Leibniz Institute of Plant Biochemistry

SCIENTIFIC REPORT2009-20102009-2010

Presentation of the Institute 4

Vorstellung des Instituts 6

Organs of the Institute 8

Mitarbeiter in speziellen Funktionen und Organigramm 10

DEPARTMENT OF MOLECULAR SIGNAL PROCESSING 12Professor Steffen Abel

Mechanisms of Nutrient Sensing 14Steffen Abel

Regulation of Defense Metabolism 16Douglas Grubb

Signal Integration in Auxin Action 18Steffen Abel

Independent Junior Research Group Auxin Signaling 20Marcel Quint

Publications of the Department of Molecular Signal Processing 22

DEPARTMENT OF BIOORGANIC CHEMISTRY 24Professor Ludger Wessjohann

Natural Products 26Norbert Arnold & Jürgen Schmidt

Chemoenzymatics 28Ludger Wessjohann & Wolfgang Brandt

Synthesis 30Ludger Wessjohann & Bernhard Westermann

Spectroscopy 32Andrea Porzel & Jürgen Schmidt

Screening 34Norbert Arnold & Bernhard Westermann

Computational Chemistry 36Wolfgang Brandt & Andrea Porzel

Publications of the Department of Bioorganic Chemistry 38

DEPARTMENT OF STRESS AND DEVELOPMENTAL BIOLOGY 40Professor Dierk Scheel

Molecular Communication in Plant - Pathogen Interactions 42Wolfgang Knogge

Cellular Signaling 44Dierk Scheel & Justin Lee

Induced Pathogen Defense 46Dierk Scheel & Sabine Rosahl

Bioinformatics & Mass Spectrometry 48Steffen Neumann

Metabolite Profiling 50Dierk Scheel

Publications of the Department of Stress and Developmental Biology 52

TABLE OF CONTENTS

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DEPARTMENT OF SECONDARY METABOLISM (UNTIL OCTOBER 2010) 54Professor Dieter Strack

DEPARTMENT OF CELL AND METABOLIC BIOLOGY 56Professor Alain Tissier

Phenylpropanoid Metabolism 58Dieter Strack

Carotenoid Metabolism & Mycorrhiza 60Alain Tissier / Dieter Strack & Michael H. Walter

Jasmonate Function & Mycorrhiza 62Head: Bettina Hause

Metabolite Profiling & Protein Biochemistry 64Thomas Vogt & Andrej Frolov

Publications of the Department of Secondary Metabolism 66

ABTEILUNG ADMINISTRATION, ZENTRALE DIENSTE UND TECHNIK 68Lothar Franzen

Personalübersicht 2009 und 2010 69

Übersicht über Haushalts- und Drittmittel 2009 und 2010 70

Projekte im Rahmen des Paktes für Forschung und Innovation 71

Drittmittel 2009 und 2010 72

Finanzierungsübersicht für 2009 und 2010 77

Mitwirkung des IPB an nationalen und internationalen Forschungsnetzwerken 78

Gastwissenschaftler und Stipendiaten 79

PRESSE- UND ÖFFENTLICHKEITSARBEIT 81Sylvia PieplowMedienpräsenz und Druckerzeugnisse 2009 / 2010 86

Anfahrt und Impressum 89

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The research profile of the Leibniz Instituteof Plant Biochemistry (IPB) is portrayed bythe comprehensive analysis of plant andfungal natural products in a multi dis ci pli na -ry approach including chemical, physiologi-cal, cell biological, biochemical, molecularbiological and genetic methods. Its researchprograms focus on the study and manipula-tion of molecular interactions in complexbiological processes, including interactionsof plants with microorganisms (pathogensand symbionts) and abiotic stressors. Thisimportant commitment to basic re searchprovides the starting point for innovativeapplication-oriented research in the areasof plant and human health and nutrition,and toward a plant-based bio-economy.

In the field of plant sciences, the IPB is oneof the internationally leading institutionsthat offers to its employees and especiallyto its young scholars and guest scientists anexcellent research environment. The IPBmaintains a close relationship with theMartin-Luther-University Halle-Witten berg,which is particularly evident by joint ap -pointments of IPB department heads, whoare also professors at the university. In ad -dition to joint projects and academic activi-ties, IPB members participate in the Inter -disciplinary Centre of Crop Plant Research(IZN) and the Agrochemical Institute Pies -teritz (AIP). The recently established Leib -niz WissenschaftsCampus Halle forms a unique re search network between the uni-

versity and three local Leibniz Institutesunder its common research theme PlantBased Bioeco no my.

In summer 2009, Prof. Steffen Abel from theUni ver sity of California at Davis (USA) wasap pointed Head of the Department of Mo le -cu lar Signal Processing (the former De part -ment of Plant Biotechnology). He will investi-gate processes by which plants perceiveand re spond to external signals. In fall 2010,Prof. Dieter Strack, the Managing IPB Di -rector and Head of the Department of Se -condary Metabolism retired. He was succee-ded by Prof. Alain Tissier from Montpellier(France). His Department of Cell and Meta bo -lic Biology will study the biosynthesis, loca-tion, function and evolution of plant meta-bolites.

HISTORY AND ORGANIZATION

On January 1, 1958, Prof. Kurt Mothes foun-ded the Centre for Biochemistry of Plantsin Halle (Saale), which joined the institutesof the German Academy of Sciences (East-Berlin). After the unification of Ger many,the East German academy institutes wereevaluated and restructured, and the formerIn sti tute of Biochemistry of Plants was rein-stated as the Institute of Plant Biochemistry(IPB), effective January 1, 1992.

The IPB is an independent non-profit re -search institute with the legal status of afoundation under public law and is equally

funded by the Federal Government and theState of Saxony-Anhalt who supervises theinstitute. Initially, the IPB was a member ofthe research community Blaue Liste, which,in October 1997, was transformed into theGottfried Wilhelm Leibniz Science Asso ci a tion(WGL, or Leibniz Association), one of thefour major research organizations in Ger -many. The Leibniz Association comprises 87research institutions (www.wgl.de), and theIPB is one of 25 institutes of its Section C(Life Sciences), which is dedicated to healthand biodiversity research.

The governing bodies of the IPB are theBoard of Trustees (Stiftungsrat), the ScientificAdvisory Board (Wissenschaftlicher Beirat),and the IPB Board of Directors. The ManagingDirector and the Head of Administration,both members of the Board of Directors, offi-cially represent the institute. The ScientificCouncil of the IPB (Wissenschaftlicher Insti -tutsrat) – consisting of research group lea-ders and representatives of postdoctroalscientists and PhD-students – advises theIPB directors and trustees on scientificissues.

The IPB consists of four scientific depart-ments (Stress and Developmental Biolo -gy, Bioorganic Chemistry, Molecular Sig -nal Processing, and Cell and MetabolicBiology), two independent junior researchgroups (Auxin Signaling, and Ubiquitination inImmunity) and an administrative department,including central services. The institute hasabout 170 employees with ca. 100 scientistsfrom 20 different countries and over 50PhD students.

RESEARCH MISSION

The research activities of the institute focuson analyses of natural products (secon-dary compounds), molecular interac -tions, and gene functions. These activitiesare supported by information technolo-gies (bioinformatics, computational chemi-stry).

During evolution, plants and fungi have ge -nerated an enormous diversity of naturalproducts. This diversity is further amplified

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PRESENTATION OF THE INSTITUTE

by changes in their patterns during growthand development as well as during theadaptation to environmental conditions.The knowledge of the structure and func-tion of natural products is an essential pre-requisite for understanding developmentand adaptative processes and opens newresources for use in crop production, cropprotection, biotechnology and drug deve-lopment. With the progressive benefits ofplant genome research, this information isof fundamental importance for functionalanalyses.

The comprehensive analysis of plant andfungal natural products is one of thekey priority areas of the IPB research pro-gram. Research on natural products in bio-logical materials is carried out via interde-partmental platforms of modern analyticaltechniques. This provides the basis for thediscovery of new natural product struc-tures as well as for studies of their biosyn-thesis and biological functions. Structureelucidation provides the basis for chemicalsynthesis and derivatization of natural pro-ducts and makes an important contributionto chemical diversity. It further supportsexperimental approaches to uncover theirbiological activities. The isolation of biosyn-thetic enzymes allows access to the corre-sponding genes and thus to study the regu-lation of biosynthetic pathways and the cel-lular and organismic organization of its com-ponents.

The genetically determined plant develop-ment and its modulation during the adapta-tion to specific environmental conditionsrely on receptor-mediated perception ofendogenous signals as well as biotic andabiotic environmental factors, which elicittransiently and locally altered profiles of na -tural products. Cellular and systemic signa-ling networks perceive and evaluate suchchanges and adjust corresponding physiolo-gical reactions via altered gene expressionpatterns. An interdisciplinary approach toanalyze molecular interactions is there-fore of central importance to the researchprograms of the institute. Receptor-ligand,en zyme-ligand and protein-protein interac-

tions form the molecular basis for theseprocesses and their application in drug re -search. From this perspective, mechanismsof interorganismic communication betweenplants and pathogens and symbionts are in -vestigated and the organization of biosyn-thetic pathways and signal transduction isanalyzed.

Cooperations within the institute includeproteomic, metabolomic and informaticsprojects. Moreover, the application and de -velopment of modern cell biological me -thods supports the interdepartmentalwork to analyze the dynamics of molecularinteractions in the living organism. The che-mical structures of the interacting molecu-les are modified by genetic engineering me -thods, directed evolution and chemical de -rivatization. The effects of these changescan be monitored in appropriate modelsand investigated by screening methods tofinally select molecules with desired pro-perties (e.g. new drugs, signal compounds,enzymes). This forms the basis for the deve-lopment of new syntheses and selectionprocesses as well as appropriate assay andanalytical procedures, supported by visuali-zation of the molecular interactions viacomputer modeling.

The close combination of chemical, bioche-mical, molecular and cell biological ap -proaches allows new access to gene func-tion analysis. Within the overall conceptof functional genomic analysis, based ontrans criptome, proteome, and metabolomedata, genes are identified and characterized,which are essential for biosynthesis andmetabolism of natural products and forplant development and adaptation on diffe-rent environmental conditions. The use ofmutants and transgenic plants allows notonly the direct analysis of gene function, butalso the production of model plants with al -tered natural profiles, novel health-relatedingredients, and new or improved adapta-tion to specific environmental conditions.Such plants will be beneficial for the sustain -able production of valuable substances andbiocatalysts, for use as biological test sys -tems and for plant breeding.

Linking the various data obtained from re -search activities on natural products, mole-cular interactions and gene function analy-ses is only possible by applying informati-on technology (bioinformatics, computa-tional chemistry). In particular, the metabo-lome and proteome analyses and combina-torial libraries require the development ofnew methods of data analysis, processingand linking.The institute has therefore estab -lished a bioinformatics research group,which is particularly committed to this pro-blem. This is, together with the computa-tional chemistry group, a research focus,expanding the interdepartmental researchcompetence. The goal of this approach isthe integral linkage and analysis of structu-rally diverse data sets, generated within thedifferent research areas, towards a betterunderstanding of the biological systemplant.

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Im Mittelpunkt des weltweit einzigartigenForschungsprofils des Leibniz-Institutes fürPflanzenbiochemie (IPB) steht die umfassen-de Analyse pflanzlicher und pilzlicher Na -turstoffe, die im Rahmen einer multidiszipli-nären Strategie mit chemischen, physiologi-schen, zellbiologischen, biochemischen, mo -lekularbiologischen und genetischen Me tho -den bearbeitet werden. Die Schwer punk teder Arbeiten liegen auf dem Studium mo le -kularer Interaktionen von komplexen biolo-gischen Prozessen und auf Untersuchungenvon Interaktionen zwischen Pflanzen undabiotischen Stressoren oder Mikro or ga nis -men (Pathogene und Symbionten). Dabeinimmt die Grundlagenforschung eine wichti-ge Stel lung ein. Sie ist Ausgangspunkt fürinnovative, anwendungsorientierte For -schungsprojekte zur Entwicklung von Pflan -zenschutzmitteln und Medikamenten sowievon Nahrungs- und Nahrungsergänzungs mit -teln im Rahmen einer zukünftigen bioökono-mischen Entwick lung.

Im Bereich der Pflanzenwissenschaften zähltdas IPB zu den international führenden Insti -tuten. Es bietet seinen Mit arbeitern und ins-besondere den Nachwuchs- und Gast wis -senschaftlern ein exzellentes Um feld von in -ternationalem Rang. Das Institut steht in en -gem Kontakt zur Martin-Luther-UniversitätHalle-Wittenberg. Dies kommt besondersdurch gemeinsame Berufungen der wissen-schaftlichen Leitungspositionen zum Aus -druck, wobei die Abteilungsleiter in Perso -nalunion eine Professur an der Uni versitäteinnehmen. Aber auch gemeinsame Projekteund Institutionen wie das Inter dis ziplinäreZentrum für Nutzpflanzen for schung (IZN)oder das Agrochemische Institut Pies teritz(AIP) tragen zur lokalen Entwicklung bei.Hervorzuheben ist der in Gründung befind-liche Leibniz-Wissenschaftscampus Pflanzen -basierte Bioökonomie, der die einschlägigenAktivitäten der Universität, des IPB und derlokalen Leibniz-Institute für Pflanzengenetikund Kulturpflanzenfor schung (IPK) sowie fürAgrarentwicklung in Mittel- und Osteuropa(IAMO) bündeln und verstärken wird.

Seit 2009 bereichert Professor Steffen Abelvon der University of California (Davis, USA)

das Institut als neuer Leiter der Ab tei lungMolekulare Signalverarbeitung (zuvor Ab tei -lung Naturstoff-Biotechnologie). Er wird diemolekularen Mechanismen der Perzep tionexterner Signale durch Pflanzen und derenVerarbeitung studieren. Professor DieterStrack, langjähriger, erfolgreicher Lei ter derAbteilung Sekundärstoffwechsel und zu letztgeschäftsführender Direktor des IPB wurde2010 pensioniert. Sein Nach folger, Profes -sor Alain Tissier kommt von der Uni versitätMontpellier II (Frank reich) und wird in dernun umbenannten Ab tei lung Stoffwechsel-und Zellbiologie die Bio syn the se, Loka li sie -rung, Funktion sowie die evolutiven As -pekte pflanzlicher Sekundärstoffe un ter -suchen.

HISTORISCHES UND ORGANISATION

Am 1. Januar 1958 gründete Kurt Motheszunächst die Arbeitsstelle und später dasInstitut für Biochemie der Pflanzen unterdem Dach der Deutschen Akademie derWissenschaften zu (Ost-) Berlin. Im Rah -men der Umstrukturierung nach der Wen -de wurde am 1. Januar 1992 das Institut fürPflanzenbiochemie in Halle (Saale) als einvom Bund und vom Land Sachsen-Anhaltfinanziertes außeruniversitäres Forschungs -institut mit dem juristischen Status einerStiftung des öffentlichen Rechts des LandesSachsen-Anhalt neu gegründet. Das IPB un -tersteht dem Schutz und der Aufsicht derRegierung des Landes Sachsen-Anhalt. Seitseiner Neugründung 1992 ist das InstitutMitglied der Forschungsgemeinschaft BlaueListe, die sich 1997 in die Wissenschafts ge -meinschaft Gottfried Wilhelm Leibniz(WGL) oder kurz Leibniz-Gemeinschaft um -benannt und umorganisiert hat. Die Leib -niz-Gemeinschaft wird von Bund und Län -dern gemeinsam finanziert und umfasst 87Einrichtungen. Das IPB gehört zu den 25 In -stituten der Sek tion C, (Lebenswissen schaf -ten), an denen die Kernthemen Ge sundheitund Biodiversität bearbeitet werden.

Die Organe der Stiftung sind der Stif tungs -rat, der Wissenschaftliche Beirat und dasDirektorium. Der Geschäftsführende Di -rektor und der Administrative Leiter bildenals Teil des Direktoriums die Geschäfts -

führung des Instituts. Der WissenschaftlicheInstitutsrat (WIR) – bestehend aus den Lei -terinnen und Leitern der wissenschaftli-chen Arbeitsgruppen und Vertretern derPostdoktoranden und Doktoranden – berätdas Direktorium und den Stiftungsrat ingrundsätzlichen wissenschaftlichen Fragen.

Das Institut besteht aus vier wissenschaftli-chen Abteilungen (Stress- und Entwick -lungsbiologie, Natur- und Wirkstoff che -mie, Molekulare Signalverarbeitung undStoffwechsel- und Zellbiologie), zwei un -abhängigen Nachwuchsgruppen (Auxin-Sig -naltransduktion und Ubiquitinierung in der Im -munantwort) und der Abteilung Admi nis tra -tion, Zentrale Dienste & Technik. Das IPB be -schäftigt etwa 170 Angestellte; von ihnensind ca. 100 Wissenschaftler aus 20 ver-schiedenen Ländern und über 50 Dok to ran -den in der For schung aktiv.

FORSCHUNGSPROFIL

Die Forschungsaktivitäten des Institutskonzentrieren sich auf die Analyse von Na -turstoffen (Sekundärstoffe) sowie die Auf -klärung von molekularen Interaktionenund Genfunktionen. Diese Aktivitätenwerden durch den ForschungsschwerpunktInformatik (Bio- und Chemoinformatik)miteinander verknüpft.

Pflanzliche und pilzliche Organismen habenim Laufe der Evolution eine enorme Vielfaltder Strukturen ihrer Inhaltsstoffe entwi- c kelt. Diese Vielfalt erhält eine zusätzlicheDimension durch Veränderungen der Mus -ter dieser Stoffe im Verlauf bestimmter Ent -wicklungsprozesse und Anpassungen an Um -weltbedingungen. Die Kenntnis von Strukturund Funktion der Inhaltsstoffe ist eine es -senzielle Voraussetzung für das Ver ständ nisvon Entwicklungs- und Anpassungs pro zes -sen und eröffnet neue Ressourcen für ihreNutzung in Pflanzenproduktion, Pflan zen -schutz, Biotechnologie und Wirk stoff ent -wicklung. Mit dem fortschreitenden Er -kenntnisgewinn aus der Genomforschungerhalten diese Erkenntnisse eine fundamen-tale Bedeutung bei der funktionalen Ge -nomanalyse.

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VORSTELLUNG DES INSTITUTS

Die umfassende Analyse pflanzlicher undpilzlicher Naturstoffe ist deshalb einerder zentralen Schwerpunkte im For schungs -konzept des Leibniz-Instituts für Pflan zen -bi o chemie. Zur Erfassung von Naturstoffenin biologischem Material werden in einemabteilungsübergreifenden Kompetenz be -reich modernste analytische Verfahren ein-gesetzt. Dies bildet die Grundlage für dieEntdeckung neuer Naturstoffstrukturen so -wie für Untersuchungen zu ihrer Biosyn -these und biologischen Funktion. Die Struk -turaufklärung liefert die Grundlage für che-mische Synthese und Derivatisierung derNaturstoffe und leistet einen wichtigenBeitrag zum Verständnis ihrer Diversitätund Aufklärung ihrer biologischen Aktivität.Die Isolierung von Biosyntheseenzymen er -laubt den Zugang zu den entsprechendenGe nen und damit zum Studium der Re gu la -tion der Biosynthesewege und der zellulä-ren und organismischen Organisation ihrerKomponenten.

Die genetisch determinierte pflanzlicheEntwicklung und ihre Modulation im Rah -men einer optimalen Adaptation an die je -weiligen Umweltbedingungen beruhen aufrezeptorvermittelter Perzeption endoge-ner Signalstoffe, beziehungsweise biotischerund abiotischer Umweltparameter. Überzelluläre und systemische Signaltransduk -tions-Netzwerke werden die Eingangs sig na -le evaluiert, abgeglichen und mittels verän-derter Genexpressionsmuster in entspre-chende physiologische Reaktionen umge-wandelt, die in der Regel auf transient undlokal veränderten Naturstoffprofilen beru-hen. Molekulare Interaktionen bildendie Grundlage der dabei ablaufenden zellu-lären Funktionen. Ihre interdisziplinäre Ana -lyse ist deshalb von zentraler Bedeutung imForschungskonzept des Instituts. Rezeptor/Ligand-, Enzym/Ligand- und Protein/Pro -tein-Interaktionen bilden die molekulareGrundlage für diese Prozesse und deren An -wendung in der Wirkstoffforschung. Unterdiesem Aspekt werden die Mechanismeninterorganismischer Kommunikation zwi-schen Pflanzen und Symbionten sowie Pa -thogenen untersucht und die Organisationvon Biosynthesewegen und Signaltrans duk -

tionsketten analysiert. Dabei kommen un -ter anderem Proteom- und Metabolom ana -lysen zum Einsatz. Darüber hinaus erlaubtdie Anwendung und Entwicklung modernerzellbiologischer Methoden im Rahmen ab -teilungsübergreifender Kooperationen dieAnalyse der Dynamik molekularer Interak -tio nen im lebenden Organismus. Die che-mische Struktur miteinander in Wechsel -wir kung tretender Moleküle wird durchgentechnische Verfahren und chemischeDerivatisierung modifiziert, sodass die Ef -fekte der Veränderung an geeigneten Mo -dellen oder in Screeningverfahren unter-sucht werden können und schließlich Mo le -küle mit den gewünschten Eigenschaften(z.B. Wirkstoffe, Signalsubstanzen, Enzyme)selektiert werden. Die Grundlage dafür bil-det die Entwicklung neuer Synthese- undSelektionsprozesse sowie geeigneter Assay-und Analytikverfahren, unterstützt durchdie Visualisierung der Wechselwirkungenmittels Modeling.

Diese enge Kombination naturstoffchemi-scher, biochemischer, molekularbiologi-scher und zellbiologischer Forschungs an -sätze ermöglicht neue Zugänge zur Gen -funktionsanalyse. Im Gesamtkonzept ei -ner auf Transkriptom-, Proteom- und Meta -bolomdaten basierenden funktionalen Ge -nomanalyse werden Gene identifiziert undcharakterisiert, die im Rahmen der Bio syn -these und des Metabolismus’ von Natur - stof fen von entscheidender Bedeutung fürdie pflanzliche Entwicklung und die A n pa s -sung an verschiedene Umweltbedingungensind. Dabei ermöglicht der Einsatz von Mu -tanten und transgenen Pflanzen nicht nurdie direkte Analyse der Genfunktion, son-dern auch die Erzeugung von Mo dell pflan -zen mit verändertem Naturstoffprofil, neu -en gesundheitsrelevanten Inhaltsstoffenoder verbesserter Anpassung an bestimmteStandorte und Umweltsituationen. SolchePflanzen dürften für die nachhaltige Pro -duk tion wertvoller Substanzen und Bio ka -ta lysatoren, als biologische Testsysteme undfür die Züchtung von Bedeutung sein.

Die Speicherung, Auswertung und Ver knüp -fung der in den Schwerpunkten Natur stof -

fe, molekulare Interaktionen und Gen funk -tionsanalyse generierten Daten ist nur mit-tels Informatik (Bio- und Chemo in for ma -tik) möglich. Insbesondere die Metabolom-und Proteomanalysen und die kombinatori-schen Bibliotheken erfordern die Ent wi -c klung neuer Methoden der Daten auswer -tung, -verarbeitung und -verknüpfung. AmInstitut wurde deshalb eine ArbeitsgruppeBioinformatik etabliert, die sich im Wesen t -lichen dieser Problematik widmet. Zu sam -men mit der Arbeitsgruppe Com pu ter che -mie ist damit abteilungsübergreifend einForschungsschwerpunkt und Kompetenz -be reich zur wissenschaftlichen Informatikentstanden. Das Ziel dieses Schwerpunktsist die integrale Verknüpfung und Bearbei -tung der in ihrer Struktur zum Teil völlig un -terschiedlichen Datensätze der anderenForschungsschwerpunkte im Sinne einesbesseren Verständnisses des biologischenSystems Pflanze.

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ORGANS OF THE INSTITUTE

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Ministerialrat Thomas ReitmannChairman of the Board of Trustees Ministry of Education and Cultural Affairs of the State of Saxony Anhalt

Ministerialrat Dr. Jürgen Roemer-MählerVice Chairman of the Board of Trustees (until November 2009)Federal Ministry of Education and Research

Regierungsdirektor Dr. Christian MüllerVice Chairman of the Board of Trustees (November 2009 - November 2010)Federal Ministry of Education and Research

Dr. Henk van LiemptVice Chairman of the Board of Trustees (since November 2010)Federal Ministry of Education and Research

Prof. Wulf Diepenbrock (until September 2010)Rector of the University of Halle

Prof. Birgit Dräger (since September 2010)Prorector for Structure and Finances of the University of Halle

Prof. Sabine FlitschChairwoman of Scientific Advisory Board Manchester Interdisciplinary Biocentre (MIB)

Prof. Andreas SchallerVice Chairman of Scientific Advisory Board University of Hohenheim

Prof. Jörg Stetter (until November 2010)Gesellschaft Deutscher Naturforscher und Ärzte e.V.

Prof. Dieter StrackManaging Director (until August 2010)Head of the Department of Secondary Metabolism (until October 2010)

Prof. Ludger WessjohannManaging Director (since August 2010)Head of the Department of Bioorganic Chemistry

Lothar FranzenHead of Administration and Technical Services

Prof. Steffen AbelHead of the Department of Molecular Signaling (since July 2009)

Prof. Dierk ScheelHead of the Department of Stress and Developmental Biology

Prof. Alain TissierHead of the Department of Cell and Metoblic Biology (since Ocotober 2010)

BOARD OF DIRECTORS

BOARD OF TRUSTEES

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Prof. Sabine FlitschChairwoman of Scientific Advisory Board Manchester Interdisciplinary Biocentre (MIB)

Prof. Andreas SchallerVice Chairman of Scientific Advisory Board University of Hohenheim, Institute of Plant Physiology and Biotechnology

Prof. Christoph Benning (until December 2009)Michigan State University, Department of Biochemistry and Molecular Biology

Prof. Raoul J. BinoUniversity of Wageningen, Laboratory of Plant Physiology

Prof. Thomas Boller (until December 2009)University of Basel, Institute of Botany

Prof. Axel Brakhage (since January 2010)Leibniz Institute for Natural Products Research and Infection Biology (HKI), Jena

Prof. Francois BuscotHelmholtz Centre for Environmental Research, Halle, Department of Soil Ecology

Prof. Jonathan GershenzonMax Planck Institute for Chemical Ecology, Jena

Prof. Bernhard Hauer (since January 2010)University of Stuttgart, Institute of Technical Biochemistry

Prof. Horst Kunz (until December 2009)University of Mainz, Institute of Organic Chemistry

Prof. Rainer MetternichCaprotec Bioanalytics GmbH, Berlin

Prof. Martin Parniske (since January 2010)University of Munich, Faculty of Biology Genetics

Prof. Tina RomeisFreie Universität Berlin, Institute of Biology

Prof. Norbert Sewald (since January 2010)University of Bielefeld, Department of Chemistry

Prof. Lutz F. Tietze (until December 2009)University of Göttingen, Institute of Organic Chemistry

Prof. Lothar Willmitzer (until December 2009)Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology, Potsdam-Golm

Prof. Nicolaus von Wirén (since January 2010)Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research Gatersleben,

SCIENTIFIC ADVISORY BOARD

MITARBEITER IN SPEZIELLEN FUNKTIONEN UND ORGANIGRAMM

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WISSENSCHAFTLICHER INSTITUTSRAT

MITARBEITER IN SPEZIELLEN FUNKTIONEN

PERSONALRAT

Dr. Bettina HauseOmbudsperson zur Sicherung Guter Wissenschaftlicher Praxis

Hans-Günter König Energie

Dr. Thomas Vogt Strahlenschutzbeauftragter

Kerstin Manke Gleichstellungsbeauftragte

Sylvia Pieplow Presse- und Öffentlichkeitsarbeit

Dr. Sabine Rosahl Biologische Sicherheit

Prof. Bernhard Westermann Sicherheitsbeauftragter Chemie

Dr. Michael H. WalterProf. Dierk Scheel,Prof. Steffen AbelDr. Norbert Arnold

Projektleiter nach dem Gentechnikgesetz

Dr. Michael H. Walter Datenschutz

Claudio Nin BrauerSicherheitsingenieurEberhard Warkus

Arbeitssicherheit

Alice Bühring Jugend- und Auszubildendenvertretung

Andrea PiskolVorsitzende (bis Mai 2010)Stellvertretende Vositzende (ab Mai 2010)

Holger Bartz Vorsitzender (ab Mai 2010)

Peter Schneider Stellvertretender Vorsitzender (bis Mai 2010)

Martina Allstädt (bis Mai 2010)Domenika Arndt (ab Mai 2010)Susanne BerlinDr. Lennart Eschen-Lippold (ab Mai 2010)Martina Lerbs (bis Mai 2010)Kerstin Manke (bis Mai 2010)Dr. Kai Naumann (ab Mai 2010)Dr. Thomas Vogt (bis Mai 2010)Ines Stein (ab Mai 2010)

Weitere Mitglieder

Der Wissenschaftliche Institutsrat setzt sich aus allen Arbeitsgruppenleitern des Institutes sowie Vertretern derPostdoktoranden und Doktoranden zusammen. Sprecher des Wis sen schaft lichen Institutsrats war bis November2010 Dr. Wolfgang Knogge. Danach übernahm Professor Bernhard Westermann die Funktion.

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Department ofMolecularSignal ProcessingProf. Steffen Abel

Department ofBioorganic ChemistryProf. Ludger Wessjohann

Department ofStress andDevelopmental BiologyProf. Dierk Scheel

Department ofCell and Metabolic BiologyProf. Alain Tissier

Department ofAdministration,Central Service,EquipmentLothar Franzen

Natural ProductsNorbert Arnold & Jürgen Schmidt

ChemoenzymaticsLudger Wessjohann & Wolfgang Brandt

Molecular Commu ni- cation in Plant-PathogenInteractionsWolfgang Knogge

Carotenoid Metabolism& MycorrhizaMichael H. Walter & Alain Tissier

FinancePersonnelGeneral Administration

LibraryChemical StoreGraphicsPhotography

Construction /MaintenanceElectronicsGardening

Glandular Trichome andIsoprenoid BiosynthesisAlain Tissier

Jasmonate Function & MycorrhizaBettina Hause

Protein Biochemistry &Metabolite ProfilingThomas Vogt

Cellular SignalingDierk Scheel &Justin Lee

Induced Pathogen DefenseDierk Scheel &Sabine Rosahl

Bioinformatics & Mass SpectrometrySteffen Neumann

Metabolite ProfilingDierk Scheel

SynthesisLudger Wessjohann &Bernhard Westermann

SpectroscopyAndrea Porzel &Jürgen Schmidt

Mechanismsof Nutrient SensingSteffen Abel

Regulationof Defense MetabolismC. Douglas Grubb

Signal Integration in Auxin ActionLuz Irina Calderón Villalobos & Steffen Abel

ScreeningNorbert Arnold & Bernhard Westermann

ComputationalChemistryWolfgang Brandt & Andrea Porzel

Foundation CouncilMinisterialrat Thomas Reitmann

Senior Superior Counsellor

Dr. Henk van LiemptSuperior Counsellor

Scientific Advisory BoardProf. Sabine L. Flitsch

Chairwoman

Prof. Andreas SchallerVice-Chairman

Board of DirectorsProf. Ludger Wessjohann

Managing Director

Lothar Franzen Head of Administration

Prof. Steffen Abel

Prof. Dierk Scheel

Prof. Alain Tissier

Public Relations

Sylvia PieplowPersonal Assistent to the Managing Director

Auxin SignalingIndependent JuniorResearch GroupMarcel Quint

DEPARTMENT OF MOLECULAR SIGNAL PROCESSING

Head: Professor Steffen AbelSecretary: Ines Deák

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In July 2009, the Department of MolecularSignal Processing has been established after a3-year vacancy following the departure ofProfessor Toni Kutschan, chair of the for-mer Department of Natural Product Bio tech -nology. Because almost all staff had left theprevious department, a unique opportunityarose to build a new unit that would carryand shape the research mission of the IPB.The general theme of the new departmentis to investigate how plants perceive and re -spond to environmental change at the mo -lecular and systems level, which is an im -portant objective given the world’s chal-lenge to guarantee future food security.

Plants evolved to masters of resilience andadaptation as a consequence of their ses-sile lifestyle and respond to local challengeor opportunity with directional growth, toevade or to explore, and with the synthesisof an arsenal of bioactive chemicals, to com-municate or to self-defend. Several classes ofhormones and their associated signalingnetworks govern plant development andadjust plant growth and metabolism to itscircumstance. We are particularly interes -ted to explore how plants monitor andperceive external parameters, transmit andintegrate information about the environ-ment, and deploy metabolic and develop-mental responses to shifting abiotic coni -tions and co-evolving biotic stressors. Ma -jor directions of research include the inte-grated program areas of mineral nutrientsensing, regulation of defense metabolism,and signal integration in hormone action,with a particular emphasis on plant-rhizo -sphere interactions using plant model sys -tems. By the end of 2010, all vacant posi-tions of technical and scientific staff hadbeen filled and three work groups estab-lished.

The group Mechanisms of Nutrient Sensinginvestigates how external availability ofphosphate, which is often the second mostlimiting macronutrient in many ecosystems,is locally sensed at root tips and how theenvironmental signal is transmitted to ad -just root system architecture via altered

root meristem activity. Our recent workidentified the first molecular componentsof a phosphate sensing pathway that fine-tunes root growth and revealed the impor-tance of the endoplasmic reticulum and itscommunication with the cell nucleus in theadaptive response to nutrient stress. Ourresults further highlight complex antago-nistic interactions between external phos-phate and iron bioavailability in the regula-tion of root meristem activity, which will bea major focus of future research.

Activities of the research group Regulationof Defense Metabolism center on the biosyn-thesis and regulation of defense compounds,such as glucosinolates and camalexin inspecies of the order of Brassicales. In te res -tingly, certain derivatives of these com-pound classes assume additional roles as in -termediates in tryptophan-dependent au -xin metabolism or as signaling molecules indefense responses to pathogens. Recentwork explored in more detail the role ofUGT74 family members of UDP-glucose-dependent glucosyltransferases in glucosi-nolate biosynthesis and their putative func -tion in auxin homeostasis and its crosstalkwith ethylene signaling. Mutational identifi-cation and characterization of Arabidopsisgenes that modulate profiles of glucosino-late content and composition continue tobe major a thrust, particularly structure-function studies of IQD1 and related IQDproteins and their involvement in calmodu-lin-dependent calcium signaling.

Work of the research group Signal Inte gra -tion in Auxin Action aims to understand howauxin and light signaling pathways are inte-grated by post-translational modification ofshort-lived transcriptional repressors(Aux/IAA proteins) regulating auxin-depen-dent primary gene expression. Using selectAux/IAA polypeptides, current activitiesfocus on solving their solution structure byNMR spectroscopy and studying phyto-chrome-dependent phosphorylation. Fu -ture research of this group will be coordi-nated by Dr. Luz Irina Calderón Villaloboswho recently joined the IPB and is inter-

ested in structure-function relationships ofTIR1/AFB:Aux/IAA auxin co-receptors andother F-box proteins with roles in proteo-lysis-coupled hormone perception.

In summer 2010, the Independent JuniorResearch Group Auxin Signaling (Dr. MarcelQuint) moved into the department to com-plement and strengthen the departmentalresearch theme on auxin action and biolo-gy as an independent group. The Quint groupemploys natural variation and populationgenetics to unravel auxin signaling net-works and their evolution.

Professor Claus Wasternack, interims chairof the former Department of Natural ProductBiotechnology and head of the former Re -search Group Mode of Action of Jasmonates,will stay affiliated with the IPB as a guestscientist in the Department of Molecular Sig -nal Processing to pursue various academicactivities. In 2009, he identified an isoleu-cine conjugate of jasmonate, (+)-7-iso-JA-Ile, as the possibly bioactive endogenousligand of the jasmonate receptor.

Nach mehr als 3-jähriger Vakanz der ehema-ligen Abteilung Naturstoff-Biotechnologie, diesich durch den Fortgang ihrer Abtei lungs lei -terin Frau Professor Toni Kutchan begründe-te, wurde die Abteilung Molekulare Signalver ar -beitung im Juli 2009 etabliert. Da fast die ge -samte Belegschaft der vorherigen Abteilungdas IPB seit 2006 verlassen hatte, bot sichdie Gelegenheit, eine Abteilung grundlegendneu aufzubauen, die das For schungsprofil desInstitutes nicht nur mit trägt, sondern auchzukunftsweisend mit prägt. Der thematischeSchwerpunkt der Abteilung Molekulare Signal -verarbeitung be steht darin, zu verstehen, wiePflanzen auf molekularem und auf systemi-schem Ni veau auf veränderte Umwelt be din -gungen reagieren und sich anpassen. DieseFor schungsthematik ist in Bezug auf Klima -wan del und zukünftige Ertragssicherung vonhoher Relevanz.

Pflanzen haben sich als Konsequenz ihrersessilen Lebensweise zu Spezialisten der An -passung und des Widerstandes entwickelt.So reagieren sie auf lokale Verän de run gen inihrer Umgebung mit zielgerichtetem Organ -wachstum, um günstigere Areale aufzuspü-ren und zu erreichen oder um un vor teilhaf-te Bedingungen zu vermeiden. Darü ber hi-naus reagieren Pflanzen auch mit profunderUmprogrammierung des Primär- und Sekun -därstoffwechsels, um chemisch effizienter zukommunizieren und sich wirksamer gegenFraßfeinde und Krank heits er re ger zu schüt-zen. Pflanzliche Re ak tionen auf die Umweltwerden über die Einbindung hormonalerSignaltransduk tionsmodule ge steuert undauf zellulärer und systemischer Ebene reali-siert. Das Hauptinteresse der Ab teilung be -

steht in der sowohl hypothesen-gestütztenals auch entdeckungs-motivierten Unter su -chung der grundlegenden Frage, wie pflanzli-che Sys te me auf molekularer und zellulärerEbene abiotische und biotische Para meterwahrnehmen, den Informationsgehalt dieserin terpretieren und über biochemische Sig -nal wege verarbeiten, um als Konse quenzadä quat auf Umweltveränderungen mit spe-zifischer Anpassung ihres Stoffwech sels undihres Wachstumsverhaltens zu reagieren. Be -sondere Forschungschwerpunkte bilden Un -tersuchungen zu Mechanismen der Nähr -stoffperzeption, zur Regulation des Ab wehr -stoffwechsels und zur Signal in te gration inder Hormonwirkung unter be sonderer Be -rücksichtigung der chemischen Wech sel wir -kungen zwischen Wurzelsystem und Rhi zo -sphäre von Modellorganismen. Bis zum Endedes Jahres 2010 wurden alle freien Stellenbesetzt und drei Arbeits grup pen etabliert.

Die Arbeiten zum Schwerpunkt Me cha nis -men der Nährstoffperzeption sind darauf ge -richtet aufzuklären, wie die biologische Ver -fügbarkeit von Phosphat im Nährmediumdie Wurzelentwicklung lokal über die Zell -teilung in den Wurzelmeristemen beinflusstund wie dadurch die Wurzelsystem ar chi tek -tur gezielt angepasst wird. Im Rahmen unse-rer For schungsarbeiten wurden die erstenmolekularen Komponenten eines Signal -trans duk tionsweges identifiziert, welcherdie Aktivität von primären Wurzel me ri s te -men an das ex terne Phosphatangebot an -passt. Eine Cha rakte ri sierung dieser Pro te i -ne hebt die Be deutung des endoplasmati-schen Reti ku lums und des Zellkernes in die-sem Prozess hervor und bestätigt einenkomplexen und antagonistischen Einflussder biologischen Ei sen ver füg barkeit auf diePhosphat per zep tion.

Die Arbeitsgruppe Regulation des Abwehr -stoff wechsels widmet sich der Biosynthesevon chemischen Abwehrstoffen, wie z. B.den Glukosinolaten und Phytoalexinen undde ren Regulation in Arabidopsis und Bras -sica. Bestimmte Abkömmlinge dieser Stoff -klas sen üben zusätzliche Funktionen als Sig -nal mo le küle in der Pathogenabwehr aus

oder bilden Zwischenstufen im Tryptophan-ab hängigen Auxinstoffwechsel. Die For -schungsarbeiten während des Berichts zeit -raumes konzentrierten sich auf eine detai-lierte enzymatische Charak te risierung vonUDP-Glu ko se-abhängigen Glu kosyl trans fe -rasen der UGT74-Familie und auf derenFunktionen in der Glukosinolatbiosyntheseund Hor monhomeostase (Auxin und Ethy -len). Die Identifizierung und Cha rak te ri sie -rung von Arabidopsismutanten mit einerveränderten Glukosinolat akku mu la tion bleibtein wichtiger Schwerpunkt dieser Arbeits -gruppe, insbesondere Struk tur - Funktions -Untersu chungen an IQD1 und verwandtenIQD Proteinen mit möglicher Beteiligung anKalzium-abhängigen Sig nal transduktions we -gen.

Die Arbeiten in der Gruppe Signalintegrationin der Auxinwirkung umfassen die Aufklärungder Inte gra tion von Licht- und Auxin sig na -len auf der Ebene der posttranlationalenMo di fi ka tion von kurzlebigen Transkrip -tions fak to ren (Aux/IAA-Proteine), welchedie auxin-abhängige Expression von primä-ren Genen regulieren. Schwerpunkte bildendie NMR-Strukturaufklärung und die phyto-chrom-ab hängige Phosphorylierung vonausgewählten Aux/IAA-Proteinen. Zu künf -tige Forschungs arbeiten dieser Gruppewerden von Frau Dr. Luz Irina Calderón Vil -la lo bos koordiniert, die besonders anStruktur-Funktions-Ana ly sen von TIR1/ AFB:Aux/IAA- Auxin-Korezep toren und anderenF-Box-Proteinen in der Proteolyse-abhängi-gen Hormonperzeption interessiert ist.

Im Sommer 2010 wurde die UnabhängigeNachwuchsgruppe Auxin Signaltransduktionunter Leitung von Dr. Marcel Quint in dieAbteilung Molekulare Signalverarbeitung aufge-nommen, um weiterhin als unabhängige Ar -beitsgruppe das Forschungsprofil der Ab -teilung auf dem Gebiet der Auxin bio lo gie zukomplementieren und zu stärken. Die Ar -beitsgruppe Quint nutzt natürlich vorkom-mende genetische Variabilität und einen po -pulationsgenetischen Ansatz, um auxinregu-lierte Netz wer ke und deren Evolution zuun tersuchen. 13

ABTEILUING MOLEKULARE SIGNALVERARBEITUNG

Leiter: Professor Steffen AbelSekretärin: Ines Deák

About 30 elements are required for healthyplant growth, and inadequate phosphor (P)availability is often the second most limitingfactor (after N) for biomass producion.Inorganic phosphate (Pi), the most readilyassimilated form of P, and its conjugateanhydrides constitute major nodes in bio-energetics and metabolism. Conse quently, Pinutrition directly impacts plant fitness andperformance. To cope with inadequate Pibioavailability in the rhizosphere, which is acommon situation in many ecosystems andoften a result of complex soil chemistries,plants activate a set of adaptive responsesthat reprioritize internal Pi allocation andmaximize external Pi acquisition. Such coun-termeasures include reprogramming of me -tabolism to maintain intracellular Pi ho me -ostasis and redesign of root system archi-tecture to accelerate soil exploration. Whilethe physiological and biochemical responsesto Pi shortage are relatively well understood,the sensory mechanisms that monitor envi-ronmental Pi status and interpret the nutri-tional signal in Pi rescue efforts are largelyunknown.

Our research group is particularly inte -rested in unravelling regulatory networksthat govern root growth responses to ex -ternal Pi availability. When challenged by Pilimitation, plants adjust root development

to optimize interception of the nutrient,which becomes more limiting with increa-sing soil depth. Thus, Pi deficiency stimu-lates formation of a shallow root systemand expansion of root surface area by atte-nuating primary root extension rate, pro-moting development of lateral roots, andintensifying root hair formation (Fig. 1).Physiological and molecular studies indicate

that external Pi availability is sensed locallyat root tips to adjust meristem activity ac -cordingly. We have taken a forward gene-tics approach in Arabidopsis thaliana to dis-sect Pi sensing and have isolated several Pi-deficiency-response (pdr) mutants that displayhypersensitive primary root growth inhibi-tion in response to Pi deprivation.

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MECHANISMS OF NUTRIENT SENSING

Head: Steffen Abel

GROUP MEMBERS

Katharina BürstenbinderPostdoctoral Position

Kristin EismannTechnician

Jens MüllerPostdoctoral Position

Katja NiemannResearch Assistant

Silke RichterPostdoctoral Position

Siriwat SakhonwaseePhD Student

Janine TellerStudent Assistant

Domenika ThiemeTechnician

Theresa ToevPhD Student

Fig. 1: Arabidopsis root system architecture and CYCB1::GUS expression in roots of plants grown in highPi (left panels) and low Pi (right panels) medium. The reporter gene is expressed at the G2/M phase ofthe cell cycle. Pi limitation causes a reduction of primary root meristem size (blue bars), increased of late-ral root formation, and development of longer root hairs at higher density.

high Pi low Pi

Fig. 2: Loss of stem cell fate in Pi-deprived pdr2 roots. Stem cell identity in wild type (WT) and pdr2 rootsafter transfer from Pi-sufficient medium to media with high or low Pi for two days. Double staining of thequiescent center (QC25::GUS expression) and columella cells (iodine staining of starch in amyloplasts).White arrows point to the position of columella stem cells (no amyloplast development), which show signsof differentiation (appearance of amyloplasts) for pdr2 after transfer to low Pi medium (red arrow).

high Pi low Pi

WT

pdr2

We focused our studies on the characteri-zation and molecular identification of pdrmutations that cause development of highlytruncated root systems in conditions of Pilimitation. Such pdr mutants, typified bypdr2 and pdr3, point to a Pi-sensitive check-point in root development that regulatesstem cell identity and meristem activity inresponse to local Pi availability (Fig. 2). Weidentified PDR2 to encode the single P5-type ATPase in Arabidopsis, which localizesto the endoplasmic reticulum (ER) mem-brane and likely functions in processes rela-ted to ER quality control (transport specifi -cities of P5-type ATPases remain elusive forany organism). We observed that PDR2 isrequired for proper expression of nuclearSCARECROW (SCR) protein levels whenexternal Pi becomes limiting. SCR is a keytranscription factor that, together withSHORT-ROOT (SHR) and RETINOBLAS -TOMA-RELATED (RBR), controls radialroot patterning, specification of the quies-cent center, and the size of the stem cell

pool. Thus, it is likely that the PDR2-depen-dent growth response to Pi status recruitsthe SCR-RBR pathway to adjust the ba-lance of cell division and differentiation inthe root meristem (Fig. 3).

In collaboration with the group of ThierryDesnos and Laurent Nussaume, we furthershowed that the multicopper oxidase(MCO) encoded by LOW PHOSPHATEROOT 1 (LPR1) is targeted to the ER andthat PDR2 and LPR1 interact genetically. Be -cause the expression domains of both genesoverlap in the stem cell niche and distalroot meristem, we propose that PDR2 andLPR1 function together in an ER-encom-passing pathway that fine-tunes root meri-stem activity according to external Pi avai-lability. Considering the epistatic relation-ship of the recessive pdr2 and lpr1 muta-tions, PDR2 is proposed to restrict LPR1output, either by negatively regulating LPR1biogenesis or function, or by limiting pro-ducts generated by its associated MCO ac -

tivity. Mounting evidence by other laborato-ries suggests that partially antagonistic in -teractions between Pi and iron (Fe) availa-bility in the rhizosphere mediate the localgrowth response of roots to low Pi. Forexample, Pi deprivation causes elevated Fetissue content and alters the expression ofgenes with roles in Fe transport and ho me -ostasis. Interestingly, we observed that thepdr2 mutation sensitizes root meristem ac -tivity not only to the inhibitory effect of de -creasing Pi, but also to increasing externalFe availability. Although the substrate spe-cificity of LPR1 remains to be established, itis tempting to speculate that PDR2/LPR1-dependent Fe transport and Fe-mediatedredox signaling modulates root meristemactivity and root development in responseto Pi deficiency.

We recently identified PDR3, which encodesa nuclear protein with similarity to a histonedeacetylase subunit in yeast. As observedfor PDR2, nuclear SCR protein expressionin low Pi is dependent on PDR3, and ourpreliminary data suggest that PDR2 andPDR3 functionally interact. Thus, LPR1,PDR2 and PDR3 are the first protein com-ponents of signaling pathway that adjustsroot meristem activity to external Pi (Fig.3). This module provides an excellent impe-tus for exploring how an environmental cueregulates the balance between cell divisionand differentiation.

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Die biologische Verfügbarkeit des assimilierten Makronährstoffs Phosphat ist für Pflanzen wegen dessenphy siko-chemischer Eigenschaften in vielen Ökosystemen erheblich eingeschränkt. Pflanzen reagierenauf Phosphatmangel mit einer Umprogrammierung des Stoffwechsels und mit einer Veränderung der

Wurzelsystemarchitektur, um den Phosphathaushalt effizienter zu gestalten und externe Phosphat res sour cenbesser zu erschließen. Wir haben einen genetischen Ansatz im Modellsystem Arabidopsis gewählt, um erste mo -lekulare Komponenten eines phosphat-abhängigen Signaltransduktionsweges zu identifizieren, der die Akti vitätvon Wurzelspitzenmeristemen an die lokale Verfügbarkeit von Phosphat im Nährmedium anpasst. Die PHOS-PHATE-DEFICIENCY-RESPONSE (PDR) Genprodukte PDR2 (eine ER-lokalisierte P5-typ ATPase) und PDR3 (einZellkernprotein) sind in diesem Prozess von besonderer Bedeutung und weisen auf einen antagonistischen Ein -fluss der biologischen Eisenverfügbarkeit auf die Phosphatperzeption hin.

COLLABORATORS

Thierry Desnos, Laurent NussaumeCentre de commissariat à l’énergie atomique (CEA)

Cadarache, France

Geert De JaegerVIB-University of Ghent, Belgium

Carla TicconiUniversity of California, Davis, USA

Fig. 3: Model of local Pi sensing in the Arabidopsis root meristem.

Golgi

AuxinResponse

(Fe, ROS?)

ER

Secretory Pathway

Nucleus

LPR1 PDR3PDR2 SCR RBR

Differentiation

Division

High Pi Low Pi Phosphite

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Research in our group is broadly centeredon how plants defend themselves frompests and pathogens in the context of thediverse challenges they face in the realworld. That is, while much previous workhas centered on the mechanisms of resis-tance (e.g. the role of gene-for-gene inter-actions in pathogen recognition), in realityplants face a multitude of challenges, bothbiotic (competition for nutrients, light andwater, as well as attack by hostile orga-nisms) and abiotic (salt stress, drought,etc.), and must make strategic decisionsabout how to deploy their limited re sour -ces to meet these multiple threats. Ourgroup seeks to shed light on the molecularma chi nery by which plants process inco-ming in formation and mount appropriateresponses.

Glucosinolates (GS) are a class of secon-dary metabolites with a central role in de -fense of plants of the Order Brassicales, in -cluding the model plant Arabidopsis thaliana.We have initiated several lines of researchto expand on our previous work on GSbiosynthesis. We previously demonstratedthat the glucosyltransferase UGT74B1 isthe major enzyme catalyzing the penulti-mate step of the GS biosynthetic pathway;yet ugt74b1 mutants nevertheless accumu-late significant quantities of GS. And whileGS accumulation is responsive to pathogenattack, expression of UGT74B1 is much lessso. These apparent paradoxes have led usto investigate the other ~120 glucosyltrans-ferases encoded by the Arabidopsis ge -nome in order to identify those which mayplay a role in GS synthesis. This work nowfocuses on UGT74C1, which appears to be

dedicated to the aliphatic branch of thepathway, and may have a special role in GSsynthesis in response to pathogen attack(Fig. 1).

As a corollary to this work, we wished tostudy the specificity of candidate glucosyl-transferases with respect to the structureof their thiohydroximate substrates, butwere limited by lack of commercially avail-able substances. Thiohydroximates com-prise a diverse class of compounds impor-tant in both biological and industrial che-mistry, published syntheses of which are ge -nerally limited to simple alkyl and aryl com-pounds with few stereocenters and a nar-row range of functional groups. We hypo-thesized that sequential action of two re -combinant enzymes, a sulfatase from Helixpomatia and a β-O-glucosidase from Cal di -cellulosiruptor saccharolyticus, on GS wouldallow synthesis of thiohydroximates from astructurally broad array of abundant pre-cursors. In collaboration with JürgenSchmidt of the Department of BioorganicChemistry, we recently reported the suc-

cessful synthesis of thiohydroximates of va -ried chemical classes, including from ho mo -chiral compounds of demonstrated biolo-gical activity (Fig. 2). This was the first pub-lication of our group. This chemoenzyma-tic synthetic route should allow access tomany, if not all, of the thiohydroximate corestructures of the ~200 known naturally oc -curring GS.

A further outgrowth of our previous workhas led us to investigate in more detail, incollaboration with José M. Alonso, theinterconnections between GS metabolismand that of indole acetic acid, the mostabundant auxin in plants. The importanceof crosstalk between the auxin and ethy-lene signaling pathways (the latter an areaof expertise for Dr. Alonso) has led to theinitiation of a series of experiments investi-gating the phenotypes of numerous combi-nations of mutants in the GS and auxin bio -synthesis and signaling pathways (Fig. 3).

GS are not the only defensive compoundsin plants of the Brassicales: this orderboasts an extremely rich array of indolic se -condary metabolites, including camalexin,brassinin, wasalexins, and many other com-pounds. The biosynthetic pathways forthese compounds must compete, directlyor indirectly, for the same pool of precur-sors. In order to investigate how plants re-gulate the distribution of resources amongthese pathways, we are collaborating withM. Soledade C. Pedras, an organic chemist

REGULATION OF DEFENSE METABOLISM

Head: Douglas Grubb

GROUP MEMBERS

Katja Baumann-KaschigTechnician

Fred JunghansStudent Assistent

Jakub KopyckiPostdoctoral Position

Birgit OrtelTechnician

Elisabeth WieduwildStudent Assistent

Fig. 1: A null mutation in glucosyltransferaseUGT74C1 has no morphological phenotype on itsown, but enhances the dwarf phenotype of ugt74b1plants (a). However, it does not exacerbate the highauxin phenotypes of ugt74b1 mutants (b).

(a)

(b)

Wt (Col) ugt74c1 ugt74b1ugt74b1ugt74c1

Fig. 2: Compounds syn-thesized as part ofour study of a no -vel route to thio-hydroximate syn-thesis.

with expertise in this area; by manipulatingexpression of various genes of the morewell-described pathways (GS and camale-xin), we hope to discover exactly wherethis multitude of pathways diverge fromone another. This will provide the necessaryba sis from which to further explore regula-tory interconnections of the competing bio -synthetic routes.

We have also initiated a new investigation,motivated by the recent discovery that atleast one GS (4-methoxy-indol-3-ylmethyl-glucosinolate, 4IM) is not only a primaryeffector in plant defense, but also a signalingmolecule necessary for proper re sponse topathogen attack. In collaboration with JohnM. McDowell, we are exploring natural vari-ation in Arabidopsis in its de fense responseto the oomycete Hyalo pe ro nospora arabi -dopsidis, utilizing two populations of plants,which differ only in that one lacks the abi-lity to produce the signaling molecule, 4IM,with the following rationale: a comparisonof the genetic loci important for resistanceto H. arabidopsidis in the two populationswill reveal, which of these loci are down-stream 4IM, and therefore regulated by thiscompound. We expect this to be an exci-ting new area of research in the future.

Finally, we have one project on chloroplas-tic viroids: plant pathogens consisting of a

single-stranded RNA molecule that are ableto enter plastids and replicate within them.Our interest in these pathogens lies in thefact that plastids are able to import them,despite the fact that they are at least fourtimes larger than any known import sub-strate. Furthermore, we note that virusesand viroids do not invent: that is, they pa-rasitize existing activities (transcription,translation, intercellular trafficking of largemolecules, et al.), which are essential tohost biology. We therefore suspect that in -vestigation of viroid import, and elucidationof the signals, which facilitate this process,may give us a foothold from which to inves-tigate chloroplastic RNA import in general.In collaboration with eminent viroid expertRicardo Flores Pedauyé, we are developingan in vivo assay that should allow precisecharacterization of the viroid structure(s),which mediate import.

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COLLABORATORS

José M. AlonsoNorth Carolina State University, USA

John M. McDowellVirginia Tech, USA

Ricardo Flores Pedauyé Instituto de Biología Molecular y Celular de

Plantas, Spain

M. Soledade C. PedrasUniversity of Saskatchewan, Canada

Milton StubbsUniversity of Halle, Germany

Im Mittelpunkt unserer wissenschaftlichen Arbeit steht die Frage, wie sich Pflanzen, im Kontext von diversenUmweltveränderungen, vor widrigen Bedingungen und Krankheitserregern schützen. Neben den molekula-ren Mechanismen der Krankheitsresistenz im Speziellen (z.B. die Rolle der Gen-für-Gen-Interaktionen bei

der Erkennnung von Pathogenen), interessieren uns weitere und generelle Resistenzmechanismen, denn diereale Situation für die Pflanze ist durch eine Vielzahl von Herausforderungen gekennzeichnet, die sowohl bioti-scher (Konkurrenz um Nährstoffe, Licht und Wasser, Attacken von feindlichen Organismen) als auch abiotischer(Salzstress, Trockenheit usw.) Natur sein können. Pflanzen müssen demnach zu jeder Zeit strategischeEntscheidungen darüber treffen, wie sie ihre begrenzten Ressourcen einsetzen, um diesen multiplen Gefahrenzu begegnen.

Im Speziellen untersuchen wir die molekularen Mechanismen, mit der die Pflanze eingehende Signale prozes-siert und in adäquate Reaktionen umgewandelt. In Fortsetzung unserer früheren Arbeiten über die Rolle vonGlucosyltransferasen in der Glucosinolatsynthese konzentrieren wir uns zurzeit auf die GlucosyltransferaseUGT74C1, welche offenbar in den aliphatischen Zweig des Syntheseweges involviert ist und wahrscheinlich eineRolle bei der Glucosinolatsynthese nach Pathogenbefall spielt. In diesem Zusammenhang konnten wir nachwei-sen, dass mindestens ein Glucosinolat sowohl als Effektor als auch als notwendiges Signalmolekül für eine effek-tive Abwehrreaktion von Pathogenen agiert. Wir gehen davon aus, dass dieser Be fund perspektivisch in ein neu -es, ergiebiges Forschungsfeld mündet.

Fig. 3: The high auxin phenotypes of the ugt74b1mutant, including de-etiolation of dark grown seed-lings (a) and massive production of adventitiousroots (b), are alleviated by mutations (cyp79b2cyp79b3) which block indole glucosinolate biosyn-thesis, highlighting the connections between thesetwo pathways.

(a)

Ws-0 ugt74c1 ugt74b1cyp79b2cyp79b3

(b)

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The simple phytohormone related to tryp-tophan, indole-3-acetic acid (IAA or auxin)has probably been the most intensely stu-died small molecule in plants as it impactsvirtually every facet during their life cycle(Fig.1). Biological responses to auxin, whichlead to profound changes in cellular fate andactivity, depend on hierarchical control ofgene expression and are executed by an es -sential interplay of two classes of trans -cription factors, known as Aux/IAA (Auxin-or IAA-inducible) and ARF (Auxin Re sponseFactors) proteins.

Much has been learned from the study ofthe Aux/IAA gene family, which directly linksauxin perception to the control of nucleargene expression. Many Aux/IAA genes areprimary auxin response genes that are ra-pidly induced by the hormone and encodeextremely short-lived proteins of low abun-dance, having half lives of only a few mi-nutes. Most Aux/IAA polypeptides containfour conserved domains (I-IV). Domain Ican function as a transferable repressiondomain and recruits transcriptional co-re -pressors, and domain II features a degronpeptide conferring protein instability (Fig.2). Domain III is predicted to adopt a βαα-fold similar to the DNA-binding region ofprokaryotic transcription factors of the rib-bon-helix-helix family, such as Arc or MetJ.The C-terminal half (domains III and IV)mediates heterodimerization between Aux/IAA and ARF family members. Elevation ofauxin concentration rapidly (<2 min) acce-le rates proteasome-dependent Aux/IAAprotein degradation by recruiting its do -main II to the TRANSPORT INHIBITORRESISTANT 1 (TIR1) SCF-type E3 ubiquitinprotein ligase complex. Auxin facilitates theinteraction between TIR1 and the degronpeptide of Aux/IAAs, indicating that TIR1and Aux/IAA proteins constitute co-recep-tors for auxin.

SIGNAL INTEGRATION IN AUXIN ACTION

Head: Steffen Abel

GROUP MEMBERS

Dinesh Dhurvas ChandrasekaranPhD Student

Verona WildeTechnician

Fig. 2: Control of auxin responsive gene expression. The TIR1 SCF-type E3 ubiquitin protein ligase com-plex consists of subunits Rbx, Cullin, ASK1, and TIR1. (Ub) ubiquitin.

Fig. 1: Some developmental processes regulated by auxin (left panel), and two classic biological systems forstudying auxin responses, pea seedlings (Pisum sativum) grown in the dark and small Arabidopsis thalianasprouts, (right panel).

Removal of Aux/IAA proteins de-repressesthe function of ARF proteins, which bind toauxin-responsive promoter elements ofprimary response genes via their N-termi-nal B3 domain. This causes activation of tar-get genes, including early Aux/IAA genes aspart of a negative feedback regulation of au -xin-regulated transcription (Fig. 2).

Characterization of several gain-of-functionmutations in domain II that impair auxin-dependent docking of certain Aux/IAA pro-teins to TIR1 suggests interactions betweenauxin and light signaling. As a consequence,stabilization of select Aux/IAA proteins cau-ses partial photomorphogenesis in the darkand suppresses phenotypes of phytochrome(Phy) loss-of-function mutants. Plants pos-sess three classes of photosensors, amongwhich the Phy family mediates metabolic anddevelopmental responses to red (full sun)and far-red (shade) light. Because phyto -

chromes are light-regulated, autophospho-rylating Ser/Thr kinases, we previously tes-ted whether Aux/IAA proteins interact withPhy and are substrates for its protein kinaseactivity. Indeed,Aux/IAA proteins are phos-phorylated by Phy in vitro on their N-termi-nal half encompassing domains I and II. Thus,Phy-dependent phosphorylation of selectAux/IAAs is thought to regulate their nu -clear steady-state concentrations or to con-trol specific Aux/IAA activities and may pro-vide a molecular mechanism for integratingauxin and light signaling in plant develop-ment.

The major objective of our research group isto understand structure-function relation-ships of select Aux/IAA proteins and theirrelevance for potential interaction withDNA and for post-translational regulationby Phy. Towards this goal, we have been col-laborating with the laboratory of Jochen Bal -

bach to solve the solution NMR structuresof select full-length Aux/IAA proteins and va -rious truncated polypeptides (contai ning do -main III or the C-terminal half en compassingdomains III and IV). We have expressed in E.coli and affinity-purified a set of full-lengthand deleted Aux/IAA proteins. Far-UV circu-lar dichroism spectroscopy of Aux/IAA do -main III polypeptides suggests the presenceof the predicted βαα - fold. To understandAux/IAA structure at the atomic level, wepurified 13C-15N labeled Aux/IAA-derivedpolypeptides and performed standard 2Dand 3D NMR experiments (Fig. 3). Our firststudies yielded promising results and indica-ted that we are on the right path to solvethe solution structure of Aux/IAA proteinsby NMR spectroscopy. These biophysical stu -dies will also provide a molecular frameworkfor understanding the mechanism of Aux/IAA binding to DNA and ultimately theirrole as transcriptional regulators.

In January 2011, Dr. Luz Irina Calderón Vil la -lobos from the Estelle laboratory at the Uni -versity of California, San Diego, joined ourgroup. She will direct and coordinate futureresearch and will study structure-functionrelationships of TIR1/AFB:Aux/IAA auxin co-receptors and other F-box proteins withroles in proteolysis-coupled perception ofhormones and small molecules.

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COLLABORATORS

Jochen Balbach, Milton StubbsUniversity of Halle

Clark LagariasUniversity of California, Davis, USA

Auxin (indole-3-acetic acid oder IAA) reguliert pflanzliches Wachstum hauptsächlich über hierarchischeGenexpression. Zwei Klassen von Transkriptionsfaktoren spielen hierbei eine zentrale Rolle: Au xin-in du -zierbare, kurzlebige Proteine (Aux/IAAs) reprimieren die Funktion von Auxin-Response-Fak to ren

(ARFs), welche die Expression primärer Antwortgene über definierte Promotererkennung steuern. Auxin indu-ziert über direkte Interaktion den schnellen Abbau von Aux/IAA-Proteinen mit nachfolgender Genakti vie rung.Des Weiteren werden bestimmte Aux/IAAs von Phytochrom in vitro phosphoryliert, was auf eine Inte gra tion vonAuxin- und Lichtsignalwirkung schließen lässt. Wir untersuchen Struktur-Funktions-Beziehungen von ausge-wählten Aux/IAA-Proteinen mittels biochemischer und biophysikalischer Methoden besonders in Bezug auf de -ren potenzielle Fähigkeit, DNA mit Hilfe eines βαα-Strukturelementes direkt zu erkennen sowie hinsichtlich ih -rer post-translationalen Modifikation durch Phytochrom.

Fig. 3: NMR spectra of an unlabeled (1D) and 15N-labeled (2D HSQC) recombinant, purified Aux/IAA poly-peptide (domain III-IV) from pea (PsIAA4).

The Independent Junior Research Groupwas initiated in 2007 and is part of the Ex -zel lenznetzwerk Biowissenschaften.

Our group is interested in the genetic dis-section of the plant’s response to phyto-hormone stimuli and the mechanisms regu-lating the underlying signaling cascades. Wi -thin this framework, the phytohormone au -xin is in the center of our research efforts.It is a potent regulator of plant develop-ment and since its discovery in the begin-ning of the 20th century many aspects ofauxin biology - ranging from biosynthesis,metabolism, and transport to the elucida-tion of molecular components of down-stream signaling - have been extensivelystudied. The ubiquitin-proteasome systemhas emerged as a key player in auxin signa-ling as well as phytohormone signaling ingeneral. SCF-type E3 ubiquitin ligases medi-ate the degradation of signaling compo-nents and thereby regulate hormone-in -duced gene expression which ultimatelytranslates into the cell’s response to thehormone stimulus.

In our systematic approaches to this fieldwe are focusing on the naturally occurringgenetic variation for auxin and other hor-

mone responses in the world-wide genepool of Arabidopsis. Briefly, we discoveredthat Arabidopsis accessions from differentgeographical locations in the world varygreatly in their sensitivity to exogenouslyapplied auxin (Delker et al., 2008; Fig. 1). Itturned out that natural variation on thephenotypic level is mirrored by an even lar -ger amount of variation in the transcriptio -nal response to auxin stimuli. We investiga-ted natural variation in the context of phy-siological and transcriptional responses(Delker et al., 2010; Fig. 2). We observeddramatic variation on the global transcrip-tome level after induction of auxin re-sponses in seven accessions. Although wedetect isolated cases of major-effect poly-morphisms, sequencing of signaling genesrevealed sequence conservation, making se -lective pressures that favor functionally dif-ferent protein variants among accessionsunlikely. However, coexpression analyses ofa priori defined auxin signaling networksidentified variations in the transcriptionalequilibrium of signaling components. In ag reement with this, cluster analyses of ge -nome-wide expression profiles followed byanalyses of a posteriori defined gene net-works revealed accession-specific auxin re -sponses. We hypothesize that quantitative

distortions in the ratios of interacting sig-naling components contribute to the de -tected transcriptional variation, resulting inphysiological variation of auxin responsesamong accessions (Delker et al., 2010).

On another level, we are applying quantita-tive genetic approaches to grasp the gene-tic diversity present in the Arabidopsis genepool. We have identified numerous quanti-tative trait loci (QTLs) involved in the in he -ritance of natural variation of responses toauxin and other hormones and are current-ly functionally validating the identified QTLsto start fine-mapping and cloning of thefirst auxin response QTL. In the near fu -ture, our immediate goal is to clone andcharacterize auxin QTLs and to intensifyour studies on other phytohormones.

At the moment, we are extending the stu-dies regarding the natural variation of auxinresponses from the intra- to the inter-spe -cies level. Analysis of the genetic setup, thephysiological and transcriptional capabilitiesto respond to auxin stimuli between vari-ous species within the Brassicaceae familyenables us to describe naturally occurringgenetic variation on a broader scale andlook into the evolutionary aspects of auxin

Fig. 2: Three Arabidopsis accessions responding differently to the auxin-inducible reporter DRS-GUS.

- IAA

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AUXIN SIGNALING

INDEPENDENT JUNIOR RESEARCH GROUP

Head: Marcel Quint

GROUP MEMBERS

Carolin DelkerPostdoctoral Position

Kathrin DenkTechnician

Stefan EttingshausenDiploma Student

Jana GentkowPhD Student

Steffi MullTechnician

Antje HellmuthDiploma Student

Jana MüglitzPhD Student

Anja RaschkePhD Student

Nadine SchumannPhD Student

Kristian UllrichPhD Student + IAA

Fig. 1: Natural variation of Arabidopsis accession in response to exogenously applied auxin.

response. By conducting this type of analy-sis within the Brassicaceae we are able tomake use of genetic colinearity /synteny toArabidopsis and benefit from the vast ge -netic resources of the model plant.

Coming back to the central regulators ofhormone signaling - the SCF complexes -we are generally interested in the under-standing of the function and evolution ofthe target-recruiting F-box subunits of E3ligases. With ca. 700 members the F-boxgene superfamily is among the largest gene

families in Arabidopsis and the whole plantkingdom. However, to date only about 5%of them have been studied on the functio-nal level. We therefore started to investi-gate the phylogeny and evolution of a largesubfamily of F-box proteins which is cha-racterized by C-terminal kelch repeat pro-tein-protein interaction domains. Fur ther -more, we selected a small cluster of phylo-genetically closely related F-box kelch pro-teins within this large subfamily for func-tional studies on the molecular and physio-logical level by reverse genetics (Fig. 3).

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COLLABORATORS

Thomas Altmann, Renate SchmidtLeibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant

Research, Gatersleben

William M. GrayUniversity of Twin-Cities, USA

Ivo Grosse, Bernhard SaalUniversity of Halle

Thomas LahayeUniversity of Munich

Auxine sind Pflanzenhormone, die direkt oder indirekt nahezu jeden Aspekt der pflanzlichen Entwicklungregulieren. Dabei beeinflussen sie auf zellulärer Ebene elementare Prozesse wie Zellteilung, -elongationund –differenzierung. Auf molekularer Ebene induziert der Auxinstimulus nach Erkennung über eine kur -

ze Signalkaskade im Zellkern die differentielle Expression einer großen Anzahl von Genen, die letzten Endes dieReaktion der Zelle koordinieren. Arabidopsis-Ökotypen/Akzessionen aus unterschiedlichen geographischen Ha -bitaten unterscheiden sich auf physiologischer Ebene deutlich in ihrer Sensitivität gegenüber dem Auxin sti mu -lus. Wir untersuchen diese natürliche genetische Variation unter Nutzung des weltweiten Genpools von Ara bi -dopsis und versuchen die Faktoren und Mechanismen zu verstehen, die verantwortlich für diese Variation sind.

Darüber hinaus charakterisieren wir auf phylogenetischer, molekularer und phänotypischer Ebene eine großeUnterfamilie von F-box Proteinen, die eine gewisse Verwandtschaft zu den Auxinrezeptoren aufweisen, über dieaber noch nahezu nichts bekannt ist.

Fig. 3: Molecular phylogenyof land plant F-box proteinswith C-terminal kelch re-peat protein-protein inter-ac-tion do mains.

PUBLICATIONS 2009Clarke, S.M., Cristescu, S.M., Miersch, O., Harren,F.J.M., Wasternack, C. & Mur, L.A.J. Jasmonates actwith salicylic acid to confer basal thermotolerancein Arabidopsis thaliana. New Phytol. 182, 175-187.

Fonseca, S., Chini, A., Hamberg, M., Adie, B., Por zel, A.,Kramell, R., Miersch, O., Wasternack, C. & Solano, R.(+)-7-iso-Jasmonoyl-L-isoleucine is the endogenousbioactive jasmonate. Nat Chem Biol. 5, 344-350.

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Mugford, S.G., Yoshimoto, N., Reichelt, M., Wirtz, M.,Hill, L., Mugford, S.T., Nakazato, Y., Noji, M., Ta kahashi,H., Kramell, R., Gigolashvili, T., Flügge, U.I., Wasternack,C., Gershenzon, J., Hell, R., Saito, K. & Kopriva, S.Disruption of Adenosine-5'-Phos phosulfate kinase inArabidopsis reduces levels of sulfated secondary me -tabolites. Plant Cell 21, 910-927.

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BOOK CHAPTERS 2009Dorka, R., Miersch, O., Hause, B., Weik, P., Was ter -nack, C. Chronobiologische Phänomene und Jas mo -natgehalt bei Viscum album L. In: Die Mistel in der Tu -mortherapie 2 (Scheer, R., Bauer, R., Bek ker, A., Berg,P. A., Fintelmann, V. eds.) KVC-Verlag Essen, pp. 49-56.ISBN 978-3-933351-82

Wasternack, C. Jasmonates in Stress, Growth, andDevelopment. In: Plant Stress Biology (Hirt, H. ed.)WILEY-VCH Weinheim, pp. 91-118.ISBN 978-3-527-32290-9

PUBLICATIONS 2010Abel, S. & Theologis, A. Odyssey of Auxin. Cold SpringHarbor Perspectives in Biology. DOI:10.1101/cshperspect.a004572.

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Robson, F., Okamoto, H., Patrick, E., Harris, S.,Wasternack, C., Brearley, C. & Turner, J.G. Jas mo nateand phytochrome a signaling in Arabidopsis woundand shade responses are integrated through JAZ1stability. The Plant Cell 22, 1143 – 1160.

Sreenivasulu, N., Radchuk, V., Alawady, A., Borisjuk, L.,Weier, D., Staroske, N., Fuchs, J., Miersch, O.,Strickert, M., Usadel, B., Wobus, U., Grimm, B., We -ber, H. & Weschke, W. De-regulation of ab sci sic acidcontents causes abnormal endosperm developmentin the barley mutant seg8. Plant J. 64, 589-603.

Stumpe, M., Göbel, C., Faltin, B., Beike, A.K., Hause,B., Himmelsbach, K., Bode, J., Kramell, R., Was ter -nack, C., Frank, W., Reski, R. & Feussner, I. The mossPhyscomitrella patens contains cyclo pen te nones butno jasmonates: mutations in al lene oxide cyclaselead to reduced fertility and altered sporophytemorphology. New Phytologist 188, 740-749.

Wasternack, C. & Xie, D. The genuine ligand of a jas-monic acid receptor: Improved analysis of jasmo -nates is now required. Plant Signal Behav. 5, 337-340.

Wasternack, C. & Kombrink, E. Jasmonates: structur-al requirements for lipid-derived signals active inplant stress responses and development. ACS Chem.Biol. 5, 63-77.

DOCOTORAL THESIS 2010Siriwat Sakhonwasee: Phosphate sensing in the Ara -bi dopsis root meristem. University of Cali fornia, Da -vis, USA. Plant Biology Graduate Group. 04/10/2010

BACHELOR THESES 2010Janine Kohlschmidt: Biochemische Charak te ri sie -rung ausgewählter UGT74 Glucosyltransferasen ausArabidopsis thaliana. Hochschule Anhalt (FH), Fach be -reich Angewandte Biowissenschaften und Pro zess -technik. 28/10/2010

Katja Niemann: Biochemische und molekularbiolo-gische Untersuchungen zur Charakte ri sie r ung derP5-Typ ATPase PDR2. Hochschule An halt (FH),Fachbereich Angewandte Bio wis sen schaften undProzesstechnik. 09/09/2010

ACTIVITIES OF THE INDEPENDENT

JU NIOR RESEARCH GROUP

AUXIN SIG NALING

PUBLICATIONS 2009Quint, M., Barkawi, L.S., Fan, K.-T., Cohen, J.D. &Gray, W.M. Arabidopsis IAR4 modulates Auxinresponse by regulating Auxin homeostasis. Plant Phy -siology 150, 748-758.

Ludwig-Müller, J., Denk, K., Cohen, J.D. & Quint, M.An inhibitor of tryptophan-dependent biosynthesisof indole-3-acetic alters seedling development inArabidospsis. J Plant Growth Regul.,DOI: 10.1007/s00344-009-9128-1Erschienen: Vol. 29 (2010), 242-248.

PUBLICATIONS 2010Delker, C., Pöschl, Y., Raschke, A., Ullrich, K., Et -tingshausen, S., Hauptmann, V., Grosse, I. & Quint, M.Natural variation of transcriptional auxin re sponsenetworks in Arabidopsis thaliana. Plant Cell,http://dx.doi.org/10.1105/tpc.110.073957erschienen: 22 (2011), 2184-2200.

BOOK CHAPTER 2010Hendrickson Culler, A., Quint, M., Slovin, J.P. &Cohen, J.D. Auxin chemical and molecular biology.In: Comprehensive Natural Products Chemistry II; Vol.4: Chemical Ecology. (Mori, K. ed.) El se vier-VerlagAmsterdam, pp. 9-125. ISBN 978-0-08-045386-6

DIPLOMA THESES 2010Stefan Ettingshausen: Populationsgenetische Ana -lysen von Auxin-assoziierten Genen in Ara bi dop sisthaliana, MLU Halle, Fachbereich Biologie,05.05.2010

Antje Hellmuth: Funktionelle Charakterisierung vonF-Box-Proteinen in Arabidopsis thaliana, MLU Halle,Fachbereich Biochemie / Biotechnologie, 14.09.2010

PUBLICATIONS OF THE DEPARTMENT

OF MOLECULAR SIGNAL PROCESSING

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Our research focuses on the identificationand understanding of small molecules andtheir effects within biological systems, andon the application of chemical compoundsto probe and modify biological systems.Three main lines of research are followedto achieve this:

(1.) We try to learn from nature's chemis -try through both elucidation of natural struc-tures as well as understanding basic prin-ciples of nature's application of chemistry ina biological context.

(2.) We use total and diversity orientedsynthesis of natural products and deriva-tives, including biotransformations, for ap -plications in biology, medicine, nutrition andagrochemistry.

(3.) We try to increase our understandingof molecular interaction processes and de -velop new tools, probes and recognitioncompounds to study these.

The analysis, isolation, characterization, andmodification of secondary metabolites andenzymes from plants and fungi is the basisof our efforts to understand the propertiesof these compounds or to disclose theirfunction in nature, and finally to exploretheir use in chemistry and biology. App li ca -tions are driven by the discovered proper-ties and include such diverse areas as agro-chemicals, lead structures in medicinal che-mistry or novel food ingredients, biologicalresearch tools, or the utilization of en-zymes as biocatalysts. This is backed by thedevelopment of analytical tools, e.g. for me -tabolic profiling, by a synthesis program toincrease compound availability and molecu-lar diversity, and by computational methodsto aid the understanding and design proces-ses through theoretical models.

Advanced projects usually proceed with ad -ditional collaboration within the IPB orwith external academic or industrial part-ners. Of special importance is our partici-pation in the metabolomics, proteomicsand IT competence platforms of the insti-tute. In addition, the department provides aconsiderable database and library of smallmolecules and basic screening facilities.

The focus of our search and synthesis of bi -ologically active compounds is in the anti-cancer, food-flavor-fragrance and antibioticarea, in the latter case especially on antifun-gals. To aid these efforts, in the past threeyears methods of metabolic profiling wereextended from MS to NMR and adapted tothe needs of medicinal plant research, espe-cially through the adaptation of computa-tional analyses for the purpose of findingactive constituents.

In this period also a toolbox for a closerlook at the protein targets of small mole-cules was developed. Ground work was laidfor the synthesis of activity and affinity ba sed probes useful in proteome researchas well as for the fishing of proteins thatpreferentially interact with a chemical orhave other defined properties. Of specialinterest to us are methyl-, prenyl- and gly-cosyl-transferases. In the area of prenylatingen zymes we made great progress in the un -derstanding of details of the product forma-tion, a basis for current and future interven-tion studies in the biocatalytic access toisoprenoid compounds. A close coopera-tion with Professor Tissiers department canprovide additional benefits in the future.

Based on earlier discoveries, the depart-ment participated with great success in theproject science-meets-industry of severalLeibniz institutes. With support from ex -perts, we could develop two active princi-

ples beyond the possibilities of the IPB.Thus, for a fungicidal compound selectedphysicochemical and toxicological proper-ties were determined and an initial field trialwas performed. For an anticancer com-pound upscaling, basic mechanistic studiesand preparatory work for animal studieswere undertaken.

In a new project, we looked into the inter-vention of drought stress effects on plants.Abiotic stress is the most important factorin crop yield loss. Especially in East Ger ma -ny, climate change causes increasing springand early summer dry spells. Within the Ag -rochemical Institute Piesteritz (AIP), me -thods were developed that help to identifyagrochemicals that can improve thedrought stress tolerance of plants. Thiswork spanned several work groups of thedepartment as new assays needed to bedeveloped, targets were analyzed by com-putational and molecular biology methods,and compounds had to be synthesized andapplied.

The scientific work of the past biannualperiod led to over 50 articles published.The department (co-)organized two mee-tings, including the National Meeting of theGerman Mass Spectrometry Society.

DEPARTMENT OF BIOORGANIC CHEMISTRY

Head: Professor Ludger WessjohannSecretary: Ines Stein

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ABTEILUNG NATUR- UND WIRKSTOFFCHEMIE

Leiter: Professor Ludger WessjohannSekretärin: Ines Stein

Der Fokus unserer Arbeiten liegt auf derEntdeckung und Entwicklung niedermoleku-larer Wirkstoffe, begleitet von einem Ver -ständnis ihrer Bedeutung und ihrer Wirkungauf biologische Systeme. Dabei folgen wirdrei Linien:

(1.) Lernen von der Natur. Wir versuchensowohl die strukturellen Aspekte als auchdie Prinzipien der Entstehung und Be deu -tung natürlicher Wirkstoffe zu ermittelnund zu verstehen.

(2.) Produkt- und diversitätsorientierte Syn -thesen von Naturstoffen und Derivaten er -möglichen ein Verständnis der Struktur-Wirkungs-Beziehung sowie die Nutzungder Substanzen in Biologie, Medizin, Ernäh -rung und Agrochemie. Dabei spielen u.a.Bio transformationen und Mehrkomponen -ten reaktionen eine wesentliche Rolle.

(3.) Das Studium molekularer Wechsel wir -kungsprozesse durch theoretische Metho -den, die Entwicklung und Anwendung selek-tiver Sonden und Binder sowie biochemi-sche und molekularbiologische Methoden.

Die Analyse, Isolierung, Strukturaufklärungund Modifizierung von Naturstoffen des Se -kundärstoffwechsels von Pflanzen und Pil -zen ist die Grundlage, um die Bedeutungdieser Substanzen in der Natur, aber aucheine mögliche Anwendung zu erkennen. DieVerwertung der gewonnenen Erkenntnisserichtet sich schließlich nach den ermitteltenEigenschaften der Substanzen und kann sichauf unterschiedliche Gebiete erstrecken, indenen Wirkstoffe zum Einsatz kommen(Agrochemikalien, Leitstrukturen für phar-mazeutische Produkte, Zusatzstoffe derNahrungsmittelindustrie, oder auch neuechemische Werkzeuge für die Erforschungbiologischer Fragestellungen). Die dafür zuentwickelnden Verfahren sind unabhängig

von der Anwendung. In der vergangen Pe ri -ode wurden besonders die analytischenVerfahren, z. B. des Metaboliten-Profilings unddes Screenings sowie synthetische und com-puterchemische Methoden vorangetriebenund weiterentwickelt.

Von besonderer Bedeutung sind daher IPB-interne Kooperationen, insbesondere dieZusammenarbeit in den Kompetenz be rei -chen Metabolomics, Proteomics sowie derBio- und Chemoinformatik. Ferner wurdenin der Abteilung eine Substanzdatenbankund -bibliothek aufgebaut und eine Scree -ning-Plattform errichtet, da solche Tests dieErkennung neuer Wirkungen erlauben unddie Verknüpfung chemischer und biologi-scher Eigenschaften ermöglichen. Fort ge -schrittene Projekte nutzen zudem häufigdie spezifische Expertise von Partnern ausanderen Instituten oder der Wirtschaft.

Im Bereich der Naturstoffe liegt der Schwer -punkt auf Substanzen mit Potential alsWirkstoffe gegen Krebs, als Ge schmacks -modifikatoren oder als Antibiotika, insbe-sondere mit Wirkung gegen Schadpilze. Da -zu wurden Methoden des Meta boliten pro -filings auf NMR-Verfahren und für die An -wendung der Wirkstoffidentifizierung beiMedizinalpflanzen erweitert und chemoin-formatische Auswerteverfahren entwickelt.Mit Blick auf die Zielproteine der Wirk stof -fe wurden die Grundlagen für eine kombi-natorische Synthese zu selektiven chemi-schen Sonden für das aktivitätsbasierteProteinprofiling erarbeitet. Unser besonde-res Interesse gilt dabei Methyl-, Prenyl- undGlycosyltransferasen. Besonders beim Ver -ständnis der Produktbildungs mechanis menprenylierender Enzyme konnten Fort schrit -te erzielt werden, die uns zukünftig bessereMöglichkeiten zur gezielten An wendung inder Terpenoidsynthese ermöglichen kön-nen. Die Neuberufung von Pro fessor Tissier

ermöglicht eine weitere Stär kung diesesBereichs am IPB.

Die Abteilung beteiligte sich mit großem Er -folg am Projekt Wirtschaft-trifft-Wissenschaftmehrerer Leibniz-Institute. Auf dieser Basisgelang es, in der Abteilung entdeckte undpatentierte Wirkstoffe über die Möglich kei -ten des IPB hinaus weiterzuentwickeln. Sowurden für einen fungiziden Wirkstoff erst-mals physikochemische Parameter be stimmt,Toxizitätsstudien vorgenommen und ein ex -plorativer Feldversuch verwirklicht; für ei -nen Wirkstoff gegen Krebs wurde ein syn-thetisches Upscaling entwickelt, die Wirk -me chanismen genauer bestimmt, und eineTierstudie vorbereitet.

In einem neuen Projekt wurde die Mög lich -keit untersucht, Pflanzen durch chemischeIntervention toleranter gegen Trocken stresszu machen. Besonders in Mittel deut schlandnimmt aufgrund des Klimawandels die Tro-c kenheit zu Anfang der Wachstumsperiodezu. Im Rahmen eines Projektes des Agro -che mischen Instituts Piesteritz (AIP) wur-den Me thoden entwickelt, Substanzen zuidentifizieren, die eine Erhöhung der Stress -to le ranz bewirken. Dazu arbeiten mehrereAr beitsgruppen zusammen um neue Assaysund Synthesen zu entwickeln, die Prozessetheoretisch zu erfassen und schließlich dieWirkstoffeffekte von der molekularen Ebe -ne bis zur Nutzpflanze zu erforschen.

Die Abteilung Natur- und Wirkstoffchemiekonnte über 50 wissenschaftliche Artikelpublizieren, darunter etliche in den bestenJournalen der Chemie. Neben der wissen-schaftlichen Arbeit wurden Tagungen mitor-ganisiert, darunter auch die Jahrestagungder Deutschen Gesellschaft für Massen -spek trometrie durch Jürgen Schmidt.

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Plants and fungi are remarkable in their abi-lity to produce a vast array of diverse meta-bolites varying in chemical complexity andbiological activity. Natural products havehistorically served as templates for the de ve -lopment of many important classes of drugs.Further efforts are now increasingly fo-cused on the potential application of fungalnatural products as agrochemicals (e.g. stro-bilurins), or plant secondary metabolites inhigh value nutritional and cosmetic applica-tions.

BIOACTIVE FUNGAL METABOLITES

Infections with Phytophthora infestans, thecausal agent of potato and tomato late blightdisease, are difficult to control and can leadto considerable agricultural losses. Thus, thedevelopment of new effective agents againstthe pathogen is of great interest. In previouswork, (E)-4-oxohexadec-2-enoic acid (com-

pound 1) was isolated from Hy grophoruseburneus, which exhibited fungicidal activityagainst Cladosporium cucumerinum. In our on -going research we could de monstrate the in -hibitory effect of 1 on P. infestans spore ger-mination and mycelium growth in vitro. The invivo effect on infections of whole potatoplants was investigated by spraying plantswith the sodium salt of 1 (compound 2),prior to P. infestans in oculation. Ad ditionally,the influence of the compound on myceliumgrowth of Col le to tr ichum coccodes, the causalagent of potato black dot disease, was analy-zed. In all ap pro aches, a significant inhibitionof pathogen development was achieved. Im -portantly, at application concentration notoxic effect on plants or in an in vivo HET-CAM assay (Hen's egg test on chorioallan-toic membrane) was observed. First fieldtrails afforded results, which stimulate oureffort to continue the development andsearch for new agrochemicals against fungalinfections.

From Cortinarius infractus the alkaloid 10-hydroxy-infractopicrin (compound 3) wasisolated in addition to known infractopicrin.Both compounds show acetylcholine estera-se (AChE) inhibiting activity and possess ahigher selectivity than the Alzheimer druggalanthamine. Studies on other Alz hei merrelated processes show an inhibitory effectof both compounds on the self-ag gregationof Aβ-peptides but not on AchE induced Aβ-

peptide aggregation. Low cytotoxicity as wellas calculated pharmacokinetic data suggeststhat the natural products are acceptable asleads for further drug de velopment.

TRADITIONAL MEDICINAL PLANTS

FROM AFRICA

The investigation of African plants was con-tinued in 2009 and 2010 with the main fo cuson Cameroonian Helichrysum species. Thegenus Helichrysum (Compositae) consists ofmore than 500 species largely distributed inSouth Africa. Helichrysum species are tradi-tionally widely used to treat gastric injuriesor ulcers, wounds, viral infections and to in -duce trance. The taxonomy of the large andheterogeneous genus is complex and not yetsatisfactorily resolved. Phy to chemical investi-gations shall contribute to further classifica-tion. The methanol extracts of Helichrysumfoetidum and H. mechowianum were charac-terized by detailed ESI-MS investigations fol-lowed by isolation of the main constituents.H. foetidum and H. mechowianum possess dif-ferent chemical compositions. The leave ex -tract of H. foetidum is dominated by the chal-cones helichrysetin, its glucoside, the corre-sponding flavanone, apigenin, and by diterpe-noids. One of the main constituents isolatedwas the diterpen kaur-16-en-18-oic acid(compound 4). The occurrence of tetracy-clic kauran type diterpenoids is consideredas a chemotaxonomic marker for furthersubdivision and classification of the polyphy-

GROUP MEMBERS

Nasser Abdullah Awadh AliPostdoctoral Position, DAAD-Fellow

Janine FiedlerDiploma Student

Katrin FrankePostdoctoral Position

Annemarie HessDiploma Student

Nicole HüneckeTechnician

Antoine Maire Kakam ZanetsiePhD Student, DAAD-Fellow

Stephanie Krause-HielscherPhD Student

Alexander MaxonesDiploma Student

Kristin MißbachDiploma Student

Julia MülbradtDiploma Student

Götz PalfnerPostdoctoral Position, DAAD-Fellow

Katrin ReiderDiploma Student

Kustiariyah TarmanPhD Student, DAAD-Fellow

Henrieke ThomsenDiploma Student

Anja TitzeDiploma Student

Maria WienerBachelor Student

NATURAL PRODUCTS

Heads: Norbert Arnold & Jürgen Schmidt

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Compounds 1 and 2: New effective agents fromHygrophorus eburneus against P. infestans.

Compound 4: kaur-16-en-18-oic acid

Compound 3: A probably useful candidate for drog development against Alzheimer’s disease.

letic genus Heli chry sum. In contrast, mainconstituents of H. me chowianum were shownto be quinic acid derivatives especially dicaf-feoyl quinic acids.

The crude extract of H. foetidum inhibitspepsin protease in a pharmacological modelfor anti-ulcer compounds, an activity thatcould be attributed to the flavonoidal glyco-sides. Furthermore, the extract of H. foeti-dum shows significant antibiotic properties,likely caused by constituent 4.

ANTHELMINTIC PLANT CONSTITUENTS

As prerequisite for the development of ananthelmintic bioassay (see Research GroupScreening), the bioactive constituents fromthe anthelmintic African plant Hagenia abyssi-nica (Kosso tree) were isolated. The femaleflowers of H. abyssinica are traditionally usedas infusion in water against tapeworm infec-tions in Ethiopia and neighbouring countries.Previous investigations re vealed the presenceof toxic phloroglucin derivatives (kosotoxins)as anthelmintic constituents in nonpolar ex -tracts. This was verified by detailed MS expe-

riments. Since aqueous preparations of thedrug are used as worm remedy we alsoinves tigated the polar fractions for un knownko so toxin de rivatives. For the first timequercetin glycosides and ellagic acid de ri va -tives could be detected as polar constituents

of H. abyssinica, however, not the expectedkosin glycosides. Bioactivity tests show thatthe anthelmintic activity against Caeno rhab di -tis elegans and human pathogenic tremato-des correlates with the occurrence of koso-toxins (see Research Group Screening).

COLLABORATORS

Nasser Abdullah Awadh AliUniversity of Sana’a, Yemen

Helmut Besl, Andreas BresinskyUniversity of Regensburg, Germany

Ermias Dagne, Kaleab Asres Addis Ababa University, Ethiopia

Carola GriehlAnhalt University of Applied Sciences, Germany

Jennifer KeyserSwiss Tropical Institute, Switzerland

Ulrike LindequistUniversity of Greifswald

Ricardo Machado KusterFederal University of Rio de Janeiro, Brazil

Patrick Mutiso ChaloUniversity of Nairobi, Kenya

Jean Claude NdomUniversity of Douala, Cameroon

Birgit OppmannLeibniz Institute for Molecular Pharmacology, Berlin,Germany

Götz PalfnerUniversidad de Concepción, Chile

Peter SpitellerUniversity of Freiburg, Germany

Wolfgang SteglichUniversity of Munich, Germany

Tran Van SungVietnamese Academy of Science, Vietnam

Mika TarkkaHelmholtz-Centre for Environmental Research Halle,Germany

Oliver UllrichUniversity of Zurich, Switzerland

Min Li-WeberGerman Cancer Research Center (DKFZ) Heidelberg,Germany

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Die bisher wenig untersuchten Fruchtkörper Höherer Pilze (Macromyceten) bilden eine Vielzahl von Se -kundärmetaboliten, die zum einen oft neue chemische Strukturen aufweisen, zum anderen ein enormesbiologisches Potential versprechen. So konnten aus Fruchtkörpern von Hygrophorus eburneus (Elfenbein-

Schneckling) ungewöhnliche Fettsäuren mit Oxocrotonat-Teilstrukur isoliert werden. Eine dieser Verbindungenerwies sich als außerordentlich aktiv gegen Phytophthora infestans, den Erreger der Kraut- und Knollenfäule derKartoffel.

Ein neuartiges β-Carbolinderivat konnte aus Cortinarius infractus (Bitterer Schleimkopf) isoliert werden. AufGrund der strukturellen Ähnlichkeit mit Substanzen, die im Kampf gegen die Alzheimer-Krankheit eingesetztwerden, wurden die β-Carbolinalkaloide des Pilzes auf ihr biologisches Potential getestet. Beide Verbindungenzeigen bei geringer Zytotoxizität eine bessere Acetylcholinesterase-inhibierende Wirkung und bessere Anti-Ag -gre ga tions ei genschaften als der vermarktete Wirkstoff Galanthamin.

Der Hauptfokus unserer phytochemischen Arbeiten liegt auf Pflanzen, die in der traditionellen Medizin in ver-schiedenen Regionen der Welt verwendet werden, insbesondere solchen, die einem der bisher bekannten 25 Bio -diversitätsschwerpunkten angehören. Diese Schwerpunktregionen zeichnen sich durch eine hohe Artenvielfaltoder eine besonders hohe Anzahl an endemischen Arten aus, wobei die hohe Pflanzendiversität sich in einer ho -hen chemischen Diversität der Inhaltsstoffe wiederspiegelt.

Die weiblichen Blüten von H. abyssinica werden in der traditionellen Medizin Äthiopiens und benachbarter Län -der gegen Bandwurminfektion eingesetzt. Bisher bekannte Wirkstoffe sind die unpolaren Verbindungen derPflanze (Kosotoxine). Da vor allem wässrige Extrakte von H. abyssinica als Medikament verabreicht werden, ha -ben wir die polaren und damit wasserlöslichen Bestandteile der Blüten untersucht. Demnach konnten wir Quer -cetinglykoside und Ellagsäurederivate als polare Bestandteile ermitteln, nicht jedoch glukosilierte Kosotoxine.Bioaktivitätstests zeigen, dass die anthelmintische Wirkung, gegen Caenorhabditis elegans und andere, den Men -schen befallende Saugwürmer mit dem Vorkommen von Kosotoxinen verknüpft ist (s.a. Arbeitsgruppe Screening).

Als einer der Hauptinhaltsstoffe von Helichrysum foetidum konnte das Diterpen ent-Kaur-16-en-18-säure erkanntwerden. Das Vorkommen von tetrazyklischen Diterpenen vom Kaurantyp wird als ein chemotaxonomischerMarker für eine weitere Unterteilung der polyphyletischen Gattung Helichrysum angesehen.

The group focuses on understanding andapplication of enzymatic processes. En -zymes are used for both biocatalytic chemi-cal transformations and as targets of natu-ral or designed small molecule inhibitors.Together with the Computational Chemistrygroup the work aims at the elucidation ofenzymatic mechanism, with the goal of even-tually addressing two aims. First, the ratio-nal re-design of tailored biocatalysts to beused in biotransformations. Second, the de -velopment of new bioactive compoundssuch as substrates, modulators or inhibitorsfor plant, fungal or human proteins. Ex am plesinclude drugs for medical applications orthe biobased production of tetrahydrocan-nabinolic acid as potent analgesic com-pound (a project supported by the Deut -sche Bundesstiftung Umwelt, DBU).

THE CATALYTIC MECHANISMS AND

APPLICATION OF PRENYL TRANSFERASES

Prenylating enzymes are responsible for thebiotransformation of naturally occurringisoprenoids and lead to a plethora of highlydiverse isoprenoid natural products. Allprenyl transferring enzymes activate an iso-prenoid diphosphate to form stabilized pre-nyl cations as reactive intermediates. Up tonow, aromatic amino acids have been sug-gested to stabilize this intermediate cation.

To prove the importance of these aminoacid residues, site directed mutageneseswere performed on p-hydroxybenzoic acidoligoprenyl transferase (UbiA of E. coli)based on predictions of ab initio calculations

(Fig. 1) and modeling studies. First resultsindicate that, in addition to the aromaticamino acids, nucleophilic amino acids likemethionine can serve as additional or alter-native residues responsible for cation stabi-lization. In this context we can hypothesizethat prenyl cation - π interactions or prenylcation - sulfur interactions are essential forthe catalytic function of aromatic prenyltransferases. These new insights into the ca -talytic mechanism of the prenylating en-zymes enable altering substrate and pro-duct specificities.

To elucidate the related catalytic mecha-nisms of terpene synthases, a high qualitymodel of the tertiary structures of a newmonoterpene synthase from Cannabis sati-va, the (-)-4S-limonene (CsTPS1) synthasewas generated. Docking studies of the in -termediate 4S-α-terpinyl cation to the mo -del and to the active site of the X-ray struc-ture of a limonene synthase from Menthaspicata resulted in the proposal of a cataly-

tic dyad that guides product formation(Fig. 2).

Prenylating enzymes activate prenyl diphos-phates with Lewis acidic cations or pro-tons. The role of these activators in the hy -drolysis of organic diphosphates has beenfollowed by NMR measurements, to eluci-date how they support the hydrolysis of thediphosphate by elongation of C-OPP lin-kage bond vs. simple fixation as observed inother proteins.

CYTOKININS

Cytokinins are central regulators of cell divi-sion and differentiation in plants. Most natu-rally occurring cytokinins are 3,3-dimethylal-lyl adenine derivatives. Isopentenyl a deninecarries an unmodified isopentenyl side chain,whereas trans-zeatin and cis-zeatin carryhydroxylated side chains. Isopen tenyl trans fe -rases (IPTs) catalyze the prenylation of ade-nine or tRNA, e.g. mediated by nine IPTs inArabidopsis thaliana (Fig. 3). We are modeling

GROUP MEMBERS

Anne-Katrin BauerDiploma Student /PhD Student

Jeanette KeimDiploma Student / PhD Student

Julia KufkaPhD Student

Amina MsongaPhD Student, DAAD-Fellow

Dimitar VasilevPhD Student

Roman WeberPhD Student

CHEMOENZYMATICS

Heads: Ludger Wessjohann & Wolfgang Brandt

28

Fig. 1: High energetic stabilization of prenyl cations by aromatic side chains (left) or methionine (right) pre-dicted by ab initio calculations and later proven by side directed mutagenesis.

Fig. 2: Based on a 3d-protein model a catalytic dyad consisting of Tyr796 and Asp600, which was investigatedand proven by side directed mutagenesis.

the enzymes to design probes for other IPTsfor the synthesis of potential IPT inhibitorsas plant growth modulators or as re searchtools, e.g. for activity based protein profilingmethods (see Synthesis group).

METHYL TRANSFERASES

Methylation is a common modification in na -tural product biosynthesis. In plants all me -

thyl transferases depend on the universalmethyl donor S-adenosyl-L-methionine(SAM). O-Methyltransferases (OMT), andspecifically catechol-O-methyltransferases(COMT), play a key role in the biosynthesisof phenylpropanoids like lignins. In Fig. 4 thetypical methyl transfer from SAM to the sub-strate is shown. The main focus of our workis the regioselective methylation of benzo-

pyrans like flavonoids by using re combinanthost systems in cooperation with the De -partment of Cell and Metabolic Biology (Tho -mas Vogt).

COLLABORATORS

Oliver KayserTechnical University Dortmund, Germany

Miroslav Strnad, Lukáš SpíchalPalacký University & Institute of Experimental

Botany, Olomouc, Czech Republic

COMPANIES

Symrise AGHolzminden, Germany

29

Die Arbeitsgruppe Chemoenzymatik beschäftigt sich mit der Entdeckung, dem rationalen Re-Design undder Anwendung von Enzymen sowie der Aufklärung enzymatischer Mechanismen, um diese für effekti-ve biokatalytische Synthesen zu nutzen. Die Aufklärung der natürlichen Reaktionsmechanismen hilft

auch bei der Entwicklung spezifischer Inhibitoren. Mit der gezielten Inhibierung können z.B. durch affinitätsba-sierte Protein-Profile Funktionen im biochemischen Kreislauf der Pflanzen aufgeklärt oder Wirkstoffe für medi-zinische Anwendungen entwickelt werden.

Prenyltransferasen und Terpensynthasen sind als Katalysatoren an der Biosynthese von mehr als 60.000 (me -ro-)terpenoiden Metaboliten beteiligt, die u.a. von essentieller Bedeutung als Vitamine und Hormone sowie alsDuft- und Geschmacksstoffe, Bakterizide oder Pharmaka sind. Auf der Grundlage theoretischer Be rech nun gen,Mutations- und Umsetzungsstudien zum Katalysemechanismus ist es gelungen, die Produkt bildungs pro zes sebesser zu verstehen und durch gezielte Mutationen zu beeinflussen.

Methyltransferasen wurden für die selektive Methylierung pflanzlicher Polyphenole eingesetzt, mit dem Ziel eineeffektive und umweltfreundliche Produktion aktiver, aber in der Natur leider selten vorkommender Wirkstoffezu erreichen.

Fig. 3: Prenyl transfer reaction of adenosine phosphate (ADP or ATP) to isopentenyl adenosine phosphatecatalyzed by AtIPT

Fig. 4: RegioselectiveO-methylation media-ted by a plant methyl-transferase.

EPOTHILONE DERIVATIVES

Epothilones are cytotoxic macrolides, firstisolated by Höfle and co-workers frommyxobacterium Sorangium cellulosum strain90 as antifungals. The high potency of epo-thilones against cancer (and other) cells re -sults from their ability to intervene in tubu-lin polymerisation dynamics in which theystabilize the microtubuli formed. These arepart of the cytoskeleton and are indispen-sible for cell division. Mechanistic investiga-tions revealed that heteroatom-modifiedepothilones bind competitively to the samebinding pocket on β-tubulin as taxol. Con -sequently, a stereoselective, short and effi-cient total synthesis for this class of conge-

ners remained highly desirable. However,the sequence successful in our EpothiloneD synthesis was not suitable to produceamounts required for compound develop-ment with company partners. Thus a newroute was developed for the synthesis of athiaepothilone D (Fig. 1).

TUBUGIS

Tubulysins belong to the most potent an-timitotic agents known so far. The unusualtetrapeptides disrupt the microtubulespindle and the first total synthesis wasachieved previously at IPB. Average valuesof growth inhibition (GI50) range from na -nomolar to picomolar concentrations andoutperform those of taxoids and vinca alka-loids. The extraordinary activity extends tomultidrug-resistant cell lines. Tubulysins areespecially suitable as war-heads in conjuga-tion strategies with targeting entities (i.e.,antibodies, nanospheres, folates) as oftenthe cell specific structures are not abun-dant and thus a low concentration of the

active moiety has to suffice in killing thetargeted tissue area. Unfortunately theiravailability from nature and fermentation isunreliable. Not surprisingly, a tremendousattention has been given to the synthesis ofnatural tubulysins and simplified analogues.

Our idea for rapidly accessible and stablederivatives is based on the replacement ofthe acid and base labile N/O-acetal-estermoiety by a stable retro-amide, accessibleby the Ugi-multicomponent reaction. A fur -ther retro-analysis suggests that the twomajor building blocks required, i.e. acid andamine component of the Ugi reaction areagain accessible by MCRs, as outlined in de -tail below. This approach leads to a rapidgeneration of tubulysin-type tetrapeptideswith a tertiary amide (named tubugis) andimproved hydrolytic stability. According tothe assay data, tubugis are among the mostpotent artificial microtubule modifiers everdiscovered and the first example of a targetoriented synthesis approach using multipleMCRs.

Sven HahnBachelor Student

Michael HenzePhD Student

Oliver KreyePhD Student / Postdoctoral Position

Josephine LatzelBachelor Student

Fredy Leon ReyesPhD Student

Maxim MironovPostdoctoral Position, DAAD-Fellow

Fränze MüllerBachelor Student

Sabrina MüllerMaster Student

Sarfraz Ahmad NawazPostdoctoral Position, Humboldt-Fellow

Martin Claudio Nin BrauerPhD Student, CNPq-Fellow

Bianca OsswaldMaster Student

Orlando Pando MorejonPhD Student

André Augusto NascimentoPhd Student, CNPq-Fellow

GROUP MEMBERS

Muhammad AbbasPostdoctoral Position

Muhammad AyazPhD Student

Cristiano Rodrigo Bohn RhodenPhD Student, DAAD-Fellow

Rayser Bosch VelizPhD Student

Kristin BrandPhD Student

Sebastian BrauchDiploma Student / PhD Student

Cecilia Aguiar da SilvaMaster Student

Tobias DraegerPhD Student

Mardia El Dessoky Teleb El SayedPhD Student, Fellow of the Egyptian Government

Lars GabrielTechnician

Fabio Zazyki GalettoPhD Student, DAAD-Fellow

Daniel Garcia RiveraPostdoctoral Position

Sabrina GelinskiBachelor Student

Rainer PreusentanzPhD Student

Hannes RostPhD Student

Ricardo Samuel SchwabPhD Student, DAAD-Fellow

Angela SchaksTechnician

Devender SinghPhD Student

Sebastian StarkPhD Student

Sumaira UmbreenPostdoctoral Position

Sander van BerkelPostdoctoral Position

Ricardo A. Wanderley Neves FilhoPhD Student, DAAD-Fellow

Sebastian WelschPhD-Student, Fellow of the Priaxon AG

Marloes WijdevenPostdoctoral Position

Katharina WolfTechnician

SYNTHESIS

Heads: Ludger Wessjohann & Bernhard Westermann

30

Fig. 1: 3-thia-epothilone D

MULTIVALENT COMPOUNDS

Multivalent compounds have several repeti-tive or different functions that in principleenable them to act with increased selectivi-ty or effectivity to other molecules, e.g. bio-molecules. In our group we develop me -thods based on multicomponent reactionsthat allow the fast assembly of such struc-tures, e.g. macrocycles as hosts, coblock den-drimers as macroamphiphiles, or multifunc -tional protein probes (ABPP see below).

Macrocycles have a unique equilibrium offlexibility and conformational restrictionthat allows them higher selectivity andstrength in binding small molecules. Basedon our MCR-methodology, macrocycles withtethers designed for recognition of organic(oligo-)phosphates were prepared, hopingthat the macrocyclic element will contri-bute to a differentiation of the organic spe-cies. NMR-studies indeed revealed a diffe-rential selectivity for various organic mono-,di- and tri-phosphates.

Dendrimers are unique, highly branchedand well defined macromolecules, exhibi-ting a multitude of unrivaled properties, e.g.for the binding of reversely multivalent bio-molecules, enhancement of detection levels

or tissue specific absorption. A new conceptfor their synthesis was devised, in which hy -perbranching results from multi componentreactions (MCRs). While previous branchingconcepts rely on prebranched monomersor multiple homomeric reactions of sub-monomers, MCRs can assemble many diffe-rent branches in a pre-defined, highly con-trolled, and diversity generating manner inone step. As a proof of concept, the Ugi-4CR was used to synthesize a peptide likedendrimer of the 4th generation. More ad -vanced Janus dendrimers are equally acces-sible (Fig. 2).

ACTIVITY BASED PROTEIN PROFILING

Activity based protein profiling (ABPP) tech-niques have become a benchmark for prote -omic research, utilizing active site di rectedchemical probes to determine the functionalstate of the enzyme in complex proteomes.ABPP probes comprise of several elements:1) an inhibitory moiety for ir reversible orreversible binding and labeling the active siteof an enzyme (selectivity function); 2) a pho -to-crosslinking moiety (reactivity function:benzophenone- or phenylazide groups); and3) one or more re porter tags (affinity tags:biotin and /or a fluorophore) for fast detec-tion and isolation of probe labelled-enzyme.

Activity-based probes have been developedfor a number of enzymes including serinehydrolases, cysteine proteases and others. Incomparison to reported protocols a me -thod was developed to synthesize the probesin a single operation by an Ugi four compo-nent reaction. This methodology was suc-cessfully demonstrated for the synthesis ofplant methyl transferase and plant cysteine-protease probes.

COLLABORATORS

Muhammed AbbasKing Saud University, Riyadh, Saudi Arabia

Antonio Luiz Braga, Universidade Federal de Santa Caterina, Brazil

Carola GriehlAnhalt University of Applied Sciences, Germany

Carlos Kleber AndradeUniversidade de Brasilia, Brazil

Paulo MenezesUniversidade Federal de Pernambuco, Brazil

Maxim MironovUniversity of Jekatharinenburg, Russia

Vladimir NenajdenkoLomonossow University Moscow, Russia

Ronaldo PilliUniCamp, Brazil

Daniel RiveraUniversity of Havanna, Cuba

Oscar RodriguesUniversidade Federal de Santa Maria, Brazil

Henri Schrekker, Diogo Lüttke, Paulo Schneider

Universidade federal do Rio Grande do Sul, Brazil

Min Li-WeberGerman Cancer Research Center (DKFZ) Heidelberg,

Germany

COMPANIES

Heppe Medical Chitosan GmbHHalle, Germany

Medigene AGMartinesried, Germany

Orgentis Chemicals GmbHGatersleben, Germany

Priaxon AGMunich, Germany

R & D Biopharmaceuticals GmbHPlanegg, Germany

31

Ziel der chemischen Synthesearbeiten ist es, natürliche oder synthetische Wirkstoffe oder funktionale Mo -leküle für eine Anwendung verfügbar zu machen, oder durch Abwandlung so zu modifizieren, dass besse-re Eigenschaftsprofile erreicht werden. Bei den Wirkstoffen gelang es, neue hochaktive Tubulinbinder zu

finden und bessere Syntheserouten zu entwickeln, die es ermöglichten, ausreichende Mengen für weitergehen-de Assays, Feld- oder Tierstudien zu gewinnen. Bei den funktionalen Molekülen wurden u.a. selektiv bindendeMakrocyclen, neue Routen zu monodispersen polyvalenten Dendrimeren im mesomolekularen Bereich und vorallem spezifische Sonden für Subproteome oder die eigenschaftsgerichtete Proteinmarkierung entwickelt. Letz -tere konnten in Kooperation mit den Abteilungen Stress- und Entwicklungsbiologie und Stoffwechsel- und Zell bio -logie (ehemals Sekundärstoffwechsel) erfolgreich angewandt werden.

Fig. 2: Macroamphiphilic Janus-dendrimer (protec-ted) designed for cell membrane penetration.

The Spectroscopy Group is engaged in theidentification and structure elucidation ofplant and fungal metabolites with modernanalytical techniques as well as metabolo-mics research. Physicochemical screeningmethods constitute an increasing topic of thegroup. Modern mass spectrometric me thods,NMR-spectroscopic experiments and me -thods of the optical spectroscopy (IR, UV,CD) are used for solving structural problems.In addition the synthetic work of the owndepartment is supported by MS and NMRinvestigations, as are other de partments ofthe IPB and external cooperation partnersthat require solutions for structural and ana-lytical problems.

METABOLOMICS

The economically important crop plant hop(Humulus lupulus L. Cannabaceae) was inves -tigated by an integrated approach utilizingNMR and MS techniques in the first large-scale metabolite profiling. Resins and ex -

tracts prepared from 13 hop cultivars wereanalyzed using NMR, LC-MS and FTICR-MSin parallel and analyzed by principal compo-nent analysis (PCA). Under op timized condi-tions, we were able to identify and quantifysimultaneously 46 metabolites including 18bitter acids, twelve flavonoids, three ter-penes, three fatty acids and two sugars. Thiscomparative metabolomic approach provi-ded new in sights for the complementarinessand coincidence for these different techno-logy platforms applications in hop and simi-lar plant metabolomics projects.

Licorice is the dried root of Glycyrrhiza gla-bra, a member of legumes endogenous toAsia and southern Europe. Licorice is widelyused as flavoring and sweetening agent, buthas also been proposed for various pharma-cological applications. There are over 30 spe-cies in the Glycyrrhiza genus world-wide,most of which have been little characte-rized in terms of phytochemical or pharma-cological properties. We used a large scalemulti-targeted metabolic profiling and finger-printing techniques to gain a broader in sightinto the phytochemical composition of fourGlycyrrhiza species, G. glabra, G. uralensis, G.inflata and G. echinata. Multivariate data ana-lyses of NMR, MS, and UV data revealedcompositional differences in primary and se -condary metabolites. Major peaks in 1H NMRand MS spectra contributing to the discrimi-nation among species were assigned asthose of glycyrrhizin, 2-(4-hydroxyphenyl)

acetic acid, and glycosidic conjugates of liqui-ritigenin / isoliquiritigenin. Chemical compo-sitions were also correlated with in vitro anti-inflammatory and anticancer as says.

Reverse metabolomics using an activity cor-relation analysis (AcorA) was developed as anew method to correlate chromatographicand spectroscopic profiles with biological orother activity data. This method enables thedirect identification of bioactive metabolitesand metabolite clus ter in complex mixtures,which allows a target-oriented analysis ofthe secondary metabolites of interest priorto isolation.

Biologically active metabolites are part ofthe highly complex matrix of crude ex -tracts and chromatographic fractions. Thus,the traditional identification and isolation ofthe re levant bioactive metabolites is time-consuming and tedious. It is possible toidentify the activity-relevant metabolites incomplex mixtures by using AcorA as couldbe shown in proof of concept experiments(inactive ex tracts spiked with active com-pounds) as well as in an experiment with acrude ex tract of Hygrophorus latitabundusBritz exhibiting a very strong antibacterialactivity. The positive identification of themost relevant peaks en abled a more com-prehensive and efficient characterization ofthe crude extracts and fractions and thetargeted isolation of activity-bearing consti-tuents.

GROUP MEMBERS

Anja EhrlichTechnician

Mohamed Ali Ali FaragGuest Researcher, Humboldt-Fellow

André GohrPhD Student

Gudrun HahnTechnician

Mark HaidPhD Student

Ramona HeinkeDiploma Student / PhD Student

Christine KuhntTechnician

Dong-Ung LeeGuest Researcher, DFG-Fellow/Fellow of theKorean Science and Engineering Foundation

Katharina MichelsPhD Student

Franziska SchikoraBachelor Student

Juliana Aparecida SeveriPhD Student

Jason StoutGuest Researcher, Fellow of the University of Calgary

Nancy TetzlaffDiploma Student

Anett WernerTechnician

SPECTROSCOPY

Heads: Andrea Porzel & Jürgen Schmidt

32Fig. 1: 1H NMR data based principal component analyses of different Glycyrrhiza species (A)Score plot (B)Loading plot for PC1 components: 1, glycyrrhizin; 2, liquiritigenin; 3, isoliquiritigenin; 4, rhamnose; 5, sucrose;6, 2-(4-hydroxyphenyl)acetic acid.

Furthermore, the metabolic profiles of 60fungi of the saprophytic genus Sepedoniumspp. were investigated by electrospray (ESI)-FTICR mass spectrometry. The emphasiswas on peptaibols, an interesting class ofmostly lipopholic peptides with antimicro-bial activities. It turned out that a chemota-xonomic classification of Sepedonium speciessolely based on peptaibols is not viable, be -cause some species exhibit an identical pep-taibol patterns. Several formerly un knownpeptaibols were de tected during the scree-ning process and sequenced by LC-ESI-IT-MSn and UPLC-QToF-MS2.

OTHER MEASUREMENTS

The ornamental plant Plectranthus nummula-rius BRIG., belonging to the subfamily Ne pe -toideae of the genus Lamiaceae, shows a re -markable resistance against pest, even un derinadequate growing conditions. Red co loredtrichomes are located at the leaves, stemsand flowers of the plant. Laser microdissec-tion was used to separate and sample theglands. Detailed NMR investigations suppor-ted by MS measurements led to the identifi-cation of the two abietane diterpenes parvi-floron E and F as the main constituents of thetrichomes. It could be shown that the glandsat leaves, stems and flowers contain the samemain compounds, however in somewhat dif-ferent proportions.

In collaboration with the research group ofMarcus Glomb (University of Halle), thestructure of two nonenzymatic oxidationproducts of asphalathin, a typical ingredient

of unfermented rooibos tea, were elucidatedby NMR spectroscopy as biaryl atropiso-mers stemming from oxidative dihydrochal-cone A to B ring coupling.

Sophisticated NMR spectroscopic experi-ments and methods of the optical spectros-copy (IR, UV, CD) were used for structuralelucidation of isolated natural products andsynthetic compounds. As a service for theother research groups, routine NMR spectraas well as UV, IR, and CD spectra were re -corded. In addition, 31P NMR measurementswere applied to investigate the influence ofpH and cations on the hydrolyses of prenyldiphosphate.

In our mass spectrometric investigations weare dealing with systematic tandem massspectral and high-resolution studies of plantand fungal metabolites as well as compoundsfrom all departments of the IPB and externalpartners. We have carried out sys tematicLC-ESI-MSn-measurements of prenylated fu -ranocoumarins from Yemenite Dorstenia spe-cies. The mass spectral behavi our of these fu -ranocoumarins under positive ion electro-spray conditions allows both a classificationof compounds with respect to the type ofthe skeleton as well as a differentiation bet-ween various positions of prenylation.

A series of benzylisoquinoline alkaloid pro -files of selected plant cell cultures were ge -nerated by several mass spectrometric me -thods (ESI-FTICR-MS and LC/ESI-MS/MS) incooperation with the University Calgary

(Canada).The alkaloid pattern of Papaver co -reanum with protopine and allocryptopine asmain constituents was determined in co o pe -ration with Dong-Ung Lee (Dong guk Uni -versity, Gyeongju, Korea). Fur ther more, wewere in volved in the analysis concerning theprofiling of phenylpropanoids in transgeniclow-sinapine oilseed rape (Brassica na pus,collaboration with the Department of Secon -dary Metabolism) and various measurementsfor colleagues from the University of Halle.

OTHER ACTIVITIES

Together with the Pharmacy Department ofthe University of Halle (Andrea Sinz) wehave organized in charge the 43rd AnnualMeeting of the German Society of Mass Spec -trometry, held in Halle on March 7-10, 2010.

COLLABORATORS

Nasser Abdullah Awadh AliUniversity of Sana’a, Yemen

Birgit Dräger, Dirk Steinborn, Marcus Glomb, Alexander Hinneburg

University of Halle, Germany

Stefan Dötterl, Konrad DettnerUniversity of Bayreuth, Germany

Christina ThieleTechnical University Darmstadt, Germany

Maximilian WeigandUniversity of Bonn, Germany

Jörg ZieglerUniversity of Calgary, Canada

COMPANIES

Orgentis Chemicals GmbHGatersleben, Germany

Simon H. Steiner, Hopfen, GmbHMainburg, Germany

33

Moderne Methoden der Massenspektrometrie (MS), der NMR-Spektroskopie und der optischen Spek tros -kopie dienen der Identifizierung und Strukturaufklärung bioaktiver Sekundärmetaboliten aus Pflanzen,Höheren Pilzen sowie synthetischen Verbindungen und sind die methodischen Grundlagen für die um -

fang reichen Arbeiten auf dem Gebiet der Metabolomik-Forschung. In einer vergleichenden Untersuchung wur-den 13 Hopfensorten (Humulus lupulus L) basierend auf 1H-NMR-Spektroskopie und MS-Methoden mittels mul-tivariater Datenanalyse charakterisiert. Eine Vielzahl an Metaboliten konnte qualitativ und quantitativ bestimmtwerden. Die Hauptkomponentenanalyse der spektroskopischen Daten erlaubt eine Klassifizierung und Grup pie -rung der Hopfensorten anhand des Sekundärmetabolitenspektrums. Auch für vier untersuchte Arten der Gat -tung Glycyrrhiza (Süßholz, Lakritze) konnte gezeigt werden, dass beide Methoden eine Klassifizierung auf Grund -lage der unterschiedlichen Metabolom-Zusammensetzung ermöglicht. Zur effektiveren Identifizierung von po -tentiellen Wirkstoffen in komplexen Mischungen wie Rohextrakten aus Pflanzen oder Pilzen wurde eine ReverseMetabolomik - Methode entwickelt, welche die Korrelation spektroskopischer Daten mit Bioaktivitäten erlaubt.Die Anwendung dieses Ansatzes auf Rohextrakte von Pilzen der Gattung Hygrophorus führte so zur Iden ti fi zie -rung von funktionalisierten Fettsäuren mit Aktivität gegen Bacillus subtilis.

The group develops and performs biologi-cal, chemical and virtual screening methodsto elucidate the biological activities of smallmolecules with a focus on natural productsand derived compounds. The platform is notlimited to the Department of Bioorganic Che -mistry, but is also open for the other de -partments of the IPB and cooperation part-ners.

BIOLOGICAL SCREENING

Synthesis products or secondary metabo-lites, isolated from plants, fungal fruit bodiesand cultures of European and non-Eu ro -pean origin are tested in simple cell- or or -ganism-based assays for their biocidal pro-perties (anthelmintic, fungicidal, bacterici-dal). These bioassays are complemented bymore detailed enzymatic assays. The activi-ties of the tested compounds can be in -creased or focused by subsequent chemicalmodification.

Anthelmintic assayIn many regions of the world helminthic in -fections are a serious health problem. Onlyfew drugs are available to treat these neg -lected diseases. Other helminths are seriousplant pathogens. For the evaluation of the an -thelmintic potential of plant and fungal ex -tracts and isolated constituents we deve-loped an anthelmintic bioassay using thenon-parasitic soil nematode Caenorhabditiselegans as model organism. While a GFP-based assay failed, a simple enumeration ofliving and dead nematodes in a microplate

assay was successful. Extracts of the anthel-mintic plant Hagenia abyssinica were usedfor assay validation. The results correlatedwell with effects on human pathogenicworms by the Swiss Tropical Institute.

Evaluation of screening systems fordrought stress tolerance inducers in plantsAbiotic stresses are the cause for the high-est losses in most of the crop plants, e.g.drought /water stress alone is responsiblefor an average yield decline of 50%. A majorcurrent project is the development of me -thods that allow the discovery of com-pounds that enhance the drought stresstolerance of plants. In silico, in vitro as well asin vivo biological screening systems havebeen developed to study the effect of com-pounds at the various levels from molecu-lar target to whole plant. In particular, awhole plant assay that does not requirespraying, is concentration dependent, usesclones, is fast, and is suitable for smallamounts was not available.

To meet these criteria, a phenoty pic testsystem based on Lemna species in microti-ter plates was developed, wherein an imageprocessing software detects the leaf sur-face and color to measure scalable informa-tion about the biological status. The assaywas verified with known stress toleranceenhancers and cross-validated with mole-cular and larger plant as says and is current-ly used to screen for active principles.

Screening for anticancer compoundsCancer is one of the most devastating di -seases in humans. Natural products have aproven success history in anticancer drugdevelopment, being at the basis of over twothirds of all current drugs. For the evalua-tion of their anticancer activity, algal, plantand fungal extracts as well as isolated andsynthetic pure substances are routinelytested against two cell lines: PC-3 (prostateadenocarcinoma) and HT29 (colon adeno-carcinoma). More specific measurementson other cell lines, apoptosis markers or pro-teome analyses are conducted for the mostrelevant compounds. Significant anticancereffects were detected in some species ofgreen algae, plants and fungi, as well as insynthetic compounds (see synthesisgroup). Examples are Parvifloron E and Ffrom Plectranthus nummularius BRIQ, or thesynthetic tubugis with picomolar activity.

CHEMICAL SCREENING

Acetylcholine /Butyrylcholine esteraseassayAccording to the cholinergic hypothesis, thememory impairment in patients with seniledementia of Alzheimer’s type results from adeficiency in cholinergic function in the brain.One promising therapeutic strategy hasbeen the use of cholinomimetic agents tar-geting acetylcholinesterase (AChE). Re cent -ly, it has also been discovered that butyryl-cholinesterase (BChE) plays a key role in theprogression of Alzheimer’s disease. BChEmay be particularly important in individuals

GROUP MEMBERS

Claudia BobachPhD Student

Anja EhrlichTechnician

Torsten GeißlerPhD Student

Stephanie GuldePhD Student

Peter-Paul HeymPhD Student

Martina LerbsTechnician

Sarfraz Ahmad NawazPostdoctoral Position, Humboldt-Fellow

SCREENING

Heads: Norbert Arnold & Bernhard Westermann

34 Fig. 1: Synthesis of quinidi-ne and cinchonidine alkaloidderivatives 3-8.

with more severe dementia, as BChE activi-ty increases with disease development. Forthis reason, BChE has evolved as a morepotent drug target than AChE.

A series of modified quinine and cinchoni-dine alkaloids (Fig.1: compounds 3-8) wassynthesized to evaluate their inhibitory po -tential against cholinesterase enzymes. Ki

values were between 0.4-260.5 µM (non-competitive inhibition) while correspondingKi values to acetylcholinesterase (AChE)ranged from 7.0-400 µM exhibiting a 250-fold selectivity for BChE.

Docking arrangements (GOLD, PLANT)revealed that the extended aromatic moie-ties and the quaternized nitrogen of the in -hibitors were responsible for specific π−πstacking and π-cation interactions with thecholine binding site and the peripheral an -ionic site of BChE’s active site.

IN SILICO SCREENING

By means of in silico screening based on phar-macophore models (Fig. 2) it is possible tocheck millions of structures for their po -tential to bind to target enzyme sites.Thesehits are subsequently docked into the ac-tive site and there potential affinities are pre-dicted. Those with most promising theore-tical affinity are then subject for experimen-tal testing (see below) and further impro-vement.

Inhibitors of plant PARP Enzymes for the treatment of drought stressPoly-ADP-ribose polymerases (PARPs) areclaimed as only validated molecular target

with a positive response in drought stressresistance. Therefore, inhibitors of plant PARPare aims for the development of plant stresstolerance enhancers.

Computational chemistry methods offersthe possibility to find and improve inhibitorsfor plant PARP enzymes (plPARPs). Since hu -man PARP enzymes (HsPARPs) are well in -vestigated and quite similar in sequence, ho -mology 3D-protein models of differentplPARPs have been built. E. g., 4-amino-1,8-naphthalimide (4-ANI) was modelled anddocked into the AtPARP1 model. 4-ANIbinds in the same mode in human and plantenzymes and the inhibition of plant PARP1

was eventually confirmed in the Lemna-as saydescribed above.

In silico screening for anti-androgenesThe androgen receptor is accepted as an im -portant pharmaceutical target for a va rietyof diseases including benign prostate hyper-plasia, prostate cancer, osteoporosis, acneand androgen alopecia. An in silico / in vitroscreening procedure was applied to identifynew androgen receptor ligands. A two stepvirtual screening procedure with a three di -mensional pharmacophore model and a do-c king/scoring routine of over one millionstructures resulted in 39,000 structures docked to the androgen receptor. Even tually400 compounds and extracts, many sugge-sted from the virtual screening, were testedin cancer cell proliferation assays, followed byan androgen receptor fluorescence po la ri za -tion ligand displacement as say. 15 compoundsshow an IC50 value lo wer than 10 µM, onecompound shows nanomolar activity.

COLLABORATORS

Antonio Luiz BragaFederal University of Santa Maria, Brazil

Ermias DagneAddis Ababa University, Ethiopia

Birgit Dräger, Klaus Humbeck, Edgar Peiter, Barbara Seliger

University of Halle, Germany

Jennifer KeyserSwiss Tropical Institute, Switzerland

Hans-Joachim NiclasSKW Stickstoffwerke Piesteritz GmbH, Germany

Birgit OppmanLeibniz Institute for Molecular Pharmacology, Berlin,

Germany

COMPANIES

Medigene AGMartiensried, Germany

Probiodrug AGHalle, Germany

Ontochem GmbHHalle, Germany

R & D Biopharmaceuticals GmbHPlanegg, Germany

Stickstoffwerke Piesteritz GmbHPiesteritz, Germany

Symrise AGHolzminden, Germany

35

In der Arbeitsgruppe Screening sind die Aktivitäten des biologischen, chemischen und virtuellen Screeningsgebündelt. Durch eine sehr enge Verzahnung mit den anderen Arbeitsgruppen und überwiegend lokalen Part -nern können Synergismen geschöpft und Projekte in ihrer gesamten Breite vor Ort vorangetragen werden.

Die Anwendungsschwerpunkte sind (a) Zellproliferation bei humanen, aber auch bei pflanzlichen Zellen (Krebs,Zellstatuskontrolle, Hormonaktivität), (b) Neurodegeneration (Neuroprotektion, Alzheimer u.a.), (c) anti bio ti -sche Eigenschaften mit Schwerpunkt auf antifungischer/antimykotischer Wirkung und (d) abiotischer Stress, ins-besondere Trockenstress an Nutzpflanzen. Dieses wird z.B. im Trockenstress-Bereich deutlich, wo Daten ausComputer-Modeling Arbeiten sowie aus biochemischem (PARP-Assays) und biologischen Screening an ganzenPflanzen sich in ihrer Aussagekraft ergänzen. Während die synthetischen Substanzen aufgrund ihrer Wirkstärkevor allem im Pharma- und Agrobereich Interesse finden, sind viele Naturstoffe für die Wachstumsbereiche NovelFood und Kosmetik geeignet. Zudem wurden Substanzen mit hoher Aktivität gegen Krebszellen identifiziert,oder auch erste Wirkstoffe um Pflanzen gegen Trockenstress zu stärken.

Fig. 2: Pharmacophore model for in silico screeningfor atPARP inhibitors.

INTRODUCTION

Three-dimensional molecular structures ofsmall molecules and proteins, and their re -action mechanisms (e.g. as substrates or in -hibitors of enzymes or modulators of re -ceptors, see also researchgroup Chemo en -zymatics) are broadly investigated by me -thods of computational chemistry and bio-informatics. Large chemical and protein da -tabases are used as sources for chemoin-formatic analyses to derive insights intostructure-activity relationships of biologi-cally active compounds or are used as sourcefor in silico screening (see research groupScreening) to predict new substrates or in -hibitors of plant enzymes or to developdrugs for medical applications.

In the last years, we were able to create thefirst three-dimensional structural modelever for the membrane bound 4-hydroxy-benzoic acid oligoprenyltransferase (specifi-cally UbiA from E. coli) present in all aero-bic organisms and crucial for the produc-tion of ubiquinone as essential electron car-rier. Colleagues from the United Statescould show that the human UbiAd1 enzyme(also known as TERE1) is related to Schny -der corneal dystrophy, which is a rare auto-somal dominant disease leading eventuallyto blindness. Five novel hUbiAd1 ge netic al -terations very likely related to this diseasecould be identified. The three-di mensionalmodel of hUbiAd1 indicates the formation

of a circle of eight transmembrane helices.Assessment of the mutations using the pro-tein model (Fig. 1) suggested that clustersof the genetic alterations oc cur within closeproximity to a putative substrate binding po -cket or at an interaction site to other pro-teins such as apolipoprotein E. This in ter ac -tion has potential implications for in flu en -cing intracellular trafficking in the living celland with this it might be related to the di -sease. Other proteins relevant for propereye function are the surfactants SP-G andSP-H for which mo dels and dynamic simu-lations in natural lipid layer environmentwere derived (Fig. 2).

GROUP MEMBERS

Susanne Aust Guest Researcher

Frank BrodaAdministrator

Juliane FischerPhD Student

Stephanie GuldePhD Student

Joachim HauptDiploma Student

Tobias HeintzPhD Student

Thomas HerbergDiploma Student

Peter-Paul HeymPhD Student

Martin KopschDiploma Student

Robert KleinPhD Student

Cornelia OdinSoftware Engineer

Silke PienknyPhD Student

Diana SchulzePhD Student

Eva SchulzePhD Student

Jennifer SzczesnyDiploma Student

Felix RauschPhD Student

COMPUTATIONAL CHEMISTRY

Heads: Wolfgang Brandt & Andrea Porzel

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Fig. 1:Model of the three-dimen-sional structure of thehuman UbiAd1 proteinwith labeled ami no acidresidues modified by gene-tic defects causing theSchnyder syndrome (blind-ness).

Fig. 2:A protein model of SP-H(green) positioned near amem brane consisting ofphosphatidylethanolamineprior to a MD simulation.

FROM BASIC RESEARCH TO MEDICAL APPLICATIONS

From the E. coli to the human UbiA enzyme

PROTEIN STRUCTURES - FUNCTIONS

AND CATALYSIS MECHANISMS

Prenylating enzymesThe prenyl converting enzymes lead to theformation of more than 60,000 differentmetabolic products in plants and other or -ganisms for which mostly no detailed un -derstanding of enzymatic structure andmolecular mechanisms does exist. In conti-nuation of previous modeling studies theresearch was considerably extended be-yond those enzymes studied in the depart-ment with several external experimentallyworking partners.

Thus, terpene synthases such as kaurene-like synthases (Arabidopsis thaliana), abienolsynthase (Nicotiana tabacum), santalene andbergamotene synthase (Solanum habrochai-tes), phellandrene synthase (Solanum lyco-persicum) and several sesquiterpene syntha-ses from Zea mays were investigated in de -tail.

Tropinone reductase-like short chain dehy-drogenases/reductasesTropinone reductases (TR) are members ofthe enzyme family short chain dehydroge-nases/reductases (SDR), which reduce theplant alkaloid tropinone into tropine. En -zymes, which have a high homology to theTR are named tropinone reductase-like(TRL). The function of TRLs in vivo is not yetknown. Currently, several TRLs from A. tha-liana, Capsella rubella and from Solanumtuberosum are investigated. By means of pro-tein modeling and in silico screening the na -tural substrates (and products) occurring inthe plants of origin shall be assigned.

CHEMOINFORMATICS

Chemoinformatics is a rather modern re -search area to derive information from the

huge amount of available data of chemicalstructures and related properties, e.g. bio-logical activities. Thus statistical analysis (da -ta mining) and the evaluation of structureactivity relationships can deliver new in sightsin common properties of compounds,which are of importance for the design ofactive components.

A systematic statistical analysis of confor-mational flexibilities and other physicoche-mical properties of macrolides led to thegeneration of a basic model for the predic-tion of cytotoxic effects of such com-pounds. Another group of special interestto us are peptoids, which are peptide mi -mics with promising properties for drug de -velopment due to their enhanced metabolicstability and both reduced and enhancedconformational flexibility in comparison topeptides. Based on multitudes of conforma-tional investigations, new stable secondarystructures could be predicted which are not

accessible by peptides formed from stan-dard amino acids (Fig. 3).

The web application KICKS keeps record ofreagents at the IPB. For each chemical con-tainer, KICKS stores all relevant informa-tion, i.e. available amount, storage place, typeof substance, hazard information, purity, andcurrent owner. In 2010, KICKS was tho-roughly revised and substantial new functio-nality was added. Special attention was paidto complete internationalization, traceability(history, complemented by electronic signa-ture if required in future) and usability.

COLLABORATORS

Wilhelm BolandMPI for Chemical Ecology, Jena, Germany

Lars Bräuer, Friedrich PaulsenUniversity of Halle / Erlangen-Nürnberg, Germany

Birgit Dräger, Jörg DegenhardtUniversity of Halle, Germany

Joram EyalInstitute of Plant Sciences, Bet-Dagan, Israel,

William FredericksUniversity of Pennsylvania, Philadelphia, USA

Oliver KayserTechnical University Dortmund, Germany

Michael L. NickersonNational Cancer Institute-Frederick, Frederick, USA

Renate Ulbrich-Hofmann, Johanna Mansfeld

University of Halle, Germany

Ute WittstockTechnical University Braunschweig, Germany

COMPANIES

Ontochem GmbHHalle, Germany

Probiodrug AGHalle, Germany

Stickstoffwerke Piesteritz GmbHPiesteritz, Germany

Symrise AGHolzminden, Germany

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In der Arbeitsgruppe Computerchemie werden Methoden der Theoretischen Chemie (Quantenchemie), desMolecular Modelings und der Bio- und Chemoinformatik angewendet, um molekulare Strukturen (z. B. 3D-Strukturen von Proteinen), enzymatische Reaktionsmechanismen und Struktur-Wirkungs-Beziehungen auf-

zuklären. Mit Hilfe dieser Untersuchungen wird die Bedeutung und Funktion pflanzlicher und humaner Proteineund Metaboliten untersucht und die Entwicklung von Wirkstoffen für medizinische und andere Anwendungenunterstützt.

Im Mittelpunkt der Grundlagenforschung stehen zwei Proteinfamilien, welche von zentraler Bedeutung fürpflanzliche biochemische Kreisläufe sind. So sind prenylierende Enzyme und kurzkettige Dehydro gena sen / Re -duktasen für die Produktion von mehr als 60.000 Metaboliten verantwortlich, deren enzymatische Bildung undFunktion in den Pflanzen bisher wenig verstanden ist. Basierend auf früheren Arbeiten der Grundlagenforschungüber prenylierende Enzyme konnten auch Beiträge zur Bestimmung der Ursachen einer seltenen genetisch be -dingten Augenkrankheit (Schneyder Syndrom, Blindheit) und zur Augentrockenheit geleistet werden.

Fig. 3: Energy hypersurface of the conformationalspace of a peptoid (N-substituted peptide).

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38

Fakultät I, Biowissenschaften, Institutsbereich Natur -stoffbiochemie, 22/07/2009.

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Maxones, Alexander: Bioaktive Peptide aus Sepedoniumspp. MLU Halle, Naturwissenschaftliche Fakultät II, Insti -tut für Chemie, Lebensmittelchemie und Umwelt che -mie, 21/07/2010.

Tetzlaff, Nancy: Isolierung und Charakterisierung vonNaturstoffen aus Plectranthus nummularis BRIQ. MLUHalle, Naturwissenschaftliche Fakultät II, Institut fürChemie, Lebensmittelchemie und Umweltchemie,21/04/2010.

Thomsen, Henrieke: Untersuchung von anthelminti-schen Pflanzeninhaltsstoffen. MLU Halle, Naturwis sen -schaftliche Fakultät II, Institut für Chemie, Lebensmit tel -chemie und Umweltchemie, 21/04/2010.

Titze, Anja: Bioaktive Inhaltsstoffe aus Pilzen. MLU Halle,Naturwissenschaftliche Fakultät II, Institut für Chemie,Lebensmittelchemie und Umweltchemie, 21/04/2010.

DOCTORAL THESIS 2010Ayaz, Muhammad: Microwave-assisted organocatalyticasymmetric Mannich type reactions by in-situ prepara-tion of imines, stereoselective synthesis of naph tho qui -none Mannich bases and asymmetric synthesis of α-methyl α-quaternized α-amino acid derivatives. MLUHal le, Naturwissenschaftliche Fakultät II, Institut fürChemie, 13/07/2010.

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TECHNICAL EDITING

Täglich, U. et al. Pilzflora von Sachsen-Anhalt. (Ar -nold, N. managing editor) Leibniz-Institut für Pflan -zen biochemie Halle /Saale [in Zusammen ar beit mitdem Natur schutz bund Sach sen-Anhalt e.V.] ISBN: 978-3-00-026723-9

DEPARTMENT OF STRESS AND DEVELOPMENTAL BIOLOGY

Head: Professor Dierk ScheelSecretary: Susanne Berlin

Plant development, although geneticallydetermined, is largely modulated by bioticand abiotic environmental factors. In thisway, developmental programs are adaptedto specific local conditions and protectiveas well as defense reactions are initiatedduring stress situations – an advantageoussituation for sedentary living plants.

The basis for those processes is the abilityof plants to perceive environmental factorsand initiate signaling networks that modifygene expression patterns. In addition, post-transcriptional reactions play an importantrole. The investigation of the molecular me -chanisms underlying this course of events isthe main research topic of the Departmentof Stress and Developmental Biology.

Plants are resistant against most pathogensin their environment. This durable nonhostresistance relies on the activation of a mul -ti-component defense response, which isinitiated by receptor-mediated recognitionof potential pathogens through complexsignaling networks. The plant plasma mem-brane-localized receptors perceive typicalmicrobial structures that are of importancefor microbial biology, but absent fromplants. Examples for such pathogen-associa-ted molecular patterns (PAMPs) are frag-ments of chitin or glucan from fungal cellwalls or of flagellin from bacterial flagella.Therefore, nonhost resistance is also calledPAMP-triggered immunity.

Successful pathogens are able to suppressPAMP-mediated defense responses by se -creting effectors into the apoplast or injec-ting them into plant cells, where they usual-

ly affect signaling processes and render theplant susceptible towards the pathogen.This phenomenon is known as effector-trig-gered susceptibility. During co-evolutionwith their pathogens plants evolved mecha-nisms to recognize specific effectors by re -

sistance proteins, which initiate an efficientdefense response against pathogens ex -pressing those effectors. This results in hostresistance or effector-triggered immunity.The work of several research groups of thedepartment focuses on the analysis of ef -fectors, recognition, signal transduction andgene activation processes in plant-pathogeninteractions.

Plant responses to environmental factorsfinally result in altered patterns of proteinsand metabolites. In order to be able to di -rectly monitor such alterations, mass spec-trometry-based methods have been esta-blished allowing the comprehensive profi-ling of proteins and metabolites. Both me -thods are also being employed for bioche-mical phenotyping of mutants. Com pre hen -sive metabolite profiling required the esta-blishment of metabolomics and bioinforma-tics platforms including the development ofappropriate databases and tools for analysisand annotation of primarily mass spectro-metry data.

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Die pflanzliche Entwicklung ist, wenn auchgenetisch determiniert, so doch in erhebli-chem Umfang durch biotische und abioti-sche Umweltfaktoren modulierbar. Da -durch ist gewährleistet, dass Entwicklungs -programme an jeweilige Standortbedin gun -gen angepasst beziehungsweise Schutz- undAbwehrreaktionen in Stresssituationen ein-geleitet werden. Dies bietet bei der sessilenpflanzlichen Lebensweise einen Vorteil.

Die Grundlage dieser Prozesse bildet dieFähigkeit von Pflanzen, die entsprechendenUmweltfaktoren zu erkennen und über Sig -naltransduktionsprozesse in veränderteGenexpressionsmuster zu übersetzen. Da -rüber hinaus spielen auch posttranskriptio-nelle Reaktionen eine wichtige Rolle. DieUntersuchung der molekularen Mecha -nismen dieser Vorgänge steht im Mittel -punkt der Arbeiten der Abteilung Stress- undEntwicklungsbiologie.

Pflanzen sind gegen die meisten Pathogenein ihrer Umgebung resistent. Diese stabileNichtwirts-Resistenz beruht auf der Akti -vierung einer aus vielen Komponenten be -stehenden Abwehrreaktion, die nach rezep -torvermittelter Erkennung der potentiellen

Pathogene über komplexe Signalnetzwerkeaktiviert wird. Die in der pflanzlichen Plas -mamembran lokalisierten Rezeptoren er -kennen typische mikrobielle Strukturen, diefür deren Biologie wichtig sind, in der Pflan -ze aber nicht existieren. Beispiele für diesesogenannten Pathogen-assoziierten mole-kularen Muster (PAMPs) sind Fragmentedes Chitins oder Glukans der pilzlichenZellwände oder des Flagellins der bakteriel-len Flagellen. Die Nichtwirts-Resistenz wirddeshalb auch als PAMP-vermittelte Immu ni -tät bezeichnet.

Erfolgreiche Pathogene können die durchdie PAMP-Erkennung ausgelöste Abwehr re -aktion mit Hilfe von Effektoren unterdrü-cken, die sie entweder in den Apoplastense kretieren oder sogar in die Pflanzenzellein jizieren, wo sie in der Regel mit Signal -trans duktions-Vorgängen interferieren unddie Pflanze empfindlich gegenüber dem Pa -tho gen machen. Dieses Phänomen ist als Ef -fek tor-vermittelte Suszeptibilität bekannt.Im Laufe der Koevolution mit ihren Patho -ge nen haben Pflanzen Mechanismen entwi -ckelt, die es ihnen ermöglichen, spezifischeEffektoren mit Hilfe von Resistenz prote i -nen zu erkennen und eine sehr effektive

Resistenzreaktion gegen Pathogene auszu-lösen, die diesen Effektor exprimieren. Da -durch kommt es zur Wirtsresistenz, dieauch als Effektor-vermittelte Immunität be -zeichnet wird. Mehrere Arbeitsgruppen derAbteilung untersuchen Effektoren, Erken -nungs-, Signaltransduktions- und Genakti -vierungsprozesse, die bei den verschiede-nen Wechselwirkungen von Pflanzen undPathogenen eine Rolle spielen.

Reaktionen von Pflanzen auf Umwelt fak to -ren drücken sich letztendlich in einem ver-änderten Muster von Proteinen und Meta -boliten aus. Um diese Veränderungen de -tektieren zu können, wurden Methodenzur umfassenden Analyse von Pro te i nenund Metaboliten mittels Massen spek tro me -trie etabliert. Diese Methoden werden da-rüber hinaus zur biochemischen Phäno ty pi -sierung von Mutanten verwendet. Das um -fassende Metaboliten-Profiling erfordertedie Etablierung einer Bioinformatik- undMetabolomics-Plattform, die eine Erstellungvon Datenbanken und Anwendungen für ei -ne Analyse und Annotation insbesonderevon massenspektrometrischen Messdatenbeinhaltet.

ABTEILUNG STRESS- UND ENTWICKLUNGSBIOLOGIE

Leiter: Professor Dierk ScheelSekretärin: Susanne Berlin

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Fungi of the genus Rhynchosporium are cau-sal agents of leafscald on a variety of gras-ses. Based on phylogenetic criteria the for-mer species Rhynchosporium secalis was re -cently subdivided into three species, whichare morphologically indistinguishable butcharacterized by specific hosts. R. secalis isre stricted to rye (Secale cereale) and tritica-le, whereas R. commune grows on Hordeumspecies including cultivated barley (H. vulga-re) and brome grass (Bromus spp.) and R. ag -ropyri on couch grass (Agropyron spp.). R. or -thosporum, a pathogen of orchard grass(Dactylis glomerata), had been considered aseparate species already in the past due toits different spore shape.

In cooperation with the Leibniz Institutefor Age Research in Jena and the HelmholtzCenter in Munich, the genomes of all fourRhynchosporium species were sequenced.The genomes of two R. commune isolatesand of one R. secalis isolate are already as -sembled and annotated; with a genome sizeof 50-55 Mb they contain ~13,000 genes.After finishing assembly and annotation ofthe genomes of an R. agropyri isolate and anR. orthosporum isolate, comparative geno-mics is expected to yield information onfungal speciation and host specialization.

Economically important worldwide is thedisease caused by R. commune on barley.Yield losses as high as 35-40% have beenreported, but a yield reduction of 5-10% isprobably more common. The interaction of

this fungal species with its host is investiga-ted with the goal to unravel the molecularmechanisms that lead to plant susceptibilityand resistance, respectively. Therefore, fun-gal and plant factors and processes are stu-died, which are involved in or the conse-quence of the plant-microbe communica-tion.

The fungal lifestyle requires the secretionof effector molecules to acquire nutrientsor to otherwise manipulate the host phy-siology in order to allow the completion ofthe fungal life cycle from spore germinationto the formation and release of new coni-dia. Therefore, identification of secretedfungal proteins (collectively termed the se -cretome) and their functional characteriza-tion has taken center stage of our researchin recent years. To this end, a fungal Ex -pressed Sequence Tag (EST) library was ge -nerated from mycelia grown in liquid cultureand subjected to different stresses to mi micthe situation in planta. A screening for se -cretome proteins in silico (SignalP, WoLFPSORT) yielded >1,000 sequences enco-ding candidate proteins. Using criteria such

as small size, cysteine richness, expressionduring pathogenesis, Rhynchosporium speci-ficity (i.e., absence from other fungal databases), occurrence of certain functional do -mains (e.g., RXLR motif) and allelic variabi-lity, the number of candidate genes for fur-ther analysis was narrowed down. Even tu al -ly, deletion mutants were generated for se -veral genes, which are being compared tothe parent wild type fungus with regard todisease phenotype and mycelial growth inplanta. This type of analysis is most ad van -ced for three genes encoding the necrosis-inducing proteins NIP1, NIP2 and NIP3. Ona highly susceptible barley cultivar, di seasesymptoms caused by the NIP1 and NIP2 de -letion mutants did not differ significantlyfrom the wild type symptoms (Fig. 1). Incontrast, loss of the NIP3 gene resulted insmaller, more localized lesions. The latterobservation correlates with the re ducedgrowth of the NIP3 deletion mutant, whileloss of NIP2 had no effect and loss of NIP1even accelerated fungal growth. On a mo -derately susceptible cultivar, all three dele-tion mutants grew less and caused weakersymptoms than the wild type. Fur thermore,

GROUP MEMBERS

Susanne KirstenTechnical Assistant

Andrea LeitnerPhD Student

Claudia MönchmeierPhD Student

Aura Navarro-QuezadaPostdoctoral Position

Daniel PenselinDiploma Student /PhD Student

Sylvia SierslebenPhD Student

Claudia WenzelPhD Student

MOLECULAR COMMUNICATION IN PLANT - PATHOGEN INTERACTIONS

Head: Wolfgang Knogge

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Fig. 1: Functional analysis of fungal virulence genes. (Left) The NIP3 deletion mutant causes weaker, more localized lesions than the wild type (WT) or the NIP1and NIP2 deletion mutants. (Right) The altered di sease phenotype correlates with a drastically reduced deve-lopment of the NIP3 deletion mutant in planta as measured by qRT-PCR.

expression analysis revealed strong diffe-rences in NIP gene expression on differenthost cultivars, suggesting that the role ofthe three proteins during pathogenesis de -pends strongly on the host genotype.

The NIP genes are transiently expressedduring the first stage of pathogenesis, whenthe fungal biomass increases only slowly,mainly through development of slender hy -phae. The second stage of pathogenesis ischaracterized by the rapid increase in fun-gal biomass through the development of adense stroma of thicker, short-septatehyphae (Fig. 2).

Interaction arrays were generated carrying~40,000 barley sequences and ~19,000 fun-gal sequences. These microarrays are cur-rently used to identify fungal and plant

genes that are highly expressed during ei-ther or both stages of pathogenesis. Thegoal is to detect fungal factors characteri-zing the two developmental stages and toidentify plant factors reflecting the respec-tive plant response. These studies are com-plemented by a proteomics approach, inwhich the fungal secretome (Fig. 3) as wellas al terations in the plant protein patternsupon inoculation are analyzed by 2D gel

electrophoresis (Differential In-Gel analy-sis, DIGE) and mass spectrometric techni-ques.

In addition to proteins, fungal secondarymetabolites may play a role during pathoge-nesis. For instance, in numerous fungi phy-totoxic metabolites such as polyketides orsmall peptides function as virulence factors.

Their synthesis is catalyzed by polyketidesynthases (PKS), non-ribosomal peptidesynthases (NRPS) or hybrid enzymes (PKS-NRPS). In most cases, very little is knownabout the actual function of the metabolicproducts. In the genome of R. commune se -veral genes encoding PKS and NRPS mo-dules have been identified to date. This typeof genes was therefore included in the func -tional analysis of fungal genes. Currently, de -letion mutants are studied in planta andmetabolite analyses are carried out to yieldinformation about function and identity ofthe enzyme products.

COLLABORATORS

Anna AvrovaScottish Crop Research Institute, Dundee, Scotland

Jörg DurnerInstitute of Biochemical Plant Pathology,

Helmholtz Center, Munich, Germany

Bruce FittRothamsted Research, Harpenden, England

Martin MünsterkötterInstitute of Bioinformatics and Systems Biology,

Helmholtz Center, Munich, Germany

Matthias Platzer, Stefan Taudien, Marius Felder

Leibniz Institute for Age Research Jena, Germany

Holger Schultheiss, Stéphane BieriBASF Agrarzentrum Limburgerhof, Germany

Patrick Schweizer, Hans-Peter MockLeibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant

Research (IPK) Gatersleben, Germany

Udo SeiffertFraunhofer Institute for Factory Operation and

Automation IFF, Magdeburg, Germany

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Der Pilz Rhynchosporium commune (bisher R. secalis) verursacht eine weltweit bedeutende Blattflecken -

krankheit der Gerste. Die Untersuchungen zur Interaktion dieses Pilzes mit seiner Wirtspflanze haben

zum Ziel, die molekularen Mechanismen aufzuklären, die zu pflanzlicher Suszeptibilität bzw. Resistenz

führen. Auf Seiten des Pilzes werden dazu unter Verwendung spezifischer Deletionsmutanten verschiedene Ge -

ne charakterisiert, deren Produkte an der Ausprägung der Krankheit beteiligt sind. Auf Seiten der Pflanze wer-

den infektionsbedingte Veränderungen im Transkript- und Proteinmuster untersucht. Darüber hinaus bildet die

Sequen zierung der Genome verschiedener Arten der Gattung Rhynchosporium mit unterschiedlichem Wirts -

spektrum die Grundlage für Untersuchungen zu Pilzevolution und Wirtsspezialisierung.

Fig. 2: Fungal development in planta.(Bottom) During early stages of pathogenesis thefungal biomass increases only slowly by mainlyproducing slender, wide-septate hyphae above theanticlinal cell walls of host epidermis cells.

(Top) The accelerated increase in biomass coin-cides with the development of thicker, short-sep-tate hyphae forming a subcuticular stroma. Stai -ning: trypan blue.

Fig. 3: Fungal secretome. The fluorescence overlay of secretome proteinsseparated by 2D gel electrophoresis (2D DIGE)reveals many differences between R. commune(Cy3-stained, green fluorescence) and R. secalis(Cy5-stained, red fluorescence). Proteins occur-ring in both secretomes show yellow fluorescence.

Plants are constantly exposed to potentialpathogens but do not always succumb tothem. For the mounting of a successful de -fense response, plants possess systems toperceive such attempted pathogen attacksthrough signals that are either pathogen-derived (e.g. Pathogen-Associated Mole cu -lar Patterns, PAMPs) or generated throughalterations caused by the pathogens. Ourresearch aims to elucidate the plant defensesignal transduction pathways in non-hostplant-pathogen interaction and also in so-called gene-for-gene type of disease resistance.

The bacterial flagellin-derived flg22 peptideand other peptide and proteinaceous elici-tors are PAMPs recognized through cog-

nate plant receptors. One of the earliestdetectable response after MAMP percep-tion is the activation of ion channels andpumps at the plasma membrane. Resultingion fluxes, which include an increase in cy -tosolic calcium, have been shown in severalplants to be required for all other down-stream responses, such as activation of mi -togen-activated protein kinases (MAPKs),production of reactive oxygen species(ROS) and defense gene expression. Using atransgenic Arabidopsis line with the calcium

reporter aequorin, transient increase in cy -tosolic calcium levels within minutes afterPAMP application was detected. To eluci-date components that contribute to this ra -pid calcium elevation, the aequorin trans -gene was transferred into various signaltransduction mutants. Additionally, to iden-tify other regulators of calcium homeosta-sis, seeds of transgenic lines were mutage-nized and screened for mutants with chan gedcalcium elevation (cce) to flg22. Many mu -tants in flg22 receptor and receptor complexcomponents were found, which highlightsthe forte of this screening system to identi -fy receptors for new PAMPs or any ot hersignals that elicit cytosolic calcium chan ges.The rest of the unknown cce mu tants mayreveal novel components regulating thisimportant step in early PAMP sig naling.

MAPK cascades are essential not only forcontroling defense responses but also manydevelopmental processes. The elementsthat prevent erroneous signaling crosstalkmay include expression patterns of theMAPK components, the presence of path-way-specific protein complexes or MAPKsubstrate diversity. Different strategies havebeen employed to isolate MAPK substrates

and interacting proteins. These includeyeast-two-hybrid screens, biochemical iso-lation of MAPK-interacting proteins by tan-dem-affinity purification and a protein ar -ray-based screen for MAPK substrates.Current efforts will elucidate the rolesplayed by these interacting proteins in theMAPK signal transduction pathway(s). Forinstance, the ethylene response factor,ERF104, was shown to be a specific sub-strate of the MAPK, MPK6, and regulateplant innate immunity (Fig. 1).

Several proteins being analyzed currentlycould be shown to be phosphorylated invitro by MAPKs. In some cases, a mobilityshift of the protein in SDS-PAGE suggestedin vivo post-translational modification afterflg22 treatment and also changes in proteinstability. Experiments are underway to mapthe phosphorylation sites by mass spectro-metry and site-directed mutagenesis, whichcould reveal the impact of phosphorylationon the function of the proteins.

GROUP MEMBERS

Nicole BauerTechnician

Gerit BethkePhD Student

Lennart Eschen-LippoldPostdoctoral Position

Julia GrimmerDiploma Student

Siska HerklotzBachelor Student

Sylvia KrügerTechnician

Ines LassowskatDiploma Student

Luis Maldonado-BonillaGuest Scientist

Sven MönnighoffPostdoctoral Position

Kai NaumannPostdoctoral Position

Jana NeumerkelPostdoctoral Position

Mieder Palm-ForsterPhD Student

Pascal PecherPhD Student

Stefanie RanfPhD Student

Christel Rülke Technician

Dirk SchenkePostdoctoral Position

Tino UnthanPhD Student

Noreen WolfPhD Student

CELLULAR SIGNALING

Heads: Dierk Scheel & Justin Lee

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Fig.1: Defective immunity re -sponse of Arabidopsis plantswith altered ERF104 expression. Compared to wild type plants(WT), chlorotic or necrotic lesionsdeveloped in leaves of erf104 mu -tant or transgenic plants overex-pressing ERF104 (OE1/OE2) sixdays after infiltration with the non-adapted Pseudo monas syringae pv.phaseolicola (a bean pathogen).

Fig. 2: Reproducible phosphoprotein enrich-ment. Triplicate samples (1-3) of Arabidopsis pro-tein extracts were fractionated to deplete abun-dant Rubisco proteins and enriched for phospho-proteins by metal oxide affinity chromatography(MOAC). After SDS-PAGE, phosphoproteins werevisualized by Pro-Q diamond staining.

Proteomics can potentially identify new un -known components for defense signaltransduction but is often impeded by thelow abundance of such proteins. To overco-me this, methods to fractionate and de-plete abundant proteins (e.g. Rubisco) or al -ternative dyes for multiplex labeling of pro-teins have been developed (Fig. 2). For in -stance, extensive fractionation of an“AvrRpm1-Rpm1” defense system identi-fied proteins that have not been previouslyfound. This includes the PP2C-type phos-phatase and a potential lipid-raft protein,Remorin. The Remorin protein is regulatedby phosphorylation events, but indepen-dently from the PP2C. Ecotype differencesin protein patterns have also been uncoveredby a proprietary multiplex-based two-di -

mensional (2-D) gel electrophoresis. Mo re -over, a systematic approach for 2-D-LC-MS/MS and bioinformatics tools for label-free relative quantification are being deve-loped to tackle the complexity of the pro-teome.

Since phosphorylation is a recurrent themein signal transduction processes, this callsfor establishment of a robust phosphopro-teomics platform. This includes electrontransfer dissociation (ETD)-based massspec trometry in combination with noveland optimized phosphopeptide and proteinenrichment methods. In collaboration withother departments within the IPB, an inter-disciplinary effort is underway to developchemical probes for activity and affinity-

based protein profiling (ABPP). This includesboth manual and automatic solid-phasechemical synthesis of different phosphate-binding ligands for enrichment of phospho-rylated biomolecules and could be vital forthe identification of more MAPK substratesor other phosphoproteins. Proof-of-prin-ciple experiments have already de mon stra -ted the applicability of other in-house syn-thesized chemical probes for me thyl trans -ferases and cysteineproteases for labelingspecific classes of enzymes. Thus, the ABPPapproach will be instrumental in sub-pro-teome analysis for uncovering signal trans-duction components.

COLLABORATORS

Jeff DanglUniversity of North Carolina, Chapel Hill, USA

Petra DietrichUniversity of Erlangen, Germany

Minna Haapalainen, Suvi Taira, Martin RomantschukUniversity of Helsinki, Finland

Jong-Chan HongGyeongsang National University, South Korea

Birgit Kersten,RZPD German Resource Centre for Genome

Research Berlin, Germany

Teun Munnik, Saskia van WeesUniversity of Amsterdam, The Netherlands

Thorsten Nürnberger, Birgit Kemmerling, Andrea Gust

University of Tübingen, Germany

Ralf OelmüllerUniversity of Jena, Germany

Gunter ReuterUniversity of Halle, Germany

Joachim UhrigUniversity of Cologne, Germany

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Obwohl Pflanzen ständig im Kontakt mit potenziellen Pathogenen sind, werden sie nicht immer befallen.Auf der zellularen Ebene erfolgt die Wahrnehmung der Pathogene über eine Rezeptor-vermittelte Er -kennung von Pathogen-abgeleiteten Signalen (Pathogen-associated Molecular Patterns, PAMPs) und

löst dadurch eine Signaltransduktions-Kaskade aus. Dazu zählen eine transiente Erhöhung des zytosolischen Kal -zium-Levels, die Aktivierung von Ionenkanälen und MAP-Kinasen (MAP: Mitogen-Activated Protein), die Ak ku mu -lation von reaktiven Sauerstoffspezies und die Abwehrgen-Expression. Um solche Signalweg-Kom ponen ten zuuntersuchen, werden verschiedene Strategien wie das genetische Mutanten-Screening, die molekulare Charak -terisierung von MAPK-Substraten und moderne Proteinanalyse-Methoden (z.B. Proteomics oder sogenanntesaffinitätsbasiertes Protein-Profiling) angewendet.

Negative impact of PAMPs (flg22 or elf18) on plant growth. Arabidopsis seedlings were grown on agar plates ± 1µM flg22/ elf18 for 14 days and repre-sentative seedlings were photographed. Inserts show enlarged photographs of drasticelf18-induced necrotic ef fects on aerial tissues.

Late blight, the most devastating disease ofpotato, is caused by the oomycete Phy toph -thora infestans. The focus of our studies isthe interaction of P. infestans with its hostplant potato, as well as the nonhost plantArabidopsis thaliana. In particular, we are in -terested in obtaining insight into mecha-nisms of successful plant defense againstthis important pathogen.

Plants are able to recognize pathogens viapathogen-associated molecular patterns(PAMPs), microbial structures, which arehighly conserved and important for the pa -thogen´s life style. Binding of PAMPs byplant pattern recognition receptors leadsto the activation of defense responses, whichare usually sufficient to stop pathogengrowth. A 13 amino acid motif (Pep-13)from an extracellular transglutaminase ofPhytophthora was identified as a PAMP, whichspecifically induces defense responses inpotato. These include the accumulation of

salicylic acid, jasmonic acid and hydrogenperoxide, as well as hypersensitive cell death.The requirement of salicylic acid and jas-monic acid for Pep-13-induced defense re -sponses was shown in transgenic plantswith down-regulated levels of these defensesignaling compounds. Salicylic acid levelswere reduced by expressing a gene enco-ding a salicylate hydroxylase which efficient-ly converts salicylic acid to catechol. Sali cy -lic acid-deficient plants are not only impairedin activating defense responses after Pep-13treatment, but are also more susceptible toinfection by P. infestans. Trans genic plants ex -pressing RNAinterference constructs ofgenes encoding jasmonic acid biosyntheticenzymes and the jasmonic acid receptorcontain highly reduced levels of jasmonicacid. These plants are unable to activatePep-13-induced defense responses. Thus,both salicylic acid and jasmonic acid are re -quired for PAMP-induced defense in pota-to.

Transcriptomic analyses using microarraysrevealed over 700 Pep-13-responsive genes,some of which are expressed in a jasmonicacid-dependent manner. In a candidate geneapproach, functional analyses are carriedout by expressing RNAinterference con-structs targeted at selected genes in trans-genic plants. These candidate genes encodetranscription factors, ABC transporters,proteins of the secretory pathway, as wellas phosphoinositol signaling components(collaboration with Ingo Heilmann, Uni ver -sity of Halle). Potato plants with down-re -gulated expression of these genes will beanalyzed for alterations in their response toPAMP-treatment and infection with P. infe-stans.

Within the GABI project Papatomics, meta-bolites shall be identified whose presencecorrelates with resistance or susceptibilityof potato against P. infestans. Therefore, un -targeted metabolite profiling was per -

GROUP MEMBERS

Simone AltmannPhD Student

Melanie DobritzschPhD Student

Lennart Eschen-LippoldPostdoctoral Position

Nadezhda FrolovaPostdoctoral Position

Katrin GeißlerPhD Student

Marina HäußlerTechnician

Aline JakobitzDiploma Student

Michaela KopischkePhD Student

Ramona LandgrafPhD Student

Tilo LübkenPostdoctoral Position

Rico LucasMaster Student

Ulrike SmolkaTechnician

Ron StauderDiploma Student

Lore WestphalSenior Scientist

INDUCED PATHOGEN DEFENSE

Heads: Dierk Scheel & Sabine Rosahl

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Model for PAMP signal transduction in potatoBinding of the Phytophthora PAMP Pep-13 to its putative receptor leads to the sali-cylic acid- and jasmonic acid-dependent accumulation of hydrogen peroxide, localhypersensitive cell death, the activation of defense genes and enhanced resistance toP. infestans.

formed with potato plants displaying diffe-rent degrees of resistance to P. infestans. Themetabolite profile of methanolic extractsfrom infected and uninfected leaves was de -termined via UPLC-ESI-QTOF-MS to de -tect differentially occurring metabolites. Inaddition to the salicylic acid-deficient plantswith enhanced susceptibility, transgenicplants expressing the P. infestans resistancegene R1 were analyzed (collaboration withChristiane Gebhardt, MPI Cologne). Struc -ture elucidation of differentially accumula-ting metabolites is in progress.

Hydroxycinnamic acid conjugates are themajor metabolites of potato leaves accu mu -lating after pathogen infection. We have iden-tified a gene from Arabidopsis, which codesfor a hydroxycinnamic acid transferase. Incol laboration with Birgit Dräger (Univer si -ty of Hal le), this Arabidopsis gene is trans-ferred to potato in order to generateplants with al tered hydroxycinnamic acidamide levels. Transgenic plants with enhancedlevels of specific hydroxycinnamic acid ami-des will be analysed for alterations in theirre sponse to P. infestans.

Arabidopsis thaliana is able to successfullyprevent colonization by P. infestans. This mul-tilayered nonhost resistance is based onconstitutive and induced defense responses.Penetration resistance is dependent on afunctional PEN2 gene, which encodes a my -rosinase required for the generation of spe-cific indole derivatives. pen2 mutants allowenhanced penetration of P. infestans and dis-

play enhanced defense responses comparedto the parent line gl1. In a genetic screenbased on an EMS- mutagenized pen2 popu-lation, 14 independent mutants were identi-fied. All mutants displayed an enhanced re -sponse to P. infestans infection, as exempli-fied by the higher number of mesophyllcells undergoing cell death. Whole genomeresequencing (performed in the lab of Det -lef Weigel, MPI Tübingen) led to the identi-fication of the genes affected in two mu -tants. The analysis of the mutants includesboth transcriptomic analyses by microar-rays and metabolome studies by untargetedmetabolite profiling. A possible role of theaffected genes for host defense is analyzedby transferring the genes to potato and de -termining possible alterations in the re -sponse to P. infestans infection.

COLLABORATORS

Birgit Dräger, Gerd Hause, Ingo Heilmann

University of Halle, Germany

Christiane Gebhardt, Paul Schulze-Lefert

Max-Planck-Institute for Plant Breeding Research,Cologne, Germany

Volker LipkaUniversity of Göttingen, Germany

Felix MauchUniversity of Fribourg, Switzerland

Uwe SonnewaldUniversity of Erlangen, Germany

Detlef WeigelMax-Planck-Institute for Developmental Biology,

Tübingen, Germany

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Die Kraut- und Knollenfäule ist die wichtigste Krankheit der Kartoffel und wird durch den OomycetenPhytophthora infestans hervorgerufen. Zur Aufklärung pflanzlicher Abwehrmechanismen wird die Inter -aktion des Pathogens mit seiner Wirtspflanze Kartoffel und mit der Nichtwirtspflanze Arabidopsis tha-

liana untersucht. Eine funktionelle Analyse von Genen, die nach Behandlung von Kartoffelblättern mit demPAMP Pep-13 aktiviert werden, erfolgt durch die Expression von RNA-Interferenzkonstrukten in transgenenKartoffelpflanzen und die Untersuchung der Pathogenabwehr.

Um Gene zu identifizieren, die an der Nichtwirtsresistenz von A. thaliana gegen P. infestans beteiligt sind, wurdeein Mutantenscreen durchgeführt, der zur Isolierung von 14 Mutanten führte, die eine verstärkte Antwort auf P.infestans-Infektion zeigten. Durch Resequenzierung des Genoms einiger Mutanten wurden die betroffenen Geneidentifiziert. Eine mögliche Rolle dieser Gene für die Pathogenabwehr der Wirtspflanze wird durch Transfer derGene in Kartoffelpflanzen untersucht.

Fig. 2: In contrast to wild type potato plants (A),transgenic plants with down-regulated expres-sion of genes encoding defense-associated secre-tory proteins (B and C) mount a hypersensitivecell death reaction upon infiltration of bacteria.

Today, mass spectrometry is a key techno-logy for metabolomics research. Due to im -mense technological advances in mass spec-trometry over the last years, the amountand complexity of the data produced hasbeen growing rapidly. Algorithms, databasesand tools are being developed, which arerequired for the analysis of metabolomicsexperiments.

The first step in a metabolomics data pro-cessing pipeline is the processing of signalsto reduce complex chromatographic datainto peak lists and align several peak listsfrom different samples into a data matrix.We are co-maintaining the successful Bio -conductor package XCMS, which is down -loaded about 7,000 times per year. In addi-tion, the CAMERA package to annotate ionspecies typically found in electrospray ioni-sation (ESI-MS) and the Rdisop package tocalculate the elemental composition fromaccurate mass measurements were created.

The statistical analysis of metabolomics ex -periments will reveal a number of interestingmetabolites. For any further biological in -terpretation, it is a requirement to identifytheir structure. Tandem mass spectrometryis a key technology for the identification ofsmall molecules. Today, the identification ofmetabolites from mass spectra relies onthe comparison with authentic compoundsor reference spectra.

The IPB Halle is member of the MassBankconsortium, the first open database of refe-rence spectra. We are hosting the EuropeanMassBank node at http://msbi.ipb-halle.de/MassBank/ and develop an ecosystem of toolsand workflows around this reference library.

Because reference spectra are often expen-sive (both in consumables and chemicals, buteven more so in manpower) to obtain, refe-rence libraries will never be covering asmany compounds as can be found in gene-ral purpose compound databases. There -fore, the MetFrag system is being deve-loped. Because a mechanistic simulation ofthe process is computationally infeasible,simplified in silico fragmentation methods,statistical models and machine learning to alarge set of training spectra are employed.

MetFrag is an open-source combinatorialfragmenter. It can process hundreds of can-didate structures for a measured spectrumwithin a few minutes. The tool uses the tan-dem mass spectrum and the calculated massof the compound as input to search chemi-cal structure databases such as KEGG,PubChem or ChemSpider for matching mo -lecules. For each candidate every possiblefragment is created using several heuristics.A user-friendly web application is accessibleat http://msbi.ipb-halle.de/MetFrag/, but wealso provide the source code as open-source license for local deployments.

Storage and processing of mass spectrome-try and metabolomics data can not be per-formed with simple text formats or spreadsheets. The complexity of the underlyingdata and requirements of data exchangeand future-proof archival mandate of tho-

The web frontend ofthe MetFrag applica-tion, showing queryand result for themetabolite naringe-nin.

GROUP MEMBERS

Diana Boronczyk PhD Student

Michael GerlichPhD Student

Carsten Kuhl PhD Student

Sebastian WolfPhD Student

BIOINFORMATICS & MASS SPECTROMETRY

Head: Steffen Neumann

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A workflow integrating the MassBank and KEGGweb services to visualize metabolites in their bio-chemical context.

rough data model. The exchange formatmzData has been developed in the contextof the HUPO and PSI communities. Severalconversion tools exist to create mzDatafrom mass spectrometry instruments andother file formats such as mzXML. Sincethen, the developer communities of bothmzData and mzXML collaborated to deve-lop the joined successor mzML. Currently, adata format for the description of multiplereaction monitoring (MRM) and tandem massspectrometry (MS/MS) is under develop-ment in the TraML community.

Once the data is in a vendor independentmachine readable format, the next step isto publish various -omics data in a well an -notated format, according to community-accepted (at least minimal) informationabout the experiment. The ISA (Inves ti ga -tion, Study, Assay) tools and format are de -signed for this task. We use tools at the IPB,and develop the integration into our la -bora tory routine to be able to use themalso as an (albeit very simple) LIMS (La bo -ratory Information System) system.

For the software development we use dif-ferent methods, such as the statistics envi-

ronment R and various Bioconductor pa-ckages. Where applicable, we create suchpackages for the wider scientific communi-ty. Other projects use Java, and the possibi-lity to add user friendly web based interfa -ces. Finally, workflow system such as the Ta -verna project allows to integrate heteroge-neous modules into a comprehensive pipe-line.

Compute intensive calculations are execu-ted on the IPB cluster, which provides anumber of local compute nodes, but also al -lows to move tasks into a public cloudwhere necessary.

COLLABORATORS

Masanori Arita, Kazuki SaitoRiken Plant Science Center,Yokohama City, Japan

Sebastian BöckerUniversity of Jena, Germany,

Ivo Große, Stefan PoschUniversity of Halle, Germany

Jules GriffinUniversity Of Cambridge, UK

Oliver KohlbacherUniversity of Tübingen, Germany

Takaaki NishiokaGraduate School of Agriculture, Kyoto, Japan

Susanna Sansone, Phillipe Rocca Sera

Oxford University, UK

Falk SchreiberLeibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant

Research, Gatersleben, Germany

Christoph SteinbeckEuropean Bioinformatics Institute, Hinxton,

Cambrigde, UK

Egon WillighagenUppsala University, Sweden

49

Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit Datenbanken und Anwendungen für die Analyse von Massen spek -trometrie und NMR Daten. Ein großer Teil der Auswertungen wird in der Statistiksprache R und mitmehreren Zusatzpaketen des Bioconductor-Projektes erstellt.

Der erste Schritt in der Verarbeitung von Massenspektrometrie-Daten ist die Signalverarbeitung, um die kom -plexen Rohdaten in einfachen Peaklisten zusammenzufassen. Wir sind an der Entwicklung des erfolgreichen Bio -conductor-Paketes XCMS beteiligt und haben weitere Pakete erstellt.

Für die biologische Interpretation ist die Identifikation dieser Signale nötig. Spektrendatenbanken erlauben denVergleich mit bekannten Messungen; wir betreiben daher den ersten europäischen MassBank Server und entwi-c keln Workflows für diese Referenzdatenbank. Da die Messung von Referenzspektren aufwändig ist, entwickelnwir in-silico-Methoden für die Spektrensuche, wie z.B. http://msbi.ipb-halle.de/MetFrag/ .

Die Menge und Komplexität der (Roh-)Daten aus Metabolomics-Experimenten fordert strukturierte, hersteller-unabhängige Dateiformate. Hier beteiligt sich das IPB an dem Entwurf von mzML für Rohdaten, TraML zumAustausch von tandem-MS-Einstellungen und der ISA-Infrastruktur (Investigation, Study, Assay).

METABOLITE PROFILING

Head: Dierk Scheel

During development and in response to va -riable environmental conditions, plants exhi-bit altered metabolite patterns. Among theselow molecular weight compounds, the num-ber and diversity of secondary metabolites isparticularly high. These are known to playcrucial roles in plant development, adaptationand defense. For sensitive detection, quantifi -cation and identification of the diverse spec-trum of metabolites, liquid and gas chroma-tography-coupled mass spectrometry is em -ployed in mostly non-targeted manner. Incooperation with the Bioinformatics and MassSpectrometry group, versatile tools for dataanalysis and storage have been developedand made publicly available (see correspon-ding report).

Between 2008 and 2010, the group was in -volved in two GABI-FUTURE collaborative

projects. GABI-ProTect aimed at the identifi-cation and characterization of new genesand new patterns of biosynthetic regulationof chemoprotectives in Arabidopsis thaliana.Extracts of activation-tagged lines identifiedto contain chemoprotective activity in hepa-toma cells were analyzed for altered meta-bolite patterns by liquid chromatographycoupled to electrospray ionization quadru-pole time-of-flight mass spectrometry(UPLC-ESI-QTOF-MS). Except for few lineswith enhanced glucosinolate metabolites,most lines did not exhibit significantly alte-red metabolite patterns. Therefore, strongoverexpression of regulatory elements inthe selected activation-tagged lines only ra re -ly was reflected in altered metabolite com-position.

In GABI-FORTE the central goal was the iden-tification of novel gene functions involved infortifying plants against biotic and abioticstresses by exploiting the interaction of Ara -bidopsis thaliana with the mutualistic rootendophyte Piriformospora indica. The knowngrowth-promoting effect of the funguscould be verified upon co-cultivation in hy -droponic culture with plant seedlings (Fig.1).Upon co-cultivation for two weeks, non-tar-geted metabolite profiling was performedby gas chromatography-coupled mass spec-trometry (GC-MS) and UPLC-ESI-QTOF-MS.Differential primary and secondary metabo-lite patterns were detected in culture me -

dia, roots and mycelia of co-cultivated versusplants and fungi grown alone. The same ex -perimental system was employed to studythe interaction of A. thaliana with the patho-genic oomycete, Phytophthora infestans. Here,differential metabolite patterns were detec-ted in all tissues and culture media of co-cultivated versus plants and oomycete grownalone. Interestingly, very little overlap wasdetected between metabolites accumulatingdifferentially upon co-cultivation with P. indi-ca and P. infestans, respectively (Fig. 2).

In collaboration with the Department of Se -condary Metabolism seeds and seedlingsfrom transgenic oilseed rape overexpressingsinapine esterase under control of a seed-specific promoter were profiled by UPLC-ESI-QTOF-MS. Beside efficient suppressionof sinapine accumulation in seeds, dramaticdifferences in primary and secondary meta-bolism were detected. Mapping these chan geson metabolic pathways revealed global ef -fects of sinapine esterase expression onseed but not seedling metabolism.

Plants can systemically acquire resistance(SAR) upon local infection, which is accom-panied by local and systemic accumulationof salicylate and a subset of so-called patho-genesis-related proteins (PR proteins), amongthem PR1. PR protein accumulation is che-mically inducible by spraying plants with sali-cylate or its chemical mimics S-methyl-1,2,3-

GROUP MEMBERS

Vicent Arbona i MengualPostdoctoral Position

Claudia BernsteinPhD Student

Christoph BöttcherPostdoctoral Position

Frank BretschneiderPhD Student

Ulrike GosdzenskiStudent Helper

Tobias HeinzStudent Helper

Katja KaschigTechnician

Michaela MeißnerTechnician

Annette PahlichStudent Helper

Patrice PetersonStudent Helper

Stephan Schmidt Postdoctoral Position

Constanze SchmotzStudent Helper

Nadine StrehmelPostdoctoral Position

Jessica ThomasTechnician

Edda von Roepenack-LahayePostdoctoral Position

Simone Wilke Student Helper

50

Fig. 1: Hydroponic co-cultivation system of Arabidopsis thaliana with Piriformospora indica andPhytophthora infestans, respectively.

benzothiadiazole-7-carbothioate (BTH) or2,6-dichloroisonicotinic acid (DCINA). Bio -logical and chemical activation of SAR isabolished in the npr1 mutant (non-expressorof PR gene 1) of Arabidopsis thaliana. Non-tar-geted metabolite profiling by UPLC-ESI-QTOF-MS was applied to BTH-treated wild type (Col-0) and npr1 plants in a kine-tic analysis. A combination of structure elu-cidation of metabolites with metaboliteprofiling of knock-out mutants of corres-ponding biosynthetic pathway componentsand chemical complementation of mutantsallowed the identification of complexNPR1-dependent metabolic networks.BTH itself was found to be metabolized byhydrolysis followed by hydroxylation andglycosylation. BTH treatment stimulatedthe accumulation of salicylate and deri-vates, as well as camalexin and induced in -dole glucosinolate hydrolysis leading to a di -verse set of indolic compounds.

COLLABORATORS

Stephan ClemensUniversity of Bayreuth, Germany

Ulf-Ingo FlüggeUniversity of Cologne, Germany

Erich GlawischnigTechnical University Munich, Germany

Axel GzikUniversity of Potsdam, Germany

Barbara Ann HalkierUniversity of Copenhagen, Denmark

Karl-Heinz Kogel, Gregor LangenUniversity of Giessen, Germany

Joachim KopkaMax Planck Institute for Molecular Plant

Physiology, Golm, Germany

Thomas LahayeUniversity of Halle, Germany

51Die umfassende Analyse von Metaboliten in biologischen Proben hat sich neben Transcriptomics und Pro -teomics zum wichtigen Bestandteil der globalen Analyse biologischer Systeme entwickelt. Es wurdeeine Plattform entwickelt, die Gaschromatographie- und Flüssigkeitschromatographie-gekoppelte Mas -

sen spektrometrie mit Elektrospray-Ionisation nutzt. Die Plattform erlaubt die robuste, reproduzierbare undsensitive Detektion tausender Massensignale in Pflanzen- und Myzelextrakten sowie in Kulturmedien, die Quan -ti fi zie rung subtiler Konzentrationsveränderungen von Metaboliten und die Gewinnung struktureller Informa tio -nen mittels exakter Massenbestimmung und Fragmentierungscharakteristika.

Fig. 2: Relative changes of primary metabolites (f/c) in roots after co-cultivation of Arabidopsisthaliana with Piriformospora indica or Phytophthora infestans. f/c: fungi (oomycete)/control, blackbar: P. indica, grey bar: P. infestans. Differential metabolites are color-coded, green: P. indica, red: P.infestans, framed box: identical changes with both microorganisms.

PUBLICATIONS 2009Andreou, A.Z., Hornung, E., Kunze, S., Rosahl, S. &Feussner, I. On the substrate binding of linoleate9-LOXs. Lipids 44, 207-215.

Barak, N.N., Neumann, P., Sevvana, M., Schut -kowski, M., Naumann, K., Maleševic, M., Reich -ardt, H., Fischer, G., Stubbs, M.T. & Ferrari, D.M.Crystal structure and functional analysis of theprotein disulfide isomerase-related proteinERp29. J. Mol. Biol. 385, 1630-1642.

Bethke, G., Unthan, T., Uhrig, J. F., Pöschl, Y., Gust,A. A., Scheel, D. & Lee, J. Flg22 regulates the re -lease of an ethylene response factor substratefrom MAP kinase 6 in Arabidopsis thaliana viaethy lene signalling. Proc. Nat. Acad. Sci. USA 106,8067-8072.

Bethke, G., Scheel, D. & Lee, J. Sometimes new re -sults raise new questions: The question marks bet -ween mitogen-activated protein kinase and ethy -lene signaling. Plant Signaling & Behavior 4, 672 –674.

Böttcher, C., Westphal, L., Schmotz, C., Prade, E.,Scheel, D. & Glawischnig, E. Within the indole-3-acetonitrile metabolic network of Arabidopsis tha -liana the multifunctional enzyme CYP71B15(PAD3) converts cysteine-indole-3-acetonitrileto camalexin. Plant Cell 21, 1830-1845.

Eschen-Lippold, L., Draeger, T, Teichert, A., Wess -johann, L., Westermann, B., Rosahl, S., Arnold, N.Antioomycete activity of β-oxocrotonate fattyacids against P. infestans. J. Agric. Food Chem. 57,9607-9612.

Fellenberg, C., Böttcher, C. & Vogt, T. Phe nyl pro -panoid polyamine conjugate biosynthesis in Ara -bidopsis thaliana flower buds. Phytochemistry 70,1392-1400.

Halim, V.A., Altmann, S., Ellinger, D., Eschen-Lip -pold, L., Miersch, O., Scheel, D., & Rosahl, S.PAMP-induced defense responses in potato re -quire both salicylic acid and jasmonic acid. Plant J.57, 230-242.

Vadassery, J., Ranf, S., Drzewiecki, C., Mithöfer, A.,Mazars, C., Scheel, D., Lee, J. & Oelmüller, R. Acell wall extract from the endophytic fungus Piri -formospora indica promotes growth of Ara bi dop -sis seedlings and induces intracellular calciumelevation in roots. Plant J. 59, 193-206.

Widjaja, I., Naumann, K., Roth, U., Wolf, N., Mac -key, D., Dangl, J.L., Scheel, D. & Lee, J. Combiningsub-proteome enrichment and Rubisco deple-tion enables identification of low abundance pro-teins differentially regulated during plant defense.Proteomics 9, 138-147.

Widjaja, I., Lassowskat, I., Bethke, G., Eschen-Lip -pold, L., Long, H.-H., Naumann, K., Dangl, J.L.,

Scheel, D. & Lee, J. A Protein phosphatase 2C, re -sponsive to the bacterial effector AvrRpm1 butnot to the AvrB effector, regulates defense re -sponses in Arabidopsis. Plant J.DOI 10.1111/j.1365-313X.2009.04047.xErschienen: 61 (2010), 249-258.

BOOK CHAPTERS 2009Knogge, W., Lee, J., Rosahl, S. & Scheel, D. Signalperception and transduction in plants. In: TheMycota 5. Plant relationships. (Deising, H. ed.)Springer-Verlag Berlin Heidelberg, pp. 337-361. ISBN: 978-3-540-87406-5

Weigel, R.R. Salicylic Acid. In: ENCYCLOPEDIA OFLIFE SCIENCES. John Wiley & Sons, Inc. Chi ches -ter. DOI: 10.1002/9780470015902.a0020137

For activities of the Independent Junior Re -search Group Auxin Signaling see page 22.

DIPLOMA THESES 2009Janett Elsaesser: Charakterisierung der Arabi dop -sis thaliana - Mutante “enhanced response to Phy -tophthora 8”. MLU Halle, Fachbereich Biologie,20/4/2009.

Aline Jakobitz: Untersuchung einer Agmatin-Cu - maroyl-CoA-Transferase aus Arabidopsis thaliana,MLU Halle, Fachbereich Biochemie und Biotech -nologie, 2/10/2009.

Joachim Kutzera: Gruppierung von LC/MS Pseu -dospektren aus multiplen Messungen. MLU Halle,Studiengang Bioinformatik, Naturwissenschaft-liche Fakultät III, Agrar- und Ernährungswissen -schaften, Geowissenschaften und Informatik,5/11/2009.

MASTER OF SCIENCE 2009Sven Zukunft: Multiples Alignment von LC-MSDa ten, MLU Halle, Studiengang Bioinformatik,Naturwissenschaftliche Fakultät III, Agrar- undErnährungswissenschaften, Geowissenschaftenund Informatik, 23/2/2009.

DOCTORAL THESES 2009Simone Altmann: Funktionelle Analyse von 13-Lipoxygenase-abgeleiteten Oxylipinen in derPathogenabwehr von Solanum tuberosum L. MLUHalle, Fachbereich Biologie, 18/12/2009.

Gerit Bethke: Funktionelle Charakterisierung desArabidopsis MAP-Kinase-6-Substrates, AtERF104,in Hinblick auf die basale Resistenz. MLU Halle,Fachbereich Biologie, 23/3/2009.

Franziska Handmann: Die Reaktion von Arabi dop -sis thaliana auf ein nekroseinduzierendes Proteinaus Phytophthora sojae. MLU Halle, FachbereichBiochemie und Biotechnologie, 5/11/2009.

Thomas Spielau: Untersuchungen der natürlichenDiversität in der Schwermetall- Aufnahme, -Ver -teilung und -Akkumulation in Arabidopsis thalianaÖkotypen, MLU Halle, Fachbereich Biochemieund Biotechnologie, 25/5/2009.

Ralf Tautenhahn: Feature-Detektion, Annotationund Alignment von Metabolomik LC/MS Daten.MLU Halle, Naturwissenschaftliche Fakultät III,Agrar- und Ernährungswissenschaften, Geo wis -senschaften und Informatik, 6/4/2009.

Ivy Widjaja: Proteomics-based identification andcharacterization of components in the AvrRpm1-RPM1 “gene-for-gene” defense response. MLUHalle, Fachbereich Biologie, 28/5/2009.

PUBLICATIONS 2010Bartsch, M., Bednarek, P., Vivancos, P. D., Schnei -der, B., von Roepenack-Lahaye, E., Foyer, C. H.,Kombrink, E., Scheel, D. & Parker, J. E. Ac cu mu la -tion of isochorismate-derived 2,3-dihydroxyben-zoic 3-O-beta-D-xyloside in arabidopsis resis-tance to pathogens and ageing of leaves. J. Biol.Chem. 285, 25654-25665.

Baum, T., Navarro-Quezada, A., Knogge, W., Douch -kov, D., Schweizer, P. & Seiffert, U. HyphArea –Automated analysis of spatiotemporal fungal pat-terns. J. Plant Physiol.Doi:10.1016/j.jplph.2010.08.004Erschienen : 168 (2011), 72-78.

Brock, A. K., Willmann, R., Kolb, D., Grefen, L., La -junen, H. M., Bethke, G., Lee, J., Nürnberger, T.,Gust, A. A. The Arabidopsis thaliana Mitogen-acti-vated protein kinase (MAPK) phosphatase PP2C5affects seed germination, stomatal aperture andabscisic acid-inducible gene expression. Plant Phy -siol. 153, 1098-1111.

Camehl, I., Sherameti, I., Venus, Y., Bethke, G., Var -ma, A., Lee, J. & Oelmüller, R. Ethylene signallingand ethylene-targeted transcription factors arerequired to balance beneficial and nonbeneficialtraits in the symbiosis between the endophyticfungus Piriformospora indica and Arabidopsis tha lia -na. New Phytol. 185, 1062-1073.

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Eschen-Lippold, L., Altmann, S., Gebhardt, C., Gö -bel, C., Feussner, I. & Rosahl, S. Oxylipins are notrequired for R gene-mediated resistance in pota-to. Europ. J. Plant Pathol. 127, 437-442.

Haapalainen, M., Engelhardt, S., Küfner, I., Li, C.-M.,Nürnberger, T., Lee, J., Romantschuk, M., Taira, S.Functional mapping of harpin HrpZ of Pseu do mo -nas syringae reveals the sites responsible for pro-

52

PUBLICATIONS OF THE DEPARTMENT OF

STRESS AND DEVELOPMENTAL BIOLOGY

tein oligomerization, lipid interactions and plantdefence induction. Mol. Plant Pathol.DOI: 10.1111/J.1364-3703.2010.00655.xErschienen: 12 (2011), 151-166.

Henze, M., Kreye, O., Brauch, S., Nitsche, C., Nau -mann, K., Wessjohann, L. & Westermann, B. Pho -toaffinity-labeled peptoids and depsipeptides bymulticomponent reactions. Synthesis 17, 2997-3003.

Horai, H., Arita, M., Kanaya, S., Nihei, Y., Ikeda, T.,Suwa, K., Ojima, Y., Tanaka, K., Tanaka, S., Aoshima,K., Oda, Y., Kakazu, Y., Kusano, M., Tohege, T., Mat -suda, F., Sawada, Y., Hirai, M.Y., Nakanishi, H., Ikeda,K., Akimoto, N., Maoko, T., Takahashi, H., Takeshi,A., Sakurai, N., Suzuki, H., Shibata, D., Neumann,S., Iida, T., Tanaka, K., Funatsu, K., Matsuura, F., So -ga, T., Taguchi, R., Saito, K. & Nishioka, T. Mass Bank:a public repository for sharing mass spectral datafor life sciences. Journal of Mass Spectrometrie 45,Issue 7, 703-714.

Horbach, R., Navarro-Quesada, A. R., Knogge, W.& Deising, H. B. When and how to kill a plant cell:Infection strategies of plant pathogenic fungi. J.Plant Physiol. Doi:10.1016./j.jplph.2010.06.014Erschienen: 168 (2011), 51-62.

Neumann, S. & Böcker, S. Computational massspectrometry for metabolomics: Identification ofmetabolites and small molecules. Analytical and Bio -analytical Chemistry 398, 2779-2788.

Martens, L., Chambers, M., Sturm, M., Kessner, D.,Levander, F., Shofstahl, J., Tang, W. H., Rompp, A.,Neumann, S., Pizarro, A. D., Montecchi-Palazzi, L.,Tasman, N., Coleman, M., Reisinger, F., Souda, P.,Hermjakob, H., Binz, P.-A. & Deutsch, E. W. mzML -a community standard for mass spectrometry da -ta. Molecular & Cellular ProteomicsDoi: 10.1074/mcp.R110.000133

Rasche, Fl., Svatoš, A., Maddula, R. K., Böttcher, C.,& Böcker, S. Computing fragmentation trees fromtandem mass spectrometry data. Analytical Che -mistry dx.doi.org/10.1021/ac101825kErschienen: 83 (2011), 1243–1251.

Rocca-Serra, P., Brandizi, M., Maguire, E., Sklyar, N.,Taylor, C., Begley, K., Field, D., Harris, S., Hilde, W.,Hofmann, O., Neumann, S., Sterk, P., Tong, W. &Sansone, S.-A. ISA software suite: supporting stan-dards-compliant experimental annotation and en -abling curation at the community level. Bio in for ma -tics 26, Issue18, 2354-2356.

Schmidt, H., Böttcher, C., Trampczynska, A. & Cle -mens, S. Use of recombinantly produced 15N3-la -belled nicotianamine for fast and sensitive stableisotope dilution ultra-performance liquid chroma -tography/electrospray ionization time-of-flightmass spectrometry. Anal. Bioanal. Chem.DOI 10.1007/s00216-010-4436-7Erschienen: 399 (2011), 1355-1361.

Wolf, S., Schmidt, S., Müller-Hannemann, M. & Neu -mann, S. In silico fragmentation for computer as -sisted identification of metabolite mass spectra.BMC Bioinformatics 2010 11:148Doi:10.1186/1471-2105-11-148

BOOK CHAPTER IN PRESS

Böttcher, C., von Roepenack-Lahaye, E. & Scheel,D. Resources for metabolomics. In: Genetics andGenomics of the Brassicaceae (Bancroft, I. &Schmidt, R. eds.) Springer-Verlag, Berlin, Heidel -berg

DIPLOMA THESES 2010Julia Grimmer: Charakterisierung von Calcium-Signaltransduktionsmutanten in Arabidopsis thalia -na. MLU Halle, Fachbereich Biologie, 7/12/2010.

Daniel Penselin: Untersuchungen zur Wirkungs -weise von Virulenzfaktoren des GerstepathogensRhynchosporium secalis. MLU Halle, FachbereichBiologie, 17/3/2010.

Ron Stauder: Charakterisierung einer putativenInositol-Polyphosphat-Phosphatase aus Solanumtuberosum L. MLU Halle, Fachbereich Biologie,17/12/2010.

BACHELOR THESIS 2010Christian Hildebrandt: Intelligente Kandida ten su -che für die Identifikation von Metaboliten. Hoch -schule Anhalt (FH), Fachbereich Informatik, Kö -then, 20/12/2010.

MASTER OF SCIENCE 2010Rico Lucas: Einfluss der posttranskriptionalenUnterdrückung der Expression der Iso choris -matsynthase auf die Photosynthese in Solanumtuberosum L. Universität Leipzig, Fakultät für Bio -wissenschaften, Pharmazie und Psychologie, In sti -tut für Biologie I.

DOCTORAL THESIS 2010Claudia Spielau: Isolierung pathogen-induzierterMAP-Kinase-Signalkomplexe aus Arabidopsis tha -lia na. MLU Halle, Fachbereich Biologie, 1/2/2010.

53

The general aim of research in the Depart -ment of Secondary Metabolism is the elucida-tion of the regulation of plant secondarymetabolism, thus addressing questions onthe molecular evolution of the enzymes in -volved and on the functional role of secon-dary metabolites in development and bioticinteractions of plants.

The work of the research groups includesisolation and characterization of enzymesand regulation of the corresponding genes ofthe phenylpropanoid metabolism in de ve lo -ping seeds of Arabidopsis thaliana and oilseedrape (Brassica napus) as well as the isopre-noid metabolism in trichomes of tomato(Solanum lycopersicum) and in the arbuscu-lar mycorrhizal (AM) roots of barrel medic(Medicago truncatula).

Studies on hydroxycinnamoyl transferasesaddress questions on the molecular mecha-nisms that drive the functional shifts fromhydrolases of primary metabolism to acyl-transferases of secondary metabolism inplant evolution. The work also focuses ongenomic organization of the correspondinggenes to understand their regulation. Si na -poylglucose:malate sinapoyltransferase (SMT)and sinapoylglucose:choline sinapoyltrans-ferase (SCT) in members of the Brassi ca -ceae are presumably derived from serinecarboxypeptidase-like (SCPL) proteins. Achlorogenate-dependent caffeoyltransferase,catalyzing the formation of caffeoylgluca-rate in tomato leaves, indicates a functionalshift from GDSL lipases to a phenylpropa-noid-specific acyltransferase. Another rela-ted lipase has been found to be active as asinapine (sinapoylcholine) esterase in Bras -sicaceae, thus retaining its hydrolytic activi-ty. These findings, development of novel ac -tivities accepting phenylpropanoids to cata-lyze either acyltransfer (neofunctionaliza-tion) or hydrolysis (subfunctionalization), ledto a new concept of diversification of plantsecondary metabolism. Recent work sugge-sted that many members of large enzymefamilies involved in natural product biosyn-thesis show developmental and spatial dis-tribution. By the use of ABPP (affinity-basedprotein profiling), a combination of affinitybased purification and mass spectrometry,it was possible to identify fingerprint pat-

tern of O-Methyltransferases directly fromplant crude protein extracts of Arabidopsisflower buds.

Metabolic diversity of plant natural productbiosynthesis is illustrated by the analysisand biosynthesis of hydroxycinnamoyl sper-midine conjugates in pollen and the tape-tum of Arabidopsis. In purified pollen grainsof Arabidopsis it was possible to identify acomplex pattern of 35 conjugates, whichdiffer in the substitution pattern of the dif-ferent hydroxycinnamic acids. These com-ponents are not on ly present in soluble formon the surface of pollen grains, but in partcould be detected covalently bound to thepollen wall. The di versity of these conju-gates is generated by a pattern of partlytapetum-specific cytochrome P450 hydro-xylases, hydroxycinnamoyl- as well as me -thyltransferases, which are co-expressed inthe tapetum. Although this pathway maycorrelate with plant re production, thefunction of individual components for themale gametophyte is currently unresolved.

Reducing the expression of an isozyme (1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate synthase 2,DXS2) in precursor biosynthesis of plasti-dial isoprenoid metabolism in the methyl-erythritol phosphate (MEP) pathway led toalterations at the metabolic but also at themorphological level in glandular trichomesof leaves. The ratio of mono- to sesquiter-penes in the glandular head cells was alte-red and the density of hairs was elevated.These results are in agreement with earlierconclusions that DXS2 has a non-redun-dant function in cell-specific supply of iso-prenoid precursors.

In a transgenic approach to analyze the roleof secondary products in plant develop-ment, a sinapine esterase has been seed-specifically expressed in oilseed rape sho-wing a reduction of up to 99% of the seedsinapine content. This resulted in a marked-ly modified seed coat structure. To get in -sight into the metabolic changes caused bythe genetic approaches, these studies areextended by comprehensive metabolomicanalyses (primary and secondary metaboli-tes). The results show global changes in theseed metabolism and demonstrate that the

sinapine metabolism is intimately integratedin the seed’s general metabolism.

Special emphasis is also placed on topics fo -cusing on mutualistic metabolic interactionsof plant roots with soil-borne AM fungi. Thephenomenon of a massive accumulation ofC13 and C14 carotenoid cleavage products(apocarotenoids) in many plant families isstill central to this work. Af ter demonstra-ting a key role of DXS2 also in this pathwaythe focus has now shifted to carotenoidcleavage reactions. It could be shown thatthe first of a two-step, differentially compart-mentalized carotenoid cleavage is catalyzedby the plastidial carotenoid cleavage dioxy-genase 7 (CCD7). Since CCD7 also cata-lyzes a decisive step in the biosynthesis ofstrigolactones, a newly discovered class ofphytohormones, this unexpected interplayof carotenoid pathways in roots will be anattractive area to study in the future. A newmodel of C13/C14 apocarotenoid action inmycorrhizal roots proposes a role in plantcontrol on the arbuscular life cycle.

Establishment and development of an AM isregulated by plant hormones, one of whichrepresented by jasmonates. Moreover, jas-monates play an important role in regula-tion of development and stress response ofplants. On the one hand, we focus on the de -velopment of methods to visualize jasmo-nates on cell- and tissue specific level in plantdevelopment and interactions with mutuali-stic symbionts, on the other hand we ana-lyze the function of this phytohormone classin such processes. The work concerning AMis completed by investigations about the au -toregulation of mycorrhiza (AOM). AOM re -presents a regulatory mechanism existing inplants to prevent ex cessive colonization bythe obligate biotrophic fungus and to main-tain the mutual ba lance between interactionpartners. The da ta obtained may eventuallyhelp to use the positive features of an AMsymbiosis in agriculture.

Since October 2010, the Department is re -named in Department of Cell- and MetabolicBiology and managed by Professor AlainTissier (see page 56 and 57).

DEPARTMENT OF SECONDARY METABOLISM (UNTIL OCTOBER 2010)Head: Professor Dieter StrackSecretary: Ildikó Birkás

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Der Schwerpunkt der Forschungsarbeiten inder Abteilung Sekundärstoffwechsel liegt in derAufklärung der Regulation des pflanzlichenSekundärstoffwechsels. Hierbei sollen zumeinen Fragen zur molekularen Evolu tionder Enzyme dieses Stoffwechsel berei chesund zum anderen zur funktionellen Rolleder Sekundärmetabolite in der Ent wicklungund den biotischen Interaktionen derPflanzen beantwortet werden.

Die Forschergruppen beschäftigen sich mitder Isolierung und Charakterisierung vonSekundärstoffwechsel-Enzymen und derkorrespondierenden Gene des Phenylpro -panstoffwechsels in Arabidopsis thaliana undBrassica napus sowie des Isoprenoid stoff -wechsels in der Tomate und in arbuskulärenWurzeln von Medicago truncatula.

Die Arbeiten an Hydroxycinnamoyl trans fe -rasen haben zum Ziel, die molekularen Me -chanismen des Funktionswechsels von En -zymen des Primärstoffwechsels zu Acyl -transferasen des Sekundärstoffwechselsund die Regulation der kodierenden Geneaufzuklären. Die Malat- und Cholin-Sina po -yltransferasen (SMT, SCT) in Brassicaceenleiten sich von Serin-Carboxypeptidase-ähnlichen Enzymen (SCPL) ab. Eine Chlo ro -genat-ab hängige Caffeoyltransferase (CGT)katalysiert die Bildung von Caffeoylglucaratin To matenblättern. Die CGT gehört zu denLipase-ähnlichen Enzymen und hat sichoffenbar von einer Hydrolase zu einer Acyl -trans ferase entwickelt. ImmunocytologischeAr bei ten zeigten überraschend eine apo -plastische Lokalisation des Enzyms. Ein an -deres Lipase-ähnliches Enzym ist involviertin die Hydrolyse des Samen-spezifischen Si -napins in Brassicaceen. Diese Ergebnissezur Ent wicklung von Peptid- und Lipid-Hy -drolasen zu Enzymen des Phenylpropan -stoff wech sels, entweder zu Acyltrans fe r a -sen oder Phenylpropan-spezifischen Hydro -lasen, führen zu einem neuen Konzept derErfor schung der Diversifizierung und Plasti -zität des pflanzlichen Sekundärstoffwech sels.

Untersuchung zur Komplexität von En zym -familien zeigen, dass einzelne Mitglieder die-ser Familien eine räumlich-zeitliche Ver -teilung aufweisen. Mithilfe des Affinitäts-ba -sierten Protein-Profilings (ABPP) ist es

möglich, ein Muster von O-Methyl trans fe ra -sen aus Protein-Rohextrakten von Arabi -dopsis-Blütenknospen aufzuklären. Derkombinierte Ansatz mit immunocytologi-schen und klassisch-biochemischen Metho -den erleichtert die Identifizierung, die Loka -lisation und funktionelle Charakterisierungvon Multienzym- und Multigen-Familien.

Die Plastizität des pflanzlichen Sekundär -stoffwechsels wird besonders deutlich inder Biosynthese von Hydroxyzimtsäure-Spermidinkonjugaten in Arabidopsis-Pollen,die ein Muster von 35 Amid-Konjugatenaufweisen, die teilweise gebunden an denPollenwänden vorliegen. Das komplexeMuster dieser Konjugate wird durch dasZusammenspiel teils Tapetum-spezifischerCytochrom P450-Enzymen, Hydroxycin na -moyl- und Methyltransferasen generiert.Die Bildung der resultierenden Produktekorreliert mit der Blütenentwicklung undFertilität und scheint eine Bedeutung für dieEntwicklung des männlichen Game to phytenzu haben. So ruft die RNAi-vermittelteSuppression einer Methyltransferase Stö -rungen in der Blütenentwicklung hervor.

Die Unterdrückung eines Isoenzymes der1-Desoxy-D-xylulose-5-phosphat-Synthase(DXS2) im Methylerythritolphosphat (MEP)-Weg hat dramatische Veränderungen so -wohl auf metabolischer als auch auf mor-phologischer Ebene in den Drüsenhaarenvon Tomatenblättern zur Folge. Das Ver hält -nis von Mono- zu Sesquiterpenproduktionin den Drüsenköpfchen ist deutlich verän-dert und die Drüsenhaardichte ist signifi-kant er höht. Diese Ergebnisse sprechen füreine zellspezifische Funktion des DXS2-Iso -en zymes.

In ersten transgenen Ansätzen zur Er mitt -lung der Funktion des Sinapins in Bras si ca -ceen, konnte die Sinapinesterase in sich ent-wickelnden Raps-Samen exprimiert wer-den, was zur Reduktion des Sinapin-Ge -haltes bis zu 99 % führte. Die transgenenSamen weisen eine starke Veränderung derSamenstruktur auf. Umfassende Meta bo lo -mics-Analysen (Pri mär- und Sekundär me ta -bo lite) zeigen globale Veränderungen imStoffwechsel der Sa men. Diese Ergebnissemachen die regulatorische Verknüpfung des

Phenyl pro pan stoffwechsels im Grundstoff -wechselnetz der Samen deutlich.

Besonderes Gewicht wird in der Abteilungauch auf die Aufklärung mutualistischer In -teraktionen von Pflanzenwurzeln mit ar -buskulären Mykorrhizapilzen gelegt. Diemassive Akkumulation von C13- und C14-Carotinoidspaltungsprodukten (Apo caroti -noiden) in mykorrhizierten Wurzeln scheinteine Rolle in einem pflanzengesteuertenLebenszyklus der Arbuskel zu spielen. Deraktuelle Fokus wurde auf Enzyme von Ca -rotinoidspaltungsreaktionen verlagert, un -ter denen der Dioxygenase 7 eine besonde-re Bedeutung zukommt, da sie in der Bil -dung der neu entdeckten Hor mon klasseder Strigolactone involviert ist.

Zu den für Mykorrhizen bedeutenden Phy -tohormonen gehören auch die Jasmonate,die außerdem eine wichtige Rolle in derEntwicklung und Stressabwehr von Pflanzenspielen. Neben der Entwicklung von Me tho -den, die eine zell- und gewebespezifischeDetektion von Jasmonaten ermöglichensollen, liegt ein Schwerpunkt der Arbeitenauf der Analyse der Funktion dieser Hor -mon klasse in solchen Prozessen. Die Ar bei -ten an Arbuskulären Mykorrhizen werdendurch Untersuchungen zur Autoregulationder Mykorrhiza ergänzt, die einen Me cha -nismus beschreibt, der eine übermäßigeKolonisierung durch den Pilz verhindertund das mutualistische Gleichgewicht zwi-schen Pflanze und Pilz aufrecht erhält.

Seit Oktober 2010 wird die Abteilung alsAbteilung Stoffwechsel- und Zellbiologie vonProfessor Alain Tissier geleitet.

ABTEILUNG SEKUNDÄRSTOFFWECHSEL (BIS OKTOBER 2010)Leiter: Professor Dieter StrackSekretärin: Ildikó Birkás

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Higher plants are well known for the vastdiversity of metabolites they produce. Thisdiversity can be considered from two dif-ferent angles. The first considers the diver-sity of metabolites between species, orgroups of species. From this taxonomic pointof view, metabolites can be classified as ubi -quitous, i.e. present in all plant species, orrestricted to certain species, genera, fami-lies, or larger taxonomic groups. Com -pounds, which are present in all speciessuch as primary metabolites and hormonesplay fundamental roles in plant growth andreproduction. Compounds with a more re -stricted distribution constitute the group ofwhat is generally considered secondarymetabolites, which are largely responsiblefor the metabolic diversity of plants. Theirfunction is often more difficult to evaluatebecause they are likely to play specializedroles in the complex interaction of the spe -cies with its specific habitat and in the re -sponse to biotic or abiotic environmentalchallenges. The diversity of these metabo-lites has, however, raised considerable in te -rest because of their potential use in vari-ous industrial areas, such as fragrance, fla-vor, pharmaceuticals, fine chemicals, andpesticides among others.

A second way of looking at metabolites andmetabolic pathways is by considering theirprecise localization in the plant, whether atthe organ, tissue, cellular or subcellular le -vel. The information on the site of produc-tion, metabolic fluxes and the storage of thecompounds is crucial to gain insight intothe specific in vivo function and biological

role of the metabolites, be they trace com-ponents, like hormones or highly abundant,like some secondary metabolites. It is withthese two visions in mind that the Depart -ment of Cell and Metabolic Biology (CMB)aims at understanding the biosynthesis andfunction of plant metabolites, in particularhormones and secondary compounds,using several plant species, including modelspecies like Arabidopsis thaliana, Medicagotruncatula, but also tomato, tobacco andrice.

The Depart ment of Cell and Metabolic Biologyis currently composed of four researchgroups, three of them (the research groupsof Carotenoid Me tabolism & Mycorrhiza, ofJasmonate Func tion & Mycorrhiza and of Pro -tein Biochemistry & Metabolite Profiling) areas the established /old ones described onpage 54. The fourth is the newly foundedresearch group of Glandular Trichomes & Iso -prenoid Bio syn thesis, managed by AlainTissier.

DEPARTMENT OF CELL AND METABOLIC BIOLOGY

Head: Professor Alain TissierSecretary: Ildikó Birkás

CV ALAIN TISSIER

Alain Tissier was born in France in1964 and graduated in 1987 from theEcole Normale Supéri eure (Paris)and the University of Orsay in PlantBiochemistry and Molecular Biology.After a sabbatical year studying mu -sic, he resu med his scientific curricu-lum by starting a doctorate in the la-boratory of Prof. E. Signer at M.I.T.,USA, working on homologous re com -bination enzymes from plants. Af terhis PhD thesis, which he defended in1993, he was awarded an EMBO post-doctoral fellowship to establish a trans -poson tagging system in Ara bi dop sisunder the supervision of Prof. J. Jonesat the Sainsbury Laboratory in Nor -wich, UK. In 1996, he moved to theCEA in Cadarache, France, as a per-manent scientist in the Depart ment ofPlant and Microbial Ecophy siology, wherehe studied the res pon ses of plants toionizing radiation. In 2003, on leavefrom the CEA, he founded Lib ro phyt, aplant biotechnology company focusedon metabolic engineering of isopre n -oids for pharmaceutical and fragranceapplications. In 2009, he re turned toacademia, by taking a professorshipposition in plant biochemistry at theUni versity of Montpellier. Alain Tissieris married and the father of three chil-dren.

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RESEARCH GROUP GLANDULAR TRICHOMES & ISOPRENOID BIOSYNTHESIS

The research group aims at understanding the genetic and molecular basis of trichome development and meta-bolism using tomato as a model system. Glandular trichomes are highly specialized organs dedicated to the pro-duction of a limited set of metabolites including isoprenoids. The importance of these structures and their secre-tions in re sistance to insect, microbial pathogens and abiotic stresses is increasingly becoming ap parent, thus po -tentially providing, among other applications, alternative ways to re duce pesticide usage. Other areas of interestinclude isoprenoid biosynthesis and its compartmentation, structure-function stu dies of a recently discoveredclass of terpene synthases and the development of molecular tools for metabolic engineering of glandular tri-chomes.

Höhere Pflanzen sind für die Vielfalt ihrerStoffwechselprodukte bekannt. Diese Di -versität an Metaboliten kann von verschie -denen Standpunkten aus betrachtet wer-den. Sie bezieht sich auf Vor kom men, Ver -bre itung und Vielfalt von Stoff wech sel pro -duk ten innerhalb einzelner Arten oder Ar -ten gruppen. Im Rahmen dieser taxonomi-schen Betrachtungsweise werden pflanz li-che Inhaltsstoffe entweder als ubiquitär –also in allen Pflanzenarten vorkommend –klassifiziert oder aber sie gelten als nur inbestimmten Arten, Gattungen, Fa mi lienoder größeren taxonomischen Ein hei tenverbreitet. Ubiquitäre Stoffe, wie Pri mär me -ta boliten und Pflanzenhormone spielen einefundamentale Rolle im pflanzlichen Wachs -tum und in der Reproduktion. Auf einzelneArten oder Pflanzenfamilien beschränkteSub stanzen oder Substanzklassen können alsSekundärmetabolite bezeichnet werden.Die historisch bedingte Einteilung in Pri -mär- und Sekundärmetabolite stößt aberheute oft an Grenzen, da manche Ver bin -dungen beiden biologischen Funk tions klas -sen zugeordnet werden können. Da rü berhinaus existieren enge Wech sel be zie hungenin den Biosynthesewegen beider Funk tions -klassen, sodass ihre scharfe Tren nung im -mer mehr verschwindet.

Die biologischen Funktionen der meistenals sekundär klassifizierten Metabolitensind oftmals schwer zu beurteilen, da dieseStoffe in der Regel in komplexen Inter ak tio -nen involviert sind, die Pflanzen standortab-

hängig und in Reaktion auf biotische undabiotische Herausforderungen eingehen.Die große Gruppe unterschiedlichster se -kundärer Substanzen ist es, auf der letzt-endlich die chemische und strukturelle Viel -falt der pflanzlichen Inhaltsstoffe beruht.Für den Menschen sind diese Sekun där me -taboliten von großem Interesse, da sie oderentsprechende Grundstrukturen vielfältignutzbar sind, so zum Beispiel als Duft- oderGeschmacksstoffe, als pharmazeutischeWirkstoffe, oder als Fungi- bzw. Pestizide.

Neben der taxonomischen Verbreitungpflanzlicher Inhaltsstoffe über die Organis -mengrenzen hinweg, ist auch die Verteilungder Stoffe innerhalb der Pflanze von gro -ßem Interesse. So finden einzelne Schritteder Biosynthese, aber auch die Speicherungvon Zwischen- oder Endprodukten, oft anunterschiedlichen Orten, z.B. in unter-schiedlichen Organen, Geweben, Zellartenoder Zellkompartimenten statt. Informa tio -nen über den Syntheseort, den Transportund letztlich die Speicherung der produ -zierten Stoffe geben Auskunft über ihrespezifische biologische Funktion für diePflanze. Dies gilt sowohl für pflanzlicheHormone, die nur in Spuren in der Pflanzenachweisbar sind, als auch für Substanzen,die von der Pflanze in großer Menge pro-duziert werden, wie Isoprenoide oder Phe -nylpropanoide.

Mit diesen beiden Betrachtungsweisen -der taxonomischen und der zellbiologi-

schen - wird in der Abteilung Stoffwechsel-und Zellbiologie an einem besseren Ver ständ -nis von Biosynthese und Funktion pflanz-licher Sekundärstoffe und Hormone gear-beitet. Die untersuchten Pflanzen ar ten sinddie Modellpflanzen Arabidopsis thaliana undMedicago truncatula, aber auch Tomate (So -lanum sp.), Tabak (Nicotiana sp.) und Reis(Oryza sativa).

Die Abteilung besteht zurzeit aus vierArbeitsgruppen (AGs), von denen drei (Ca -ro ti noid-Metabolismus & Mykorrhiza, Jasmo -nat funk tion & Mykorrhiza sowie Protein bio -che mie & Metabolite Profiling) als bereitsetab lier te Grup pen auf Seite 55 vorgestelltwurden. Eine vierte AG, die ArbeitsgruppeGlanduläre Trichome & Iso pre noidbiosynthesekommt neu hinzu und wird von Alain Tissiergeleitet. Die Ar beiten der AG Phenylpro pan -stoffwechsel wurden mit dem Ausscheidenvon Prof es sor Dieter Strack eingestellt.

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ARBEITSGRUPPE GLANDULÄRE TRICHOME UND ISOPRENOIDBIOSYNTHESE

Die AG Glanduläre Trichome und Isoprenoidbiosynthese beschäftigt sich mit den genetischen und molekularenGrundlagen von Trichomentwicklung und –metabolismus in Tomaten. Glanduläre Trichome sind hochspezialisier-te Organe, in denen spezielle Metabolitengruppen, wie zum Beispiel Isoprenoide gebildet werden. GlanduläreTrichome und ihre Syntheseprodukte spielen eine große Rolle bei der pflanzlichen Abwehr von Insekten undmikrobiellen Krankheitserregern sowie der abiotischen Stressresistenz. Ein tieferes Verständnis dieser glandulä-ren Strukturen ist demnach von großem Interesse für die Suche nach alternativen Wegen zur Erhöhung derPflanzenresistenz und zur Reduktion von eingesetzten Pestiziden. Weitere Forschungsgebiete der AG umfassendie Isoprenoidbiosynthese und ihre Kompartimentierung, Struktur-Funktions-Analysen einer jüngst entdecktenKlasse von Terpensynthasen sowie die Entwicklung von molekularen Methoden zum metabolic engineering vonglandulären Trichomen.

ABTEILUNG STOFFWECHSEL- UND ZELLBIOLOGIE

Leiter: Professor Alain TissierSekretärin: Ildikó Birkás

Phenylpropanoid metabolism in seeds ofBrassicaceae leads to the formation ofcomplex patterns of sinapate esters, inclu-ding the major component sinapine (sina-poylcholine). One main topic of research inthis group is elucidation of the genetic re -gulation of the phenylpropanoid metabo-lism in oilseed rape (Brassica napus). Anothermajor objective within this research is themanipulation of the sinapate ester metabo-lism to prevent accumulation of sinapine andrelated esters. These compounds are antinu-tritive constituents that affect the high quali-ty of protein in the seed meal of the B. na -pus. In frame of the German/Canadian co o -peration project YelLowSin, the group analy-zes genes and enzymes of the biosyntheticpathway of sinapate esters to be able to en -gineer low sinapate ester lines. Previous stu-dies showed the significance of UGT84A9(UDP-glucose:sinapate glucosyltransferase)in the formation of sinapoylglucose that feedsinto the synthesis of numerous sinapate es -ters. In a metabolite profiling project, seedsof B. napus dsRNAi lines, suppressing ex -pression of UGT84A9 or si multaneously theSCT (sinapoylglucose:choline sinapoyltrans-ferase), encoding the sinapine-forming en-zyme, were compared with their respectivewild type plants. Analyses of metabolites re -vealed a marked reduction of sinapate es -ters and various alterations in profiles ofprimary and secondary metabolites in theseeds in both lines.

In a complementing comprehensive ap p -roach, one of the lipase-like sinapine estera-

GROUP MEMBERS

Kathleen ClaußPhD Student

Franziska GötschDiploma Student

Juliane MittaschPostdoctoral Position

Ingrid OtschikTechnician

Felix-Oliver StehlePhD Student, Postdoctoral Position

Jenny TeutschbeinPhD Student

Sylvia VetterTechnician

Jessica VollrathPhD Student

Karina WolframPhD Student

PHENYLPROPANOID

METABOLISM

Head: Dieter Strack

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Fig. 1: Changes in the metabolic network (primary and secondary metabolites) of transgenicBnSCE3 seeds. Sinapate leading to sinapine and sinapate derived from BnSCE3 activity in the transgenic seedsmight be present in the same metabolite pool. Red compound names indicate significantly increased amounts,blue names reduced amounts, black names unchanged amounts, and grey names amounts not determined. Boxednames point to compounds with largest quantitative changes in two transgenic lines, compared with the wildtype plants. Arrows indicate both one-step and multi-step reactions, based on conceivable and well-known bio-chemical reactions.

ses (BnSCE3), which catalyzes sinapine de -gradation in young seedlings, was identifiedand the corresponding cDNA seed-specifi-cally expressed in B. napus. Sinapine levels oftransgenic seeds were less than 5% of wildtype levels, whereas choline levels wereadequately increased. Furthermore, besidessome morphological changes of the trans-genic seeds, i.e., increased weight and sizeas well as cavities appearing near the em -bryonic tissue, metabolic profiles of trans-genic seeds indicated that besides suppres-sion of sinapine accumulation, there werevarious other dramatic changes in primaryand secondary metabolism. However, therewere no significant alterations of the agro-nomically important traits, such as oil andprotein content. Mapping of the metabolicchanges of the transgenic seeds onto bio-chemical pathways revealed global effects ofthe transgenic BnSCE3 expression on seedmetabolism (Fig. 1). Fifty percent of thedetectable signals in the metabolomics ana-lyses (HPLC, LC-MS, GC-MS) of the trans-genic seeds were changed, including signalsderivatives of hydroxybenzoates, hydroxy-cinnamates, monolignols and flavonoids aswell as organic acids, polyols, amino acidsand non-polar and polar lipid species. Des -pite these metabolic changes, seedling vigorwas obviously not affected. The characteris-tic wild type metabolite profile was reco-vered within 16 days of seedling develop-ment. The results of this study demons-

trate the close regulatory connection bet-ween plant’s primary and secondary meta-bolism.

A second main research topic of the groupis the molecular evolution of acyltransfera-ses in plant phenylpropanoid metabolism.Sinapoylglucose:malate sinapoyltransferase(SMT) and SCT from Arabidopsis and B. na -pus or chlorogenate:glucarate caffeoyltrans-ferase from tomato (SlCGT), are presuma-bly derived from hydrolytically active en-zymes of primary metabolism, serine carb-oxypeptidases-like (SCPL) proteins andGDSL lipases, respectively. This assumptionraises questions on the molecular mecha-nisms that drive the functional shift from ahydrolase to an acyltransferase.

Kinetic studies with wild type and transgenicSMT and SCT confirm the main functionalelements conserved within the SCPL pro-tein family, i.e. hydrolase fold, catalytic triad,oxyanion hole and substrate recognitionsite, keeping hydrolytic activities. However,site-directed mutageneses of the SlCGT in -dicated that the catalytic triad of the puta-tive GDSL lipase precursor is not essentialfor enzymatic activity. SlCGT is thereforethe first example of a hydrolase that lost hy -drolytic activity and has acquired a comple-tely new function in plant metabolism. Theenzyme functions in secondary metabolismas acyltransferase in synthesis of hydrocycin-

namate esters, here caffeoylglucarate and -ga -lactarate, by employing amino acid residuesdifferent from the hy drolase catalytic triad.

The SlCGT cDNA encodes a protein of 380amino acids with a putative targeting signalof 24 amino acids indicating an entry of theSlCGT protein into the secretory pathway.Immunogold electron microscopy revealedthe localization of the enzyme in the apopla-stic space of tomato leaves (Fig. 2). This re -sult shed new light on the regulation andfunction of enzymes in secondary metabo-lism of plants.

COLLABORATORS

Frank BreuerKWS Saat AG , Einbeck, Germany

Felix Dreyer, Martin FrauenNorddeutsche Pflanzenzucht, Hans Georg Lembke

KG, Hohenlieth, Germany

Alexander Erban, Joachim KopkaMax-Planck-Institute of Molecular Plant Physiology,

Golm, Germany

Wolfgang Friedt, Rod SnowdonUniversitiy of Gießen, Germany

Abdelali Hannoufa, Gerhard RakowAgriculture and AgriFood Canada, Saskatoon, Canada

Christian JungUniversity of Kiel, Germany

Carsten MilkowskiInterdisziplinäres Zentrum für Nutzpflanzen for -

schung, University of Halle, Germany

Christian MöllersUniversity of Göttingen, Germany

Mary R. Roth, Ruth WeltiKansas State University, Manhattan, USA

José Orsini, Jörg SchondelmaierSaaten Union Resistenzlabor GmbH, Leopoldshöhe,

Germany

Gopalan SelvarajPlant Biotechnology Institute, Saskatoon, Canada

Dieter StellingDeutsche Saatveredelung AG, Lippstadt, Germany

Milton T. StubbsUniversity of Halle, Germany

Manfred Nimtz, Victor WrayHelmholtz Institute for Infection Research,

Braunschweig, Germany

59Ein Schwerpunkt unserer Arbeiten liegt auf dem Phenylpropanstoffwechsel der Brassicaceen, insbesonderedem Stoffwechsel der Sinapinsäureester in der Modellpflanze Arabidopsis und der Nutzpflanze Raps. Durchgentechnische Ansätze zur Reduktion des Gehalts an antinutritivem Sinapin (Sinapoylcholin) in Rapssamen

werden Zielgene für die Pflanzenzüchtung identifiziert. Der Sinapingehalt konnte mittels einer in Rapssamen trans-ferierten Sinapinesterase (BnSCE3) bis auf 5% im Vergleich zum Wildtyp-Samen gesenkt werden. Metabolomics-Analysen der transgenen Rapslinien zeigten dramatische globale Stoffwechselveränderungen, die auf direkte regu-latorisch verkettete Verbindungen zwischen pflanzlichem Primär- und Sekundärstoffwechsel hinweisen. Darüber hi -naus werden in der AG am Beispiel verschiedener Acyltransferasen die molekularen Mechanismen der funktionel-len Adaption von Enzymen des Primärstoffwechsels (Peptidasen, Lipasen) für Funktionen im Sekundärstoffwechseluntersucht.

Fig. 2: SlSGT is located in the apoplastic space of cotyledons of seven-day-old seedlings. SlCGT isimmunostained and visualized by colloidal gold (arrows) in ultrathin sections of cotyledons. The thickened andelaborated inner wall of guard cell pair (A) and cell walls between the leaf mesophyll cells (B) are labelled. CW,cell wall; Cy, cytoplasm; ER, endoplasmic reticulum; M, mitochondrion; MB, microbody; sCW, secondary cell walldepositions; V, vacuole. Bars represent 0.5 µm.

Arbuscular mycorrhizal (AM) fungi from thephylum Glomeromycota maintain an exclu-sively symbiotic lifestyle. They colonize plantroots, where they receive carbohydrates asenergy source. In return, they deliver mi-neral nutrients from the soil to roots throughtheir hyphae. The major structures of nut-rient exchange are the arbuscules – highlybranched fungal organs developing from hy -phae in root cells of the inner cortex butenclosed by the periarbuscular membraneformed by the plant. The ephemeral natureof these organs is known since decades, butthe molecular basis and the physiologicalrole of a rapid arbuscule turnover withinfew days is still elusive. The continuous de -gradation and re-emergence of arbusculesis correlated with the accumulation of cer-tain plant secondary products, specificallytwo types of carotenoid cleavage products(apocarotenoids) known as C13 cyclohe xe -none and C14 mycorradicin derivatives. Co -localization of C13/ C14 apocarotenoid bio -synthetic enzymes with degrading arbus-cules together with the results from knock-down experiments of pathway genes hasled us to propose a role of these apoca ro -tenoids in an arbuscule turnover processcontrolled by the plant. This model of apo-carotenoid action in mycorrhizal rootsneeds to be validated with additional targetgenes and new approaches. In addition, or -ganization, expression patterns and evo-lution of some genes, previously investiga-ted in mycorrhizal carotenoid metabolism,are investigated also in non-mycorrhizalcontexts.

One gene selected for such new contexts is1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate synthase 2(DXS2), involved in isoprenoid precursorbiosynthesis in the methylerythritol phos-phate (MEP) pathway. Use of peptide anti-bodies specific for the DXS2 isoenzyme hasdemonstrated accumulation of DXS2 pro-tein in the head cells of glandular trichomesof tomato leaves. This result supports ear-lier conclusions drawn from DXS2 promo-ter activity studies in arbusculated cells thatDXS2 appears to be an isoenzyme requiredfor meeting high cell-specific demand forisoprenoid precursors. Transgenic tomatolines knocked-down for SlDXS2 expressionexhibited a shift to lower mono- to ses qui -terpene ratios in trichomes indicative of a

compromised MEP pathway. Another indi-cation of MEP pathway inhibition was theelevated relative incorporation of mevalo-nate-based precursors into both mono-and sesquiterpenes. Transgenic lines alsoexhibited increased trichome density possi-bly related to reduced isoprenoid produc-tion capability in individual trichomes. Thefinding that upregulation of the SlDXS1housekeeping isogene does not seem to con-stitute an alternative strategy for compen-sation underscores the important, non-re -dundant role of DXS2 in plant isoprenoidmetabolism.

For the mycorrhizal projects, the focus hasshifted to the carotenoid cleavage steps.

GROUP MEMBERS

Daniela S. FloßPhD Student

Claudia HornTechnician

Kathrin KowarschikPhD Student

Benjamin LeyhPhD Student

Heike PaetzoldPhD Student

Sascha PatzDiploma Student

CAROTENOID METABOLISM & MYCORRHIZA

Heads: Dieter Strack / Alain Tissier & Michael H. Walter

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Fig. 1: Interplay of apocarotenoid pathways through common biosynthetic steps. Carotenoid cleavage dioxygenase 7 (CCD7) is involved in both strigolactone biosynthesis coac-ting with CCD8, and in formation of AM-induced C13 cyclohexenone and C14 mycorradicin deri -vatives, which requires CCD1 as a second cleavage enzyme.Whether structurally similar C13 fla-vor and aroma volatiles (β-ionones) are generated in vivo also via a two-step cleavage process,is still unknown.

Carotenoid cleavage products have re -ceived increased attention, following the re -cent discovery of strigolactone apocaro te -

noids as novel phytohormones, determiningshoot branching phenotypes. Carotenoidcleavage dioxygenase 7 (CCD7), involved instrigolactone formation, turned out to alsocatalyze the first of two sequential clea vagesteps in the biosynthesis of the AM-inducedcyclohexenone and mycorradicin deriva-tives (Fig. 1). This could be shown by ana-lyzing CCD7-antisense lines provided by thelaboratory of Harry Klee (University ofFlorida). When mycorrhized, these linesshowed strong reduction of both apocaro -tenoids in their roots compared to wildtype, while the roots were still colonized.Preliminary results indicate less fully-deve-loped mature arbuscules in mycorrhizalroots of CCD7-antisense lines (Fig. 2 C, D).This result is reminiscent of the data ob -tained from DXS2 downregulation in hai ryroots of Medicago truncatula and suggeststhat this mycorrhizal phenotype is broughtabout by C13 cyclohexenone /C14 mycorra -di cin depletion rather than by strigolactonedeficiency. The concomitant strong reduc-tion in strigolactones in theses lines causesinduced branching of shoots (Fig. 2 A, B) andreduced parasitic weed germination stimu-lant potential in root extracts. We havethus shown that CCD7 is involved in a keystep of apocarotenoid biosynthesis gene-rating C27 intermediates, which are furthercleaved by different secondary cleavage en -zymes towards C13/C14 apocarotenoid(CCD1) or C18-derived strigolactone end-products (CCD8), respectively (Fig. 1).

The mycorrhizal phenotype of CCD7-com-promized plants is currently further investi-gated in strigolactone mutants of pea (rms5,see Fig. 2F for branching phenotype) and

rice (d17). Again, current results indicatesimilarly strong depletion in C13/C14 apo-carotenoid formation as in the tomatoCCD7 antisense lines in both cases. More -over, the pea rms5 mutants exhibit a similarreduction in the relative number of maturefunctional arbuscules as found in the caseof the DXS2 and CCD7 knock-downs in M.truncatula or tomato, respectively (Fig. 2G, H). To further discriminate between theconsequences of strigolactone versus C13/C14 apocarotenoid deficiencies, we have in -cluded in these analyses additional strigo-lactone mutants, defective in the CCD8-catalyzed step (rms1, d10), and also otherpathway mutants, which are predicted to bedefective in strigolactone but not C13/C14

apocarotenoid accumulation (Fig. 1). Rms1and d10 mutants produce C13/ C14 apocaro -tenoid derivatives in variable amounts,sometimes even exceeding those of wildtype plants and form relative ratios of ma -ture arbuscules equal or exceeding thoseof wild type plants. These results support ahypothetical concept in which mycorrhizalfunctionality can be improved by suppor-ting the arbuscule turnover processthrough (re)directing carotenoid fluxes to -wards C13/ C14 apocarotenoids.

COLLABORATORS

Salim Al-BabiliUniversity of Freiburg, Germany

Wilhelm BolandMax Planck Institute of Chemical Ecology, Jena,

Germany

Harro BouwmeesterPlant Research International, Wageningen,

The Netherlands

Maria J. HarrisonBoyce Thompson Institute for Plant Research, Ithaca,

New York, USA

Gerd HauseUniversity of Halle, Germany

Harry KleeUniversity of Florida, Gainesville, Florida, USA.

Manuel Rodríguez-ConcepciónCenter for Research on Agricultural Genomics,

Barcelona, Spain

61Arbuskuläre Mykorrhizapilze pflegen eine ausschließlich symbiotisch-mutualistische Lebensweise mitPflan zenwurzeln, wo sie u.a. Kohlenhydrate als Energiequelle erhalten. Im Gegenzug geben sie Mineral -stoffe aus dem Erdreich über kurzlebige intraradikale bäumchenartige Strukturen (Arbuskeln) an die

Pflanze weiter. Bedeutung und Mechanismen des Arbuskel-Turnovers (Abbau und Neubildung) sind noch unbe-kannt. Die AG untersucht die Rolle bestimmter pflanzlicher C13- und C14-Carotinoidspaltungsprodukte (Apoca -rotinoide) in diesem Prozess und hat dazu, basierend auf Ergebnissen von Gensuppressionsexperimenten, einneues Modell vorgeschlagen. Ein weiteres Enzym ihrer Biosynthese, konnte charakterisiert werden. Es handeltsich um das Carotinoidspaltungsenzym CCD7, das auch an der Bildung von Strigolactonen beteiligt ist. Diesekürzlich entdeckten neuen Phytohormone, die die Sprossverzweigung steuern, haben den Carotinoid meta bo lis -mus ins Rampenlicht gerückt und der AG neue Mutanten zugänglich gemacht.

Fig 2: CCD7 function affects both shoot branching and the arbuscular life cycle inmycorrhizal roots. CCD7-knockdown lines of tomato (B) or mutants of pea (rms5, F), exhi-bit in creased shoot branching compared to wild type (A, E) related to strigolactone deficiency.My cor rhizal roots of CCD7-compromised plants (D, H) develop less mature and functionalarbuscules than wild type (C, G). The mycorrhizal root phenotype is not caused by the lack ofstrigolactones but rather by the strong reduction in C13 cylohexenone apocarotenoid derivati-ves (see Fig. 1). Tomato plants (A, B) have been stripped from leaves for better recognition ofshoot architecture. Ar bus cu les have been visualized by ink staining (C, D) or acid fuchsin stai-ning (G, H) of roots.

Jasmonates (JAs) play an important role inplant development and responses to bioticor abiotic stresses, but also in interactionswith microsymbionts. The functional analy-sis of JA is the main focus of our researchand is performed by biochemical, reversegenetic, and cell biological approaches.

An essential step in JA biosynthesis is cata -lyzed by the allene oxide cyclase (AOC). InArabidopsis thaliana, AOC is encoded by fourgenes with a partial overlap in expression indistinct organs. Such a redundancy suggeststhat AOCs might be regulated at the pro-tein level, e.g. by heteromer formation lea-ding to an activity control. Protein interac-tion of the individual AOCs was tested invivo by bimolecular fluorescence comple-

mentation (split-YFP) in transiently trans-formed protoplasts of Arabidopsis andleaves of Nicotiana benthamiana. In all com-binations, interactions with different inten-sities could be observed.

Two projects focus on the role of JA in de -velopmental processes: the formation ofadventitious roots in petunia cuttings, andflower development in tomato. Ornamentalplants, such as Petunia hybrida, are oftenproduced vegetatively via cuttings excisedfrom stock plants. In the cuttings a woundresponse is detectable by transiently in -creased JA levels and JA-specific gene ex -pression. To investigate whether JA does playan essential role in the formation of adven-titious roots, transgenic plants exhibiting di -minished JA biosynthesis were generatedby AOC-RNAi expression. Cuttings of thetransgenic plants showed a delay in the for-mation of roots, which might be caused bychanges in the carbohydrate status. Asknown from tomato mutants defective inJA-perception, JA is also important for theproper development of female organs (Fig.1), but its detailed function is unknown. Toelucidate the role of bioactive jasmonatesin developing tomato flowers we use mole -cular, chemical, and histochemical methods

including the detection of JA at the cellularlevel (see below).

Each JA-dependent process is regulated bythe JA level, but so far, there is no approachto record JA at the cellular level. For thatpurpose, we are currently developing me-thods using two different, but complemen-tary approaches: the immunological detec-tion of JA in situ and the creation of a syn-thetic promoter, which is highly JA respon-sive. In the first approach, antibodies couldbe raised which are highly specific for bio -active jasmonates but do not bind to 12-oxo-phytodienoic acid, 12-OH-JA and co -ronatine. The use of these antibodies in im -munohistological approaches combined withnewly established fixation and embeddingmethods allowed detection of JA at cellularlevel. In case of the wounded tomato leaf,equal distribution near the wound site wasfound (Fig. 2). In the second approach,known JA-responsive genes were screenedfor JA responsive cis-elements to create ahighly JA-responsive, synthetic promoter.Selected elements, repeats of them or theirmutated version were fused to reportergenes (GUS, GFP) and tested via transientexpression in Arabidopsis protoplasts andN. benthamiana leaves. The most JA-specific

GROUP MEMBERS

Julian Dindas Undergraduate Student

Susanne FornerPhD Student

Franziska HaufeDiploma Student

Caroline HecklauUndergraduate Student

Adama Hilou G.-Forster-Fellow

Ulrike HuthTechnician

Ramona LandgrafDiploma Student

Sandra LischewskiPhD Student

Amelie MendrinnaBachelor Student

Kati MielkePhD Student

Cornelia MroskPhD Student

Anne MuchowBachelor Student

Markus OttoPhD Student

Sara SchaarschmidtPostdoctoral Position

Jette SchimmelDiploma Student

Christin SperlingDiploma Student

Hagen StellmachTechnician

JASMONATE FUNCTION & MYCORRHIZAHead: Bettina Hause

62

Fig 1: Flower development in tomato. Flower buds, open flowers and mature fruits fromwild type and the JA-insensitive mutant jai1. Note the seedless fruits of jai1.

synthetic promoter will be transformed in -to plants thus allowing a non-invasive visu-alization of JA activity.

To gain deeper insights into the function ofJA in mutualistic plant interactions with ar -buscular mycorrhizal (AM) fungi and nitro-gen-fixing rhizobial bacteria, we are usingthe model legume Medicago truncatula thatcan form symbioses with Sinorhizobium me -liloti and with AM fungi, like Glomus in tra ra di -ces. The capacity of M. truncatula roots tosynthesize JA was changed by Agrobacteriumrhizogenes-mediated transformation withMtAOC1. Neither overexpression nor par-tial suppression of MtAOC1 led to an al te -red nodule phenotype, although JA biosyn-thesis seems to be active in nodules. In con-trast, transgenic roots, exhibiting partialsuppression of MtAOC1, showed a signifi-cant delay in colonization with G. intra radi -ces. In addition, the tripartite interaction ofM. truncatula with G. intraradices and Apha no -my ces euteiches is studied to elucidate, whe -ther JA represents a putative endogenous

signal in mycorrhiza-induced bioprotectionagainst root pathogens.

Wounding of leaves is well-studied and leadsto an endogenous rise of JA and al te redgene expression. However, not much isknown how roots respond to leaf wounding.Wounding of M. truncatula shoots led to en -hanced transcript levels in roots suggesting ashoot-root signaling via JA. Moreover, re pea -ted wounding led to increased mycorrhiza-tion rate and arbuscule formation. In con-trast, interaction with the root pa tho gen A.euteiches was significantly diminished, where-as the nodulation was not affected. These re -sults suggest a systemic effect of shoot-de -rived JAs in the roots, thereby supportingthe role of JA as positive regulator of mycor -rhization.

Another project concentrates on the con-trol of AM by autoregulation in soybean (Gly -cine max). The general autoregulation systemof legumes comprises systemic feedback in -hibition initiated by common early signals of

mycorrhization and nodulation suppressingsubsequent infections with both mi cro sym -bionts. The key signal mediator is the Cla va -ta1-like receptor kinase GmNARK acting inthe shoot – revealing the existence of a long-distance signaling pathway. To identifyGmNARK-regulated genes in volved in au to -regulation of mycorrhization, Affymetrix andqPCR gene expression ana lyses were per-formed with wild type soybean and two narkmutants inoculated with G. intraradices. Split-root plants enabled us to distinguish bet weeninfected and un-in fected, autoregulated rootparts at one plant. Analyzing various tissues,we identified and confirmed nine genes tobe differentially re gulated in wild type andnark mutants. One of them, coding for a pu -tative transcription factor (TF), was found tobe regulated by GmNARK in an AM-de pen -dent manner. Functional gene ana lysis wasdone using RNAi and root transformationconfirming a role of the putative TF in thedevelopment of AM.

COLLABORATORS

Udo Conrad, Winfriede WeschkeInstitute of Plant Genetics and Crop Plant

Research, Gatersleben, Germany

Ivo FeussnerUniversity of Göttingen, Germany

Uwe Drüge, Philipp FrankenInstitute of Vegetable and Ornamental Crops,

Großbeeren/Erfurt, Germany

Peter GresshoffCentre for Integrative Legume Research, University

of Queensland, Australia

Gerd HauseUniversity of Halle-Wittenberg, Germany

Katharina PawlowskiUniversity of Stockholm, Sweden

Natalia RequenaUniversity of Karlsruhe, Germany

63Pflanzliche Hormone spielen eine wichtige Rolle in der Entwicklung und Stressabwehr von Pflanzen, aberauch bei der Etablierung und Entwicklung von symbiotisch-mutualistischen Interaktionen wie der arbus-kulären Mykorrhiza. Der Schwerpunkt unserer Arbeiten liegt auf Untersuchungen zu den Jasmonaten, de -

ren Rolle mittels zytologischer und molekularer Methoden bei verschiedenen Prozessen analysiert wird. Hierzuzählen die Interaktionen einer Schneckenklee-Art (Medicago truncatula) mit bodenbürtigen Mikroorganismen,die systemische Antwort auf Verwundung, die Adventivwurzelbildung bei Petunie (Petunia hybrida) und dieEntwicklung der Blüten der Tomate (Solanum lycopersicon). Im besonderen Fokus stehen dabei die Entwicklungund Anwendung von Methoden, die eine zell- und gewebespezifische Detektion von Jasmonaten ermöglichen sol-len. Weitere Arbeitsgebiete umfassen die Regulation der Aktivität eines JA-Biosyntheseenzyms, sowie die Me -chanismen der Autoregulation der Mykorrhizierung in Sojabohne (Glycine max).

Fig. 2: Immunological detection of jasmonic acid in tomato leaves after wounding.Leaves of tomato wild type (A) or of the mutant acx1, which is JA deficient (B), were woun-ded, fixed and processed for immunolabeling using a JA-specific antibody. The green fluores-cence visualizes the occurrence of JA and is visible in all epidermal and mesophyll cells of thewild type leaf, but is absent from the mutant leaf. Bar represents 50 µm for both micrographs.

Based on functional characterization of atapetum-specific caffeoyl coenzyme A me -thyltransferase (CCoAOMT)-like protein,AtTSM1, from young flower buds of Ara bi -dopsis thaliana, a detailed investigation ofthe phenylpropanoid pathway in the tape-tum tissue was initiated. The analysis ofknockout mutants and phenolic profilingdata resulted in the identification of a se-cond methyltransferase (CCoAOMT1) anda spermidine hydroxycinnamoyltransferase(SHT), identified as a member of the BAHD-like acyltransferase family, which are re -quired for the accumulation of hydroxycin-namoyl spermidine conjugates in the deve-loping flower buds. Knockouts of SHT com-pletely lack tris-substituted spermidinederivatives, whereas SHT/SDT (SDT en -codes a second BAHD-like hydroxyl-cinna -moyltransferase) double knockouts resul-ted in an additional reduction of bis-substi-tuted conjugates to less than one percentof the content in wild type plants. Sup ple -mented by two cytochrome P450 depen-dent hy droxylases, CYP98A8 and CYP98A9,this set of enzymes essentially determinesthe metabolic diversity of Arabidopsispollen grains and constitutes the core acti-vities for the biosynthesis of pollen spermi-dine conjugates.

Based on a UHPLC, coupled on-line to a QTRAP LC-MS/MS profiling, 38 different so-luble mono-, bis-, and tris-substituted sper-midine conjugates could be identified onthe surface of purified pollen grains. Cur -rently, the biological role of this plethora ofcompounds remains to be solved. A slightly

higher set of distorted pollen grains inknockouts as compared to wild type plantssuggests a role of these conjugates for plantfecundity. Interestingly, in wild type pollen,but not in SHT knockout lines, a set of bis-substituted conjugates was also detected,covalently linked to the pollen wall.

GROUP MEMBERS

Fernando da Silva, CotinguibaDAAD-Fellow

Christin Fellenberg PhD Student

Andrej FrolovScientist

Vinzenz HandrickDiploma Student

Franziska HandmannScientist

Anja HenningTechnician

Kerstin MankeTechnician

Danilo ThiemigDiploma Student

Lisette Wirsing PhD Student

Christopher WilsBachelor Student

METABOLITE PROFILING & PROTEIN BIOCHEMISTRY

Heads: Thomas Vogt & Andrej Frolov

64

Fig.1a: ABPP and CCMS© enriched protein extracts of Arabidopsis OMTs from flowers. 1D-gels were subsequently silver stained. Lysate, ~1 µg crude protein preparations for compari-son; C, negative controls; CC, positive assays. 1a: COMT1 (1), CCoAOMT1 (2), and AtTSM1 (3),encoded by the genes At5g54160, At4g34050, and At1g67990, respectively in flower buds at diffe-rent developmental stages.

Fig.1b: ABPP and CCMS© enriched protein extracts of Arabidopsis OMTs from flow-ers. Comparison of Arabidopsis wild type and homozygous COMT1 and CCoAOMT1 knockout (-KO) mutant lines. In the CCoAOMT1 (-KO) panel signal 1 is missing, whereas in the COMT1 (-KO)panel signal 2 is absent. (Wirsing et al., Anal. Biochem. 408, 220-225).

Whe ther these covalently linked com-pounds contribute to improved pollen wallstability remains to be established. A pro-tective role against biotic and abiotic stres-sors however, is also plausible.

Precise annotation of time and spatial dis-tribution of enzymes involved in plant se-condary metabolism by gel electrophoresis,not only in the case of OMTs, is usually dif-ficult due to their low abundance. There -fore, effective methods to enrich these en -zymes are required to correlate availabletranscript and metabolite data with the ac -tual presence of active enzymes in wildtype and mutant plants or monitor varia-tions of these enzymes under various typesof stress conditions. As part of the Leibniz-PAKT initiative, we explored the use of S-adenosyl-L-homocysteine as a selectivityfunction in affinity-based protein profiling(ABPP) supported by capture compoundmass spectrometry to identify fingerprintpattern of OMTs directly from plant crudeprotein extracts of Arabidopsis flowerbuds. Due to their high affinity to this li-gand, developmental changes of flower-spe-cific pattern of plant natural product OMTswere identified (Fig.1a) and enzyme pat-tern of wild type and CCoAOMT1 as wellas caffeic acid OMT1 (COMT1, in Ara bi dop -sis ter med AtOMT1) knockout lines were in -vestigated at the protein level (Fig. 1b, Wir -sing et al., 2011). By combination with im -munohistological and classical biochemicaltools, identification, localization, and functio -nal cha racterization of unknown membersof other multienzyme families should be fa -cilitated by ABPP. Immu no his to logical dataindicate that three major plant natural pro-

duct OMTs, identified in stamens, are spa-tially and developmentally controlled.Whereas AtTSM1 and CCoAOMT1 can on -ly be located in ta petum of young flowerbuds, AtOMT1 with similar substrate andposition specificities was not. This enzymewas found in adjacent cell layers, the en -dothecium and preferentially in the epider-mal layer (Fig. 2). There fore, AtOMT1 ap -pears not to participate in the formation ofacylated spermidine conjugates consistentalso with the lack of me thylated flavonolderivatives in purified Ara bidopsis pollengrains. These data were supported by theanalysis of the corresponding AtOMT1knockout plants, suggesting that AtOMT1contributes to the formation of flavonol gly-cosides in the epidermal layers of all flower

organs. If individual cell layers or clusters ofcells can be separated by mic ro-dissection,ABPP combined with im mu nohistologicaldata and future developments in MS-imagingwill enable the correlation of metaboliteand enzyme pattern on the cellular level.

COLLABORATORS

Danièle WerkUniversity of Strasbourg, France

Maysa FurlanUniversity of Araraquara, Brasil

65Die metabolische Vielfalt des pflanzlichen Sekundärstoffwechsels zeigt sich bei der Analyse des Pollens vonArabidopsis. Neben Flavonoid-Glycosiden wurden in gereinigtem Arabidopsis Pollen 38 unterschiedlicheHydroxyzimtsäure-Spermidinkonjugate identifiziert. Ein Großteil liegt gelöst im Pollenkit vor, andere

sind kovalent an die Pollenwand gebunden. Die Funktion einzelner Komponenten für die Entwicklung des Pollensist ungeklärt. Die Diversität der Komponenten wird durch ein Zusammenspiel zell-spezifischer Cytochrom P450Hydroxylasen, Hydroxyzimtsäure- und Methyltransferasen generiert. Mit Hilfe des Affinitäts-basierten ProteinProfilings gelang zudem die Identifizierung organ-spezifischer Muster von O-Methyltransferasen aus Protein roh -extrakten. Die gewonnenen Proteindaten können einerseits immunohistochemische Analysen ergänzen undvereinfachen gleichzeitig die Charakterisierung entsprechender Mutanten auf Proteinebene.

Fig. 2: Immunolocalisation of AtOMT1 in Ara bidopsis anthers based on polyclonal an ti bodies conju-gated to Alexafluor 488. Presence of the enzyme in epidermal tissues is illustrated by the green fluorescence.

PUBLICATIONS 2009Brakhage, A., Gierl, A., Hartmann, T., Strack, D.Evolution of metabolic diversity. Phytochemistry70, 1619-1620.

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Zurbriggen, M., Carrillo, N., Tognetti, V., Melzer, M.,Peisker, M., Hause, B. & Hajirezaei, M. R. Chlo ro -plast-generated reactive oxygen species play amajor role in localised cell death during the non-host interaction between tobacco and Xantho -monas campestris pv vesicatoria. Plant J. 60, 962-973.

BOOK CHAPTER 2009Dorka, R., Miersch, O., Hause, B., Weik, P., Was ter -nack, C. Chronobiologische Phänomene undJasmonatgehalt bei Viscum album L. In: Die Mistelin der Tumortherapie 2 (Scheer, R., Bauer, R., Bek -ker, A., Berg, P. A., Fintelmann, V. eds.) KVC-VerlagEssen, pp. 49-56. ISBN 978-3-933351-82

DIPLOMA THESES 2009Susanne Forner: Zellspezifität der lokalen Wund -antwort in Tomate. MLU Halle, Fachbereich Bio -chemie/Biotechnologie, 04/09/2009.

Ramona Landgraf: Untersuchung zum Einfluss vonBlattverwundung auf die Ausprägung bioti scherInteraktionen von Medicago truncatula. MLU Hal -le, Fachbereich Biologie, 27/08/2009.

Jette Schimmel: Analyse der Interaktion von Pro -tei nen der Jasmonat-Signaltransduktion in plantadurch Bimolekulare Fluoreszenzkomp lementa -tion. MLU Halle, Fachbereich Biochemie/Bio -technologie, 30/01/2009.

Danilo Thiemig: Transiente Expression ausge-wählter Enzyme des pflanzlichen Sekundärstoff-wechsels in Blättern von Nicotiana benthamiana.MLU Halle, Fachbereich Biochemie/Bio tech no -logie, 28/10/2009.

DOCTORAL THESES 2009Jakub Grzegorz MSC. Kopycki: Substrate and po -sitional specificity in cation dependent O-methyl-transferases. MLU Halle, Fachbereich Biochemie/Biotechnologie, 03/03/2009.

Felix-Oliver Stehle: Struktur-Funktionsbezie hun -gen der Serin-Carboxypeptidase-ähnlichen Si na -poylglucose:Malat-Sinapoyltransferase. MLU Hal -le, Fachbereich Biochemie/Biotechnologie,30/04/2009.

PUBLICATIONS 2010Breuillin, F., Hajirezaei, M.-R., Ahkami, A., Favre, P.,Druege, U., Hause, B., Bucher, M., Kretzschmar, T.,Bossolini, E., Kuhlemeier, C., Martinoia, E., Fran ken,P., Scholz, U. & Reinhardt, D. Phosphate sys te mi cal -ly inhibits development of arbuscular my corrhizain Petunia hybrida and represses genes in volved inmycorrhizal functioning. Plant J. 64, 1002-1017.

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66

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BACHELOR THESES 2010Anne Muchow: Der Einfluss von reduzierten Jas -monsäuregehalten auf den Kohlenhydratstoff-wechsel von Petunia hybrida. MLU Halle, Fach -bereich Biochemie/Biotechnologie, 06/07/2010.

Amelie Mendrinna: Einfluss der Mykorrhizierungauf die Verwundungsreaktion von Medicago trun-catula. MLU Halle, Fachbereich Biochemie /Bio -technologie, 06/07/2010.

Christopher Ralf Wils: Methylierung von Fla va no -nen durch pflanzliche O-Methyltransferasen. MLUHalle, Fachbereich Biochemie /Biotechnologie,08/06/2010.

DIPLOMA THESES 2010Franziska Götsch: Funktionelle und molekulareCharakterisierung der Sinapoylglucose:Si napoyl -glucose-Sinapoyltransferase aus Arabidopsis thalia-na. MLU Halle, Fachbereich Biologie, 21/06/2010.

Vinzenz Handrick: Biochemische Analyse des Pol -lens von Arabidopsis thaliana. MLU Halle, Fach -bereich Biochemie /Biotechnologie, 26/10/2010.

Maike van Ohlen: Die Methylierungsschritte derAcylspermidinbiosynthese von Arabidopsis thalia-na. MLU Halle, Fachbereich Biochemie / Bio tech -nologie, 06/09/2010.

DOCTORAL THESIS 2010Heike Paetzold: Molekulare Charakterisierungund funktionelle Analyse der Isogene der 1-De -oxy-D-xylulose-5-phosphat-Synthase aus Sola -num lycopersicum. MLU Halle, Fachbereich Bio lo -gie, 18/01/2010.

67

Leiterin: Rosemarie StraßnerChristoph AchillesClemens Schinke

Leiterin: Andrea Piskol

Gewächshäuser J und KThomas Franz Petra Jansen

Gewächshaus N1Philipp PlatoSabine Voigt

AußenbereichChristian MüllerFrank Noack

Vorarbeiter: Michael KrägeCarsten KothKlaus-Peter SchneiderCatrin TimpelEberhard Warkus

Leiter: Hans-Günter KönigHolger BartzRonald Scheller

Leiterin: Christine KaufmannAnnett Kohlberg

Leiterin: Barbara WolfAnja BahrMaike LanglhoferAndrea Walter

Leiterin: Kerstin BalkenhohlAlexandra BurwigClaudia HaferungRené PietznerCaroline Stolzenbach

Leiterin: Heike Böhm

Matthias Barth - Kraftfahrer (bis Okt.10)Martin Claudio Nin Brauer -Chemikalienlager (ab Dezember 2010)Sylvia Pieplow - PR-ReferentinHans-Jürgen Steudte - Chemikalienlager (bis Juli 2010)Steffen Thieme - Kraftfahrer (ab Juli 2010)

Alexander BergterGärtner

Alice BühringGärtnerin

Julia ChristkeChemielaborantin, NWC

Robert CremerFachinformatiker Systemintegration

Nadine DallyBürokauffrau

Aileen JedemannGärtnerin

Marco LindemannBürokaufmann

Juliane MewesChemielaborantin, NWC

Tanja Pareis Bürokauffrau

Thomas WildeBürokaufmann

ABTEILUNG ADMINISTRATION, ZENTRALE DIENSTE UND TECHNIK

Leiter: Lothar FranzenSekretärin: Caroline Stolzenbach

68

MITARBEITER DER ABTEILUNG (2009 UND 2010)

68

ALLGEMEINE VERWALTUNG

BIBLIOTHEK

GÄRTNEREI

GEBÄUDE UND LIEGENSCHAFTEN

GERÄTE- UND ELEKTROTECHNIK

GRAFIK & FOTOGRAFIE

HAUSHALT

PERSONALANGELEGENHEITEN

PROJEKTLEITUNG NEUBAU

AUSZUBILDENDE

QUERSCHNITTSBEREICHE

69

PERSONALÜBERSICHT 2009 UND 2010

2009 2010

ANZAHL DER MITARBEITER ZUM STICHTAG 31.12. 173 169

Anzahl der Wissenschaftler 100 96

davon Frauen: 44 43

Anteil der Vollbeschäftigten in % 62 62

Anteil der Teilzeitbeschäftigten in % 38 38

Anzahl der Planstellen 91 91

Beschäftigungspositionen Haushalt 28 15

Pakt für Forschung und Innovation (Haushalt) 15 8

Über Drittmittel finanzierte Positionen 27 36

Anteil der weiblichen Beschäftigten insgesamt in % 53 55

Fluktuationsrate in % 17 30

Durchschnittsalter der Beschäftigten in Jahren 35 34

BERUFSAUSBILDUNG

im kaufmännischen Bereichin der Gärtnereiim Bereich der Systemadministrationim labortechnischen Bereich

82312

104312

ERFOLGREICHE BERUFSABSCHLÜSSE

im kaufmännischen Bereichin der Gärtnereiim Bereich der Systemadministrationim labortechnischem Bereich

43--1

0----

Anzahl der Gastwissenschaftler (inkl. Stipendiaten) imJahresdurchschnitt 37 45

Anzahl der studentischen und wissenschaftlichen Hilfskräfteim Jahresdurchschnitt 45 39

ÜBERSICHT ÜBER HAUSHALTS- UND DRITTMITTEL 2009 UND 2010

Bewilligte Zuwendung2009

in Mio. Euro in %2010

in Mio. Euro in %

GRUNDFINANZIERUNG INKLUSIVE PAKT FÜR FORSCHUNG / INNOVATION

Personalausgaben 5,3 41,3 5,4 34,3

Sachausgaben 2,8 21,8 3,2 20,3

Zuweisungen / Zuschüsse 0,2 1,6 0,2 1,3

Investitionendavon EFRE-Mittel

2,10,2

16,4 3,50,8

22,3

Zwischensumme 10,4 12,3

DRITTMITTELFINANZIERUNG (INKLUSIVE KASSENBESTAND VOM VORJAHR)

BMBF 0,3 2,4 0,3 2,1

MK-LSA 0,5 3,7 0,6 3,6

DFG / SPP 0,3 2,3 0,2 1,3

DFG 0,2 1,3 0,3 1,8

DFG / SFB 0,2 1,5 0,2 1,0

Wirtschaft 0,1 1,1 0,2 1,5

EU 0,0 0,0 0,0 0,0

Sonstige / Stiftungen / BMWi / DAAD 0,2 1,2 0,1 0,8

KP II Bund / Land 0,7 5,4 1,5 9,7

Zwischensumme 2,5 3,4

GESAMTSUMME 12,9 100,0 15,7 100,0

INVESTITIONSHAUSHALT(institutionelle Förderung / Förderung aus dem

Konjunkturpaket II des Bundes und der Länder)

2009in Mio. Euro

2010in Mio. Euro

Großgeräteinvestitionen gesamt:davon institutionelldavon Konjunkturpaket II Land im Rahmendes Zukunftsinvestitionsgesetzes

2,31,90,4

1,81,80,0

Bauinvestitionen gesamt:davon institutionelldavon EFRE-finanziertdavon Konjunkturpaket II Bund

0,50,00,20,3

2,90,80,81,3

SUMME 2,8 4,7

70

71

Bezeichnung Gesamt -laufzeit

Gesamt -bewilligung

in Euro

Einnahmen2009

in Euro

Einnahmen 2010

in Euro

BewilligtePersonalstellenin Vollzeitä qui -

valenten

VERGABERUNDE 2007

Projekt IPB Identifizierung eigenschaftsrelevanter Metabo li ten clusterAntragsteller: Prof. Dierk Scheel

2007/2009 817.200,00 272.400,00 0,00 4

VERGABERUNDE 2008

Projekt IPBProteinmuster induzierter biologischer Pro zes seAntragsteller: Dr. Kai Naumann

2008/2010 1.117.200,00 322.400,00 322.400,00 4

VERGABERUNDE 2009

Projekt IPBGenomsequenzierungAntragsteller: Dr. Wolfgang Knogge

2009 /2011 430.000,00 129.000,00 170.000,00 1,8

PROJEKTE IM RAHMEN DES PAKTES FÜR FORSCHUNG UND INNOVATION(Pakt I im Rahmen der Institutionellen Förderung)

AvH Alexander von Humboldt-Stiftung

Bionorica Bionorica AG

BMBF Bundesministerium für Bildung und Forschung

BMWi Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie

DAAD Deutscher Akademischer Aus tauschdienst

DBU Deutsche Bundesstiftung Umwelt

DFG Deutsche Forschungsgemeinschaft

DFG / SFB Sonderforschungsbereich der DFG

DFG/SPP Schwerpunktprogramm der DFG

Elsevier Elsevier Science Publisher, Elsevier LTD

EU Europäische Union

MK-LSA Kultusministerium des Landes Sachsen-Anhalt

MLU Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

R & D R & D - Biopharmaceuticals GmbH

Symrise Symrise AG

Wella Wella Service GmbH

WGL Wissenschaftsgemeinschaft Gottfried Wilhelm Leibniz e.V.

Drittmittel *20,2 %

Investitionen19,7 %

Personalausgaben37,6 %

Sachausgaben22,5 %

Gesamtetat des IPB 2009 / 2010

Drittmittelforschungsfinanzierungen auf dieser und den folgenden Seiten erfolgten durch:

* ohne Stipendien und extern verwaltete Drittmittel

72

DRITTMITTEL 2009 UND 2010

ZuwendungsgeberProjekte & Projektleiter

Gesamtlaufzeit Einnahmen 2009 in Euro

inkl. KB Vj. (1)

Einnahmen 2010in Euro

inkl. KB Vj. (2)

BewilligtePersonal -stellen *

ABTEILUNG MOLEKULARE SIGNALVERARBEITUNG

MK-LSA/MLU Graduiertenprogramm Pflanzliche Proteinkomplexe (TP 13)C. Wasternack & B. Hause

07/08 7,39 0,00 0

DFG / SFB12-Hydroxyjasmonat - Arabidopsis (C2)C. Wasternack & O. Miersch

05/08 7.312,44 0,00 0

ZWISCHENSUMME: 7.319,83 0,00 0

ABTEILUNG NATUR- UND WIRKSTOFFCHEMIE

BMBFForschungsprämie: Verbesserung der Verwertungs -breite pharmazeutischer WirkstoffeL. Wessjohann

10/11 0,00 25.000,00 0,5

Forschungsprämie: Verbesserung der Kommu ni ka -tions standards im Substanz- und Datenaustauschzwischen Wirtschaft und WissenschaftL. Wessjohann

10 0,00 16.750,00 1

BMBF / SymriseBioIndustrie 2021 - FlavononeL. Wessjohann

10/13 0,00 14.400,00 0,5

DFGBeihilfe Prof. LeeL. Wessjohann

09 2.760,00 0,00 0

Regulation des okulären Surfactant-Systems und des-sen Bedeutung für das AugeW. Brandt

09/12 8.400,00 25.850,19 0,5

Evolution of plant secondary metabolismW. Brandt

10/12 0,00 29.040,00 0,5

Kooperationsaufenthalt am Natural Product Research Center der Federal University of Rio de JaneiroN. Arnold

10 0,00 2.716,00 0

DFG / SPPMannich-DiversityB. Westermann

07/09 21.630,56 1.606,52 0,5

Prenylierende EnzymeW. Brandt & L. Wessjohann

05/0707/09

172,5025.700,52

0,00500,00

00,5

ChalkogenkatalysatorenL. Wessjohann

07/09 24.721,88 0,00 0,5

Genexpressionsanalyse in Papaver-SpeciesW. Brandt

07/08 203,57 0,00 0

* in Vollzeitäquivalenten

73

ZuwendungsgeberProjekte & Projektleiter

Gesamtlaufzeit Einnahmen 2009 in Euro

inkl. KB Vj. (1)

Einnahmen 2010in Euro

inkl. KB Vj. (2)

BewilligtePersonal -stellen *

ABTEILUNG NATUR- UND WIRKSTOFFCHEMIE

MK-LSALipopeptideL.Wessjohann

09/11 105.800,00 133.157,32 1,5

WirtschaftBionorica - BenzopyraneL. Wessjohann

05/08 6,54 0,00 0

DBU-Uni Greifswald - AcyloineL. Wessjohann

06/09 2.742,13 0,00 0

Wella - AntiandrogeneL. Wessjohann

07/10 31.794,27 15.156,71 1

R&D GmbH - TubulinbinderL. Wessjohann

07/08 16.392,80 0,00 0,5

R&D GmbH - Heterosubstituted EpothilonesL. Wessjohann

09/10 80.400,00 181.983,95 2

Symrise - DihydrochalconeL. Wessjohann

08/10 9.035,80 24.066,24 0

StiftungenAvH - Elucidation of novel bioactive compounds from mycorrhizal and mycophilic fungiL. Wessjohann

07/08 3.483,75 0,00 0

AvH - Bioactive compounds from plants of EthiopiaL. Wessjohann

07/08 56,95 0,00 0

AvH - AChE-InhibitorenL. Wessjohann & B. Westermann

08/10 13.600,00 19.200,00 0

AvH - Metabolic fingerprintsA. Porzel & L. Wessjohann

09/10 4.800,00 10.406,34 0

DBU - BioChemTec: Produktion vonTetrahydrocannabinolsäure in genetisch modifiziertenMikroorganismenW. Brandt

10/12 0,00 12.035,00 1

DAADProbralL.Wessjohann

08/09 9.472,00 810,67 0

AlechileN. Arnold

09/11 984,00 250,00 0

ZWISCHENSUMME 362.157,27 512.928,94 10,5

ABTEILUNG STRESS- UND ENTWICKLUNGSBIOLOGIE

BMBFGABI - ForteD. Scheel

07/11 33.080,29 19.204,24 0,5

Gabi - ProTectD. Scheel

07/10 58.422,95 76.823,70 1

Gabi - PapatomicsS. Rosahl

08/11 61.194,15 72.248,01 1

* in Vollzeitäquivalenten

74

ZuwendungsgeberProjekte & Projektleiter

Gesamtlaufzeit Einnahmen 2009 in Euro

inkl. KB Vj. (1)

Einnahmen 2010in Euro

inkl. KB Vj. (2)

BewilligtePersonal -stellen *

ABTEILUNG STRESS- UND ENTWICKLUNGSBIOLOGIE

BMBFGabi - PhenomeW. Knogge

08/11 98.661,02 61.863,55 1

ProNet-T3D. Scheel

09/14 17.000,00 66.150,00 1

BMWiExist-Gründerstipendium: DyeAgnosticsJ. Heise

08/09 29.497,20 0,00 3

DFGSignaling to plant immunity responsesD. Scheel & J. Lee

09/12 63.500,00 96.644,12 1

DFG / SFB 648Molekulare Kommunikation von R. secalis (A6)W. Knogge

05/09 16.510,57 0,00 0,5

Rolle der Oxylipine bei der Pathogenabwehr (A4)S. Rosahl

05/12 64.121,53 48.575,10 0,75

MAP-Kinase-Kaskaden in A. thaliana (B1)D. Scheel

05/12 61.760,91 50.367,34 0,75

DFG / SPPNonhost resistance of A. thaliana to P. infestansD. Scheel & S. Rosahl

07/0909/11

50.911,1436.960,00

0,00101.284,98

11

Piriformospora indica MAMP recognitionD. Scheel & J. Lee

07/0909/11

19.355,8628.800,00

0,0050.564,74

0,50,5

MK-LSA / MLUGraduiertenprogramm (GP) Pflanzliche Protein kom -plexe (TP 4) - W. Knogge

07/08 49,60 0,00 0

GP Pflanzliche Proteinkomplexe (TP 7)D. Scheel

07/08 266,29 0,00 0

GP Pflanzliche Proteinkomplexe (TP 9)J. Lee

07/08 578,86 0,00 0

Forschungsschwerpunkt Biowissenschaften - For -schungscluster CD. Scheel

09/10 51.000,00 42.706,29 1

IZN - Defense and stress metabolism of potatoS. Rosahl

10/11 0,00 26.200,66 0,5

StiftungenAvH - Identifizierung von Genen für dieSuszeptibilität von Gerste gegenüber R. secalis W. Knogge

07/10 5.648,50 5.274,30 0

ZWISCHENSUMME: 697.318,87 717.907,03 15

DRITTMITTEL 2009 UND 2010

* in Vollzeitäquivalenten

75

ZuwendungsgeberProjekte & Projektleiter

Gesamtlaufzeit Einnahmen 2009 in Euro

inkl. KB Vj. (1)

Einnahmen 2010in Euro

inkl. KB Vj. (2)

BewilligtePersonal -stellen*

ABTEILUNG SEKUNDÄRSTOFFWECHSEL

BMBFYelLowSinD. Strack

06/09 45.571,00 0,00 2

DFGDXS-IsoenzymeM. H. Walter

05/07 1.500,00 1.500,00 0

Chlorogensäure: Glucarsäure-CaffeoyltransferaseD. Strack & B. Hause

06/09 31.892,20 0,00 0,5

Struktur und Funktion der SinapinesteraseD. Strack

08/09 26.535,12 13.559,16 0,5

Biosynthesis and biological role of polyamineT. Vogt

09/12 35.980,00 51.653,69 0,5

Biosynthesis and distribution of ABAB. Hause

10/12 0,00 21.000,00 1

Uncovering the role of apocarotenoids in the arbus-cular mycorrhiza symbiosisM. H. Walter

10/13 0,00 22.080,00 0,5

Tissue- and organ specificity of jasmonate responsesin the development of tomato flowersB. Hause

10/13 0,00 26.040,00 0,5

DFG/ SPPIsoprenoidstoffwechselM.H. Walter

04/06 49,31 0,00 0

Acyltransferasen des pflanzlichenPhenylpropanstoffwechselsD. Strack & C. Milkowski

05/07 0,00 1.000,00 0

DXS-EvolutionM. H.Walter

06/07 1.200,00 0,00 0

SCPL-AcyltransferasenD. Strack & C. Milkowski

07/09 28.402,07 0,00 0,5

Detection of jasmonates, live-cell imagingB. Hause

07/0909/11

28.794,4023.520,00

0,0046.394,88

0,50,5

MK-LSAGP Pflanzliche Proteinkomplexe (TP 13)C. Wasternack & B. Hause

07/08 7,39 0,00 0

StiftungenAvH - Role of jasmonates in mycorrhiza-induced bio-protection of rootsB. Hause

10/11 0,00 9.600,00 0

SonstigeElsevier - PhytochemistryD. Strack

02/11 39.014,61 39.103,73 0,5

ZWISCHENSUMME: 262.466,10 231.931,46 7,5

* in Vollzeitäquivalenten

76

ZuwendungsgeberProjekte & Projektleiter

Gesamtlaufzeit Einnahmen 2009 in Euro

inkl. KB Vj. (1)

Einnahmen 2010in Euro

inkl. KB Vj. (2)

BewilligtePersonal -stellen *

UNABHÄNGIGE NACHWUCHSGRUPPE AUXIN-SIGNALTRANSDUKTION

MK-LSA / MLUForschungsschwerpunkt Biowissenschaften -ExzellenznetzwerkM. Quint

07/11 279.228,03 295.349,30 4

Forschungsschwerpunkt Biowissenschaften -Forschungscluster G, TP 2M. Quint

09/11 39.000,00 48.275,25 0,5

Forschungsschwerpunkt Biowissenschaften -Forschungscluster G, TP 1M. Quint

10/11 0,00 22.066,00 0,5

DFG / SFBFunktionelle Charakterisierung von Kelch-Repeat F-Box Proteinfamilien in A. thalianaM. Quint

09/12 48.488,98 63.157,46 0,5

ZWISCHENSUMME: 366.717,01 428.848,01 5,5

WISSENSCHAFTLICHER QUERSCHNITT

Konjunkturpaket II / BundNeubau eines PhytokammernhausesL. Franzen

09/11 272.000,00 1.513.762,99 0

Konjunkturpaket II / LandAnschaffung eines DienstwagensL. Franzen

09 30.000,00 0,00 0

Erweiterung der LC-MS Profiling PlattformD. Scheel

09 331.862,30 0,00 0

Anschaffung eines Cryo-Mikrotoms mit einem Cryo-Transfer-SystemB. Hause

09 50.000,00 0,00 0

SonstigeWGL - Good Practice, externeManagementunterstützung zur Erleichterung vonAusgründungen

09/10 77.597,19 24.040,20 0

ZWISCHENSUMME: 761.459,49 1.537.803,19 0

PROJEKTEINNAHMEN INSGESAMT 2.457.438,57 3.429.418,63 38,5

DRITTMITTEL 2009 UND 2010

* in Vollzeitäquivalenten

77

FINANZIERUNGSÜBERSICHT FÜR 2009 UND 2010

Zuwendungsgeber Einnahmen 2009in Euro, inkl. KB Vj.

Einnahmen 2010 in Euro, inkl. KB Vj.

Bewilligte Personalstellen*

BMBF 313.929,41 338.039,50 8,0

BMWi 29.497,20 0,00 3,0

KP II / Bund 272.000,00 1.513.762,99 0,0

MK-LSA 475.937,56 567.754,82 8,0

KP II / Land 411.862,30 0,00 0,0

DFG 170.567,32 290.083,16 5,5

DFG / SFB 198.194,43 162.099,90 2,5

DFG / SPP 290.421,81 201.351,12 6,0

Wirtschaft 140.371,54 235.606,90 4,0

Sonstige 116.611,80 63.143,93 0,5

Stiftungen 27.589,20 56.515,64 1,0

DAAD 10.456,00 1.060,67 0,0

GESAMTSUMME: 2.457.438,57 3.429.418,63 38,5

Verbundprojekt Trockenstress (AIP)2009 und 2010 kooperierte die Abteilung NWC als Vereinsmitglied mit dem Agrochemischen Institut Piesteritz e.V. (AIP)im Rahmen des Verbundprojektes Trockenstress in zwei Teilprojekten. Die bewilligte Landeszuwendung beträgt für beideTeilprojekte über einen Zeitraum von drei Jahren (Laufzeit 2009 - 2011) insgesamt 121,3 TEUR. Die Mittelverwaltung und-abrechnung erfolgt über das AIP.

* in Vollzeitäquivalenten

78

MITWIRKUNG DES IPB AN NATIONALEN UND INTERNATIONALEN FORSCHUNGSNETZWERKEN

BMBF-PROJEKTCLUSTER BIOKATALYSE 2021Nachhaltige Biokatalyse auf neuen WegenBiokatalyse 2021 - Biokatalytische Gewinnung von Flavonoiden

DFG-PROJEKTEMOLEKULARE MECHANISMEN DER INFORMATIONSVERARBEITUNG IN PFLANZEN

Sonderforschungsbereich 648 der DFG

ORGANOKATALYSE

- Mannich Diversity (Professor Westermann)- Chalcogen Catalysts (Professor Wessjohann)DFG-Schwerpunktprogramm 1179

GABI-PROJEKTEGenomanalyse im biologischen System PflanzeBMBF- und Wirtschaftsverbund

GABI FORTE

Interaktion zwischen Arabidopsis und dem Wurzel en do phyten Piriformospora indicaBasisprojekt von GABI FUTURE

GABI PAPATOMICS

Brückenprojekt von GABI FUTURE

GABI PHENOME

Quantitative Gen-Phänotypbeziehungen in pathogenbefallener GersteBrückenprojekt von GABI FUTURE

GABI PRO TECT

Identifizierung und Charakterisierung neuer chemoprotektiver Substanzen für Pflanzenschutz und MedizinBasisprojekt von GABI FUTURE

YELLOWSIN

Functional Genomics für die Entwicklung gelbsamiger Rapssorten mit niedrigem SinapingehaltGABI-Kanada, bilaterale Kooperation Deutschland-Kanada

LANDESEXZELLENZNETZWERK

SACHSEN-ANHALTStrukturen und Mechanismen der biologischen Informationsverarbeitung

PFLANZLICHE PROTEINKOMPLEXE - STRUKTUR, FUNKTION UND EVOLUTION

Graduiertenprogramm im Landesexzellenznetzwerk

79

Dr. Elena Asafova, Russland 07.09.2010 – 22.10.2010

Dinesh Dhurvas Chandrasekaran, IndienStipendiat, DFG01.07.2010 – 14.03.2013

Siriwat Sakhonwasee, ThailandStipendiat, Royal Thai Government Scholarship09.12.2009 – 26.08.2010

Prof. Claus Wasternack, Deutschland01.06.2008 – 31.12.2010

Franziska Böhm, Deutschland15.02.2010 – 30.04.2010

Michaela Böhme, Deutschland03.08.2009 – 31.12.2009

Dr. Nadezhda Frolova, Russland01.01.2010 – 31.01.2010

Dr. Jan Heise, DeutschlandEXIST-Gründerstipendium DyeAGNOSTICS01.04.2008 – 31.03.2009

Roland Hellmund, DeutschlandEXIST-Gründerstipendium DyeAGNOSTICS01.04.2008 – 31.03.200904.01.2010 – 31.07.2010

Ingo Hofmann, Deutschland01.11.2004 – 31.08.2010, 15.10.2010 – 31.12.2010

Andrea Leitner, DeutschlandStipendiatin, Graduiertenprogramm02.04.2007 – 31.03.2010

Dr. Luis David Maldonado Bonilla, MexikoStaaatliches Stipendium Mexiko22.02.2010 – 28.02.2011

Thomas Marschner, DeutschlandEXIST-Gründerstipendium DyeAGNOSTICS04.11.2008 – 31.03.2009

Vicent Arbona Mengual, SpanienStaatliches Stipendium Spanien27.02.2009 – 28.02.2010

Bodo Moritz, DeutschlandStipendiat, Graduiertenkolleg15.01.2009 – 19.03.2009

Edwin Pahlich, Deutschland20.07.2009 – 14.08.200902.11.2009 – 30.11.2009

Mieder Palm-Forster, SüdafrikaStipendiat, Graduiertenkolleg22.01.2008 – 30.04.2011

Thomas Spielau, Deutschland10.06.2009 – 31.12.2009

Carlos Valverde, SpanienStipendiat17.06.2009 – 30.11.2009

Prof. Dr. Nasser Abdullah Awadh Ali, JemenStipendiat, DAAD19.07.2010 – 20.09.2010

Dr. Mohamed Ali Ali Farag, ÄgyptenStipendiat, Georg Forster Forschungsstipendium01.09.2009 – 31.12.2010

Dr. Susanne Aust, Deutschland01.01.2009 - 31.12. 2010

Dr. Katrin Franke, Deutschland01.04.2010 – 31.03.2012

Fabio Zazyki Galetto, BrasilienStipendiat, Probral, DAAD - CAPES15.10.2008 – 31.03.2009

Prof. Dr. Daniel Garcia Rivera, Kuba19.9.2008 - 31.1.200918.6.2010 - 31.8.2010

Torsten Geißler, DeutschlandAgrochemisches Institut Piesteritz01.01.2009 – 31.12.2011

Ramona Heinke, DeutschlandStipendiatin, Studienstiftung des Deutschen Volkes01.07.2010 – 30.06.2012

Tobias Heintz, DeutschlandStipendiat Ontochem01.01.2008 – 30.06.2010

GASTWISSENSCHAFTLER UND STIPENDIATEN

MOLEKULARE SIGNALVERARBEITUNG

STRESS- UND ENTWICKLUNGSBIOLOGIE

NATUR- UND WIRKSTOFFCHEMIE

Peter-Paul Heym, DeutschlandAgrochemisches Institut Piesteritz15.01.2009 – 31.12.2010

Stephanie Krause-Hielscher, DeutschlandStipendiatin Hochschule Anhalt, Köthen01.01. 2009 - 31.12. 2010

Prof. Dr. Dong-Ung Lee, Südkorea1.7. 2009 - 31.8. 2009

André Pimentel Liesen Nascimento, BrasilienStipendiat, Nationaler Froschungsrat Brasilien (CNPq)10.11.2010 – 31.10.2011

Prof. Dr. Ricardo Machado Kuster, BrasilienStipendiat, CAPES11.02.2008 – 31.01.2009

Václav Mik, TschechienStipendiat, Universität Palacky12.04.2010 – 24.06.2010

Prof. Dr. Maxim Mironov, RusslandStipendiat, DAAD, Lomonossow-Programm20.09.2010 – 15.12.2010

Amina Msonga, TansaniaStipendiatin, DAAD29.09.2010 – 30.09.2012

Remco Muntendam, Niederlande26.08.2009 – 30.09.2009

Dr. Sarfraz Ahmad Nawaz, PakistanStipendiat, AvH-Stiftung01.03.2008 – 06.09.2010

Martin Claudio Nin Brauer, BrasilienStipendiat, Nationaler Forschungsrat Brasilien (CNPq)02.04.2007 – 31.12.2010

Mardia El Dessoky Teleb El Sayed, ÄgyptenStipendiatin, Regierung Ägypten13.01.2009 – 31.01.2013

Samuel Ricardo Schwab, BrasilienStipendiat, Probral, DAAD - Capes26.10.2009 – 31.03.2010

Cecilia Augiar da Silva, Brasilien28.04.2010 – 14.10.2010

Parul Singh, Indien07.07.2008 – 15.06.2009

Ricardo Wanderley Neves Filho, BrasilienStipendiat, Nationaler Forschungsrat Brasilien (CNPq)01.11.2010 – 31.03.2011

Sebastian Welsch, DeutschlandStipendiat, Priaxon AG01.10.2008 – 30.07.2009

Antoine Marie Kakam Zanetsie, KamerunStipendiat, DAAD06.05.2009 – 03.09.2009

Susanne Forner, Deutschland01.01.2010 – 31.03.2010

Franziska Götsch, Deutschland01.09.2010 – 30.09.2010

Adama Hilou, Burkina FasoStipendiat, Humboldt-Stiftung05.03.2010 – 31.01.2011

Dr. Carsten Milkowski, Deutschland01.01.2008 – 30.09.2010

Juliane Mittasch, Deutschland01.01.2010 – 30.09.2010

Martin Müller, Deutschland02.02.2009 – 31.03.2009

Markus Otto, Deutschland14.01.2009 – 31.03.2010

Fernando C. da Silva, BrasilienStipendiat, DAAD12.04.2010 – 31.03.2011

Felix Stehle, Deutschland01.05.2010 – 31.07.2010

Prof. Dieter Strack, Deutschland01.10.2010 – bis auf Weiteres

Prof. Alain Tissier, Frankreich20.07.2010 – 30.09.2010

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GASTWISSENSCHAFTLER UND STIPENDIATEN

NATUR- UND WIRKSTOFFCHEMIE

SEKUNDÄRSTOFFWECHSEL

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HIGHLIGHTS 2009NEUES LAYOUT FÜR NEUE ABTEILUNG

Das Jahr 2009 war zunächst geprägt von

grafischen Arbeiten in Vorbereitung auf die

Ankunft von Professor Steffen Abel als neu -

er Abteilungs leiter der ehemaligen Abtei -

lung Naturstoff-Biotechnologie, die unter sei-

ner Ägide seit dem 1. Juli 2009 den Namen

Molekulare Sig nal verarbeitung trägt. Gemein -

sam mit ihm und der Grafikabteilung wur-

den ein neues Abteilungspictogramm ent-

worfen und die Internetseiten umgestaltet.

LANGE NACHT DER WISSENSCHAFTEN

Mit rekordverdächtigen 982 Besuchern war

auch die 8. Lange Nacht der Wissen schaf -

ten am 3. Juli 2009 wieder ein großer Erfolg

für das IPB. Neben der Straße der Experi -

men te, die mittlerweile in Halle schon be -

kannt und sehr beliebt ist, gab es am konfo-

kalen Mikroskop und am Massenspektro -

me ter ansprechende Program me für Er -

wachsene. Zudem nahm das IPB in diesem

Jahr an der Forschungsexpedition Deutschland

teil, die als Initiative des Bun desmi nis te ri -

ums für Bildung und For schung im Rahmen

des Wissenschaftsjahres 2009 zur aktiven

Auseinandersetzung mit den Na tur- und

Geisteswissenschaften aufrief. Die Teilneh -

mer der Forschungs ex pe di tion konnten

deutschlandweit an allen be tei lig ten Institu -

ten Experimente durchführen und sich so

einen Stempel in ihren Ex pe di tionspass

verdienen. Großer Wissens durst wurde be -

lohnt: Bei mindestens fünf Stem peln, be -

stand die Möglichkeit, an einer richtigen

Forschungsexpedition teilzunehmen. Am

IPB, als offizieller Pass-Station der For -

schungsexpedition, konnten die Stempel

und - für Initialinteressenten- auch die Päs -

se erworben werden. Das mdr Fernsehen

berichtete um 21:45 bei mdr aktuell mit ei -

nem Interview mit Sylvia Pieplow life über

PRESSE- UND ÖFFENTLICHKEITSARBEIT

Sylvia PieplowDas Pictogrammder ehemaligenAb teilung Natur -stoff-Biotech nologie(Grafik: ChristineKaufmann) wurdedurch ein neueser setzt (Grafik:Sylvia Pieplow), daman in der neuenAbteilung Moleku -lare Signalverar bei -tung nicht mehr anMohnpflanzen forscht.

diese Aktion und den Erfolg der LangenNacht am IPB. Ein zweiter Bericht über dieStraße der Experi men te wurde am 6. Ju li imRegionalmagazin Sachsen-Anhalt heute aus-gestrahlt. Einmal in Neugier entbrannt, pro-duzierten die Me dien in den nächsten Wo -chen gleich zwei weitere Fernseh- und ei -nen Radiobeitrag über hiesige Forschungs -projekte, die sich mit Wirkstoffen aus Pilzenund Schnee glöckchen befassten.

JUGEND FORSCHT

Eva Weber, die Regionalsiegerin der RegionMittelfranken im bundesweiten Wett be werbJugend forscht, freute sich riesig über ihrenPreis: ein zweiwöchiges Praktikum am IPB,bei dem sie sich unter fachkundiger Anlei tungvon Dr. Andrea Porzel (Abteilung Na tur- undWirkstoffchemie) mit Techniken der NMR-Spektroskopie vertraut machen konnte. DasIPB beteiligt sich seit einigen Jahren aktiv amWettbewerb, indem es für die Re gional- undLandessieger ein Prak ti kum in einer wissen-schaftlichen Abteilung ermöglicht.

PILZFLORA VON SACHSEN-ANHALT

Das Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemiehat mit Unterstützung des Naturschutz -bundes Sachsen-Anhalt e.V. eine umfassendeBestandsaufnahme aller in unserem Bun -desland vorkommenden Höheren Pilze he -rausgegeben. Das Werk mit dem Titel Pilz -flora von Sachsen-Anhalt enthält genaue Be -schreibungen, inklusive Vorkommen, Le -bensraum und Gefährdung aller 3612 bisherin Sachsen-Anhalt nachgewiesenen Ar tenvon Schlauch- und Ständerpilzen. Bei derEntstehung des Buches haben Spe zialisten

und begeisterte Pilzfreunde gleichermaßenmitgewirkt, die in jahrelanger Kleinarbeitdie Literatur, die Sammlungen der Univer si -täten und Botanischen Gärten, alte Tage -bucheinträge eigener Exkursionen und na -türlich auch die hiesigen Wiesen und Wäl -der selbst durchforsteten. Die so entstan-dene Dokumentation der Biodiversität solldie Basis für die Erfassung von Verän de -rungen der Pilzvorkommen durch Klima -wandel und Biotopzerstörung bilden undauch als Handwerkszeug für Naturschützerund Pilzberater dienen. Das Buch kannbeim Weissdorn-Verlag gegen eine Schutz -gebühr von zehn Euro erworben werden.

Das IPB forscht seit vielen Jahren verstärktan Pilzen, die eine reiche Quelle für Na tur -stof fe mit bisher unbekannten biologischenAktivitäten sind. Aus diesem Grund hat dasInstitut, federführend durch den Leiter derAG Naturstoffe, Dr. Norbert Arnold (Ab tei -lung Natur- und Wirkstoffchemie), die Ent ste -hung des Werkes mit Geld und Tat unter-stützt. Die Pilzflora von Sachsen-Anhalt wur -de am 2. September einer breiten Öffent-lichkeit und allen interessierten Pilzfreun -den, Helfern und Coautoren in festlichemRahmen präsentiert.

BIOTECHNIKA 2009Ebenