Forschungsstelle für gartenbauliche Kulturpflanzen (FGK)

Heidelbeeren erfreuen sich u.a. aufgrund ihrer gesundheitsfördernden Inhaltsstoffe steigender Beliebtheit, was sich in steigender Anbaufläche in Deutschland und weltweit ausdrückt. Einer weiteren Ausdehnung der heimischen Anbaufläche steht seit einigen Jahren eine Problematik entgegen, die in nicht sortenechtem Pflanzenmaterial, sogenannten Off-Types besteht. Diese Pflanzen weichen in Habitus und Ertrag von den sortenechten Pflanzen ab, die Ursache für das Auftreten dieser Off-Types, die in vielen deutschen Betrieben beobachtet wurden, ist bisher unbekannt, bedroht aber den heimischen Anbau massiv. Die Tatsache, dass die Heidelbeerbetriebe massive wirtschaftliche Schäden durch Off-Type-Jungpflanzen erleiden, begründete die Idee zu dem Projekt HeiNO, dessen wesentliches Ziel aus dem vollen Projekttitel hervorgeht. Das Ziel dieses Projekts ist es daher, mögliche Ursachen der Off-Types zu untersuchen. Die Projektpartner haben drei mögliche Ursachen postuliert, von denen zwei mit der In-vitro-Vermehrung zusammenhängen. Diese kann nämlich zu Akkumulationen von Phytohormonen und synthetischen Wachstumsregulatoren sowie zu epigenetischen Veränderungen führen. Epigenetische Veränderungen betreffen nicht die Abfolge der Basen des Erbmaterials, sondern dessen „Verpackung“ und führen dazu, dass bestimmte Gene aktiviert und andere stillgelegt werden. Die dritte mögliche Ursache von Off-Types könnten Virusinfektionen sein. Daraus resultieren die folgenden vier Projektziele.

• Identifizierung der Ursachen für die Off-Types bei Heidelbeeren

• Entwicklung von Markern für eine frühzeitige Erkennung von Off-Types in Vermehrungsmaterial

• Entwicklung von Empfehlungen für eine gute Vermehrungspraxis für Heidelbeeren

• Etablierung von Protokollen für die Detektion der wirtschaftlich wichtigsten Viren in Heidelbeeren

Dafür untersuchen die Arbeitsgruppen der Forschungsstelle für gartenbauliche Kulturpflanzen der Fachhochschule Erfurt (FHE; Dr. Uwe Drüge, Dr. Stefan Ehrentraut) die Phytohormonprofile und epigenetische Muster der Off-Type Pflanzen im Vergleich zu normal entwickelten Pflanzen.

Die Adventivwurzelbildung in Kopfstecklingen ist die wichtigste Grundlage für die vegetative Vermehrung gartenbaulicher Kulturpflanzen. Dies gilt auch für die Petunie, die weltweit zu den wichtigsten Beet- und Balkonpflanzen zählt und zunehmend als gartenbauliche Modellpflanze für die Forschung genutzt wird. Unsere bisherigen Arbeiten an Petunia hybrida 'Mitchell' haben gezeigt, dass eine vorübergehende Dunkelinkubation von Stecklingen die Adventivwurzelbildung stark fördert, so dass die nachfolgende Kultivierung in beheizten Gewächshäusern deutlich reduziert werden kann. Die dunkel-stimulierte Adventivwurzelbildung in der Sprossbasis ist mit einer lokal erhöhten Akkumulation des Auxins Indol-3-essigsäure und einer Hochregulierung von Genen verbunden, die für den Auxineffluxtransporter PIN1 und verschiedene Komponenten der Auxinsignalkette kodieren. Die erhöhte Auxinakkumulation in der Sprossbasis ist abhängig vom oberen Sprossabschnitt, während die Auxinsignaltransduktion auch durch die Stickstoffversorgung der Stecklinge beeinflusst wird. In dem beantragten Projekt sollen die kritischen molekularen Faktoren und Prozesse aufgeklärt werden, die auf der Ebene des gesamten Stecklings die durch Dunkelheit verstärkte Auxinanlieferung in der Sprossbasis und die dunkel-induzierte Stimulierung der Auxinsignalkette kontrollieren. Mögliche Auswirkungen der Dunkelheit auf die Auxin-Source im oberen Stecklingsabschnitt, auf konkurrierende Auxin-Sinks, auf die Effizienz des Auxintransportes und die Wechselbeziehungen von Auxin mit Metaboliten und anderen Hormonen werden untersucht. Dazu werden zwei Genom-sequenzierte Elter-Spezies von P. hybrida, die bezüglich der Dunkelreaktion der Adventivwurzelbildung kontrastieren, verglichen. Ein speziell entwickelter Microarray, der alle für Petunia bekannten Gene der Auxin-, Jasmonäure- und Strigolacton-Signalketten abdeckt, wird mit quantitative RT-PCR, Hormonanalysen, Auxintransportstudien und Methoden der inter- und intrazellulären PIN-Lokalisierung kombiniert, um die auf Dunkelheit reagierenden molekularen und biochemischen Steuerprozesse der Phytohormonhomöostasis und -signalketten und die betroffenen Stecklingsorgane zu identifizieren. Über pharmakologische Werkzeuge werden die Homöostasis oder Signaltransduktion von Phytohormonen und Primärmetaboliten modifiziert. Die Funktion ausgewählter Kandidatengene für die dunkel-geförderte Adventivwurzelbildung und ihre gewebespezifische Expression werden mit Hilfe von Agrobacterium-vermittelter Transformation und Mutagenese mit RNA-vermittelten Cas Endonukleasen untersucht. Das Projekt soll das Verständnis der lichtabhängigen endogenen Kontrolle der Auxinhomöostase und -signaltransduktion auf der Ebene des gesamten Stecklings erweitern und neue Perspektiven eröffnen, wie diese auf die Zielgröße „Wurzelregeneration“ ausgerichtet werden kann, so dass eine Reduktion des Einsatzes von Heizenergie und synthetischen Auxinen in der vegetativen Vermehrung möglich wird.

Kurzbeschreibung

Im Rahmen des Teilvorhabens 4 wird die Verbesserung der Substratstabilität und des Gehaltes an pflanzenverfügbarem Stickstoff durch mikrobielle Konsortien (SynComs) in torfreduzierten und torffreien Kultursubstraten untersucht. Hierzu werden Stickstoff-(im)mobilisierende Prozesse analysiert und der Einfluss sowohl von den jeweiligen SynComs als auch von der Pflanzenkultur (Basilikum, Petunie) auf sich veränderte Stoffumsätze bewertet. Dies umfasst eine kultursubstratspezifische und pflanzenkulturabhängige Aufschlüsselung der Stickstoffumsetzung. Die Dynamik der substratspezifischen mikrobiellen Gemeinschaften werden mittels Mikrobiomanalysen bestimmt und dem Stickstoffkreislaufzugehörige mikrobelle funktionelle Gruppen identifiziert.

Ziele und Vorgaben

Im Rahmen des Teilvorhabens 4 wird die Verbesserung der Substratstabilität und des Gehaltes an pflanzenverfügbarem Stickstoff durch mikrobielle Konsortien (SynComs) in torfreduzierten und torffreien Kultursubstraten untersucht. Hierzu werden Stickstoff-(im)mobilisierende Prozesse analysiert und der Einfluss sowohl von den jeweiligen SynComs als auch von der Pflanzenkultur (Basilikum, Petunie) auf sich veränderte Stoffumsätze bewertet. Dies umfasst eine kultursubstratspezifische und pflanzenkulturabhängige Aufschlüsselung der Stickstoffumsetzung. Die Dynamik der substratspezifischen mikrobiellen Gemeinschaften werden mittels Mikrobiomanalysen bestimmt und dem Stickstoffkreislaufzugehörige mikrobelle funktionelle Gruppen identifiziert.

Innovationsansatz

Anhand der Erkenntnisse über die primären Stoffumsätze in torfreduzierten und torffreien Kultursubstraten mit Fokus auf den Stickstoffkreislauf und damit verbunden der Bewertung der Wirkung zum Einsatz kommender mikrobieller Konsortien zur funktionalen Verbesserung solcher Kultursubstrate, soll es u.a. Kultursubstratherstellern ermöglichen bisherige Strategien zur Herstellung torfreduzierter und torffreier Kultursubstrate zu modifizieren und nachhaltig zu verbessern.

Aufgabenfelder

• Definition zeitlich differenzierter Stickstoff-limitierender (mikrobieller) Prozesse in torfreduzierten und torffreien Kultursubstraten
• Bewertung und Benennung verschiedener, potenzieller substratspezifischer und kulturabhängiger SynComs zur Optimierung funktionaler Eigenschaften torfreduzierter und torffreier Systeme
• Optimierte Bewertung der Stickstoffdynamik torfreduzierter und torffreier Kultursubstrate unter Anwendung mikrobieller Konsortien
• Erschließung kultursubstrat-/pflanzenspezifischer Veränderungen mikrobieller Gemeinschaften
• Ökologische/Ökonomische Bewertung des Einsatzes ausgewählter SynComs

Wissenschaftlicher Beitrag

Basierend auf neuen Erkenntnissen hinsichtlich mikrobiell abhängiger, substratspezifischer Nährstoffansprüche können mikrobielle Konsortien gezielt verwendet und zum anderen bereits entwickelte Kultursubstratmischungen mit reduziertem Torfanteil bzw. torffreie Substrate qualitativ aufgewertet werden.

Kurzbeschreibung

Molekulare Grundlagen der Melaninbildung und die ökologische Bedeutung von Melanin

Ziele und Vorgaben

• Aufklärung der molekularen und epigenetischen Grundlagen  der Melaninbildung bei einer weit verbreiteten Gruppe von pilzlichen Wurzelendophyten (DSEs: Dark Septate Endophytes)
• Aufklärung der Rolle von Melanin in der Toleranz der DSEs gegen abiotische Stressfaktoren (z.B. hohe Temperaturen, Trockenheit)
• Aufklärung der Rolle von Melanin bei der Abwehr gegen Antagonisten (z.B. mykophage Amöben oder Bakterien)
• Aufklärung der Rolle des Melanins bei der Besiedelung von Pflanzenwurzeln und für die positiven Effekte der DSEs auf das Pflanzenwachstum 

Innovationsansatz

Im Rahmen des deutsch-französischen Kooperationsprojekt sollen hier erstmalig alle genetischen und epigenetischen Faktoren der Melaninbildung und die ökologische Rolle des Melanins aufgeklärt werden.

Aufgabenfelder

• Mikrobiologie: Etablierung einer Stammsammlung von DSEs mit unterschiedlichen Melaningehalten in den Hyphen
• Molekularbiologie: Identifizierung aller DSE Gene, die an der Melaninbildung beteiligt sind, und Aufklärung von epigenetischen Mechanismen, die die Melaninbildung regulieren
• Ökophysiologie: Aufklärung der ökologischen Rolle von Melanin

Wissenschaftlicher Beitrag

Das Projekt trägt zum einen zur Aufklärung der molekulargenetischen Mechanismen der Melanin-Biosynthese bei. Außerdem wird das Verständnis der ökologischen Rolle der Melaninbildung bei der Wechselwirkung der DSEs mit der abiotischen Umwelt und in der Wechselwirkung mit Pflanzen und mit anderen Bodenlebewesen vertieft.

Aufgabenbeschreibung:
Im Rahmen des Vorhabens soll eine nachhaltige Rohstoffquelle für Phyllodulcin auf der Basis von Anbau und Prozessierung verbesserter Teehortensien-Genotypen etabliert werden. Daraus ergeben sich die folgenden Ziele für das Vorhaben:

1. Ermittlung und Etablierung von nachhaltigen Vermehrungs-, Anbau-, Ernte- und Prozessierungsbedingungen und –verfahren im Freiland und im Gewächshaus für phyllodulcinreiche Hydrangea-Kultivare in Deutschland zur Gewinnung von Phyllodulcin

2. Schaffung der Grundlage für eine zielgerichtete Züchtung neuer Genotypen mit gesteigertem Phyllodulcin-Gehalt (möglichst stabil über 3, besser 5% der Trockenmasse) und verbessertem Pflanzenwuchs von für den Feldanbau geeigneten neuen Teehortensien-Kultivaren durch gezielte Kreuzung und Identifizierung von genetischen Traits und Markern sowie Identifizierung von Allelen in neuen Genotypen, die zu einer Steigerung des Phyllodulcin-Ertrages führen.

Kurzbeschreibung

Hochschulen für angewandte Wissenschaften (HAW) haben in ihren sehr unterschiedlichen Projekten eine Fülle von Daten, deren gesellschaftliche Relevanz durch die Anwendungsnähe außerordentlich hoch ist. Die Unterschiede in den Beständen und ihren Formaten erschwert aber das Management, die Archivierung und die Nachnutzung dieser Daten. Diesem Problem will das Kooperationsvorhaben FDM-HAWK begegnen und das Forschungsdatenmanagement (FDM) an vier Thüringer HAWs fächerübergreifend etablieren. Dabei sollen an den Hochschulen Bibliotheken und Servicezentren eingebunden werden und darüber die Forschenden angesprochen und für FDM sensibilisiert werden. Geplante Maßnahmen und Strukturen werden in enger Abstimmung mit dem Thüringer Kompetenznetzwerk FDM (TKFDM) und das IT-Zentrum der Thüringer Hochschulen entwickelt.

Ziele und Vorgaben

Sensibilisierung der Forschenden an HAWs für das FDM Entwicklung eines FDM Systems, das der Heterogenität der Daten an HAWs Rechnung trägt und Archivierung mit Möglichkeit der Nachnutzung von Daten aus HAWs.

Innovationsansatz

Entwicklung eines fächerübergreifenden FDM Systems

Aufgabenfelder

Forschungsdatenmanagement

Wissenschaftlicher Beitrag

Entwicklung von Lösungen, mit denen fächerübergreifend Daten in einem einheitlichen System verwaltet und archiviert werden.

Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are the most innovative biostimulants derived from microorganisms. Due to their positive influence on nutrient and water efficiency, in addition to increasing crop resilience, symbiotic root fungi are making a significant contribution to the European Green Deal. However, since the obligate biotrophic AMFs can only be cultivated in the presence of plants, their production is still time-consuming and costly. Currently, two methods are used for this purpose, which yield very different products: ex vitro production in pot cultures produces solid products, while in vitro propagation on root organ cultures results in liquid products. Propagation without plant/root organ cultures would greatly simplify commercial production. The aim of OPT4AMF is therefore to produce AMF in vitro without root organ cultures. Based on the latest findings, combinations of regulatory substances and so-called mycorrhizal helper bacteria are used simultaneously. The formation of AMF spores is quantified and the spores are examined for their quality and impact on the plant. The methods developed for improved in vitro propagation could make the production and use of AMF considerably more cost-effective. This will make it easier to use them routinely in the future to serve the growing market for plant nutrition in agricultural production systems.