyse der Blüteninduktion und Molekulare Marker für Resistenz und Qualitätseigenschaften der Kartoffel, Biologie der Pflanzenarchitektur und Verzweigung der Sprosse, Genetik und Molekularbiologie des Wachstums unter Einfluss von Umweltfaktoren, Samenruhe, molekulare Populations- und Evolutionsbiologie (Koornneef).
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Beschreibung des Instituts
"Kann die derzeitige Pflanzenzüchtung in eine rationale und berechenbare Wissenschaft umgewandelt werden?" Diese Frage motiviert alle Forschungsprogramme am Institut. Wir möchten herausfinden, ob und wie detailliertes, an Modellpflanzen gewonnenes Verständnis von molekularen Mechanismen zu gezielten Merkmalsveränderungen von Nutzpflanzen eingesetzt werden kann.
In der Abteilung "Entwicklungsbiologie der Pflanzen" (Direktor: George Coupland) werden primär die molekularen Mechanismen studiert, wie Umwelteinflüsse die pflanzliche Entwicklung steuern. Das Hauptinteresse gilt dabei denjenigen Mechanismen, die den Übergang zur Blühphase in Reaktion auf Umweltreize und die vielfältigen Reaktionsmuster bei der Blütenbildung kontrollieren.
Die Mitarbeiter der Abteilung setzen dabei molekulargenetische, biochemische und zellbiologische Methoden bei der Modellpflanze Arabidopsis thaliana ein, um die Rolle von Schlüsselproteinen bei der Regulation der Blütenbildung zu untersuchen. Forschungsschwerpunkte sind Mechanismen, die Pflanzen in die Lage versetzen, jahreszeitliche Änderungen der Tageslänge wahrzunehmen und als Antwort darauf die Blütenbildung einzuleiten. Daneben wird die Rolle der endogenen zirkadianen Uhr, die Bedeutung von Chromatinstrukturen bei der Kontrolle von den Blühzeitpunkt regulierenden Genen und der Einfluss von Modulierungen der Regulatorproteine durch Phosphorylierungen oder Anfügen des kleinen Proteins Ubiquitin untersucht. Wie haben sich diese Prozesse in anderen Pflanzenarten entwickelt? Hier liegt der Fokus insbesondere auf 1) den Modifizierungen der mit dem Blühvorgang verbundenen Stoffwechselwege während der Domestikation von Gerste, 2) Studien, wie diese Stoffwechselwege auf abiotischen Stress, z.B. Trockenheit, reagieren, und 3) den Mechanismen, die während der unterschiedliche Lebensformen, z.B. Mehrjährigkeit, durch Änderungen bei der Regulation des Blühzeitpunktes hervorgebracht haben.
Im Mittelpunkt der Forschung in der Abteilung "Pflanzenzüchtung und Genetik" (Direktor: Maarten Koornneef) stehen genetische und genomische Untersuchungen von Prozessen, die wesentliche Aspekte des Pflanzenwachstums und der Pflanzenentwicklung bestimmen, einschließlich ihres Bauplanes, ihres Stoffwechsels und der Samenruhe. Einen weiteren Schwerpunkt bildet die Entwicklung von Methoden zum Verständnis der genetischen Diversität innerhalb einer Art, insbesondere von agronomisch relevanten Merkmalen. Nicht nur die Vielfalt zwischen den Pflanzenarten ist enorm, auch innerhalb einer Art gibt es beträchtliche genetische Variabilität - von Natur aus und von Züchtern durch Selektion genutzt. Der Einsatz von molekulargenetischen Methoden hat zu detaillierten Einblicken in die molekulare Natur von genetischer Vielfalt geführt. Dies hat unser Verständnis von Prozessen, die genetischen Unterschieden bei Pflanzenwachstum und -entwicklung zugrunde liegenden, wesentlich erweitert. Die gewonnenen Erkenntnisse geben Pflanzenzüchtern neue Möglichkeiten an die Hand, ihre Arbeit effizienter zu gestalten, z.B. mit Hilfe von genetischen Fingerabdrücken (Markern), mit denen Genkombinationen, die für Züchter interessante Eigenschaften kontrollieren, sichtbar gemacht werden. Zunehmend detailliertes Wissen über die Funktion der Gene, die in der Natur unterschiedliche Merkmalsausprägungen zeigen, und über die molekularen Grundlagen von landwirtschaftlich bedeutsamen Eigenschaften, wird das Methodenrepertoire der Züchter möglicherweise in eine rationale Wissenschaft umwandeln.
In vielen Fällen wird die natürliche genetische Variabilität eines interessanten Merkmals von mehreren Genen bedingt und zeigt komplexe Ausprägungen. Daher sind Methoden der Computer-gestützten Genetik, wie die Bestimmung von quantitativen Merkmals-Loci und Assoziationsstudien, unerlässlich. Das gewonnene Wissen wird Anwendung in der Pflanzenzüchtung finden und die Qualität unserer Nutzpflanzen verbessern.
Die Forschungsaktivitäten in der Abteilung "Molekulare Phytopathologie" (Direktor: Paul Schulze-Lefert) befassen sich mit den grundlegenden molekularen Vorgängen in Interaktionen von Pflanzen und pathogenen Mikroorganismen. Im Brennpunkt der Forschung stehen das pflanzliche Immunsystem und die Mechanismen mikrobieller Pathogenese. Mit Hilfe eines integrierten Forschungsansatzes, der Wissenschaftsdisziplinen wie Genetik, Biochemie, Molekularbiologie und Zellbiologie miteinander kombiniert, werden insbesondere Wechselwirkungen von Pflanzen mit Pilzen untersucht.
Obwohl der Aufbau des pflanzlichen Immunsystems eine effiziente Verteidigung gegen die Mehrzahl pathogener Mikroorganismen sicherstellt, gelingt es dennoch wenigen Angreifern, der Erkennung durch pflanzliche Immunrezeptoren zu entgehen oder Immunantworten zu unterdrücken. Ein wesentliches Ziel der Arbeiten ist die Erstellung eines regulatorischen Netzwerks des pflanzlichen Immunsystems, mit dem langfristig molekulare Simulationen und Vorhersagen durchgeführt werden können. Letztendlich kann die Kenntnis der Logik des pflanzlichen Immunsystems Grundlage für zukünftige rationale Pflanzenzüchtung mit dem Ziel eines verbesserten Pflanzenschutzes sein.
Zurzeit laufen die Verhandlungen zur Besetzung der Direktorenstelle der vierten Abteilung des Institutes, die mit neuem Forschungsschwerpunkt im Bereich "Genetik und Evolution der Nutzpflanzen" (vorher: "Molekulare Pflanzengenetik") fortbestehen wird.
Das Institut gibt jungen, talentierten Wissenschaftlern aus verschiedenen Bereichen Gelegenheit, sich als Leiter von Unabhängigen Forschergruppen zu bewähren, und ergänzt und erweitert auf diese Weise die Forschungsschwerpunke in den Abteilungen. Diese Gruppen arbeiten unabhängig von den Abteilungen und können in einem Zeitraum von 5 Jahren eigene Forschungsthemen bearbeiten. Zurzeit unterstützt das Institut drei Unabhängige Forschergruppen, die Fachwissen in den Bereichen Bioinformatik sowie in chemischer und quantitativer Genetik von Nutzpflanzen einbringen. Die Gruppe "Plant Computational Biology" wird von Heiko Schoof geleitet, der gleichzeitig als Leiter der wissenschaftlichen EDV/Informationstechnik des Institutes fungiert. Renier van der Hoorn leitet die "Plant Chemetics"-Gruppe, die Teil einer Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Molekulare Physiologie in Dortmund ist. Benjamin Stich ist Leiter der "Crop Genetics"-Gruppe mit fundierter Expertise in quantitativer Genetik.
Servicegruppen arbeiten ebenfalls unabhängig von den Abteilungen. Die leitenden Wissenschaftler bearbeiten eigene Forschungsthemen und leisten in Zusammenarbeit mit Forschungsgruppen innerhalb und außerhalb des Institutes einen Service in Bereichen wie bildgebende Verfahren (Elmon Schmelzer), Massenspektrometrie (Jürgen Schmidt) oder Biologische Sicherheit (Bernd Reiss).
Zukünftige Ausrichtung
Die Entwicklung von neuen DNA Sequenzierungstechnologien (next generation sequencing) eröffnet der Genomforschung auf dem Gebiet der Biodiversität neue Perspektiven. Zurzeit nutzt das Institut diese Technologie zur Sequenzierung des Genoms mehrerer pathogener Pilzarten und von Arabis alpina; ebenso wird diese bei Genexpressionsstudien eingesetzt. Dem zunehmenden Bedarf hat die Max-Planck-Gesellschaft mit der Bewilligung zur Einrichtung eines Genomzentrums an unserem Institut entsprochen. Am "Max Planck Genome Centre Cologne" sind neben unserem Institut drei weitere Max-Planck-Institute beteiligt (MPI für Biologie des Alterns, Köln; für marine Mikrobiologie, Bremen; für terrestrische Mikrobiologie, Marburg). Der Aufbau des Zentrums wurde Anfang 2010 begonnen. Alle Abteilungen des Institutes werden von dieser Einrichtung profitieren.
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© 2011, Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung, Köln |
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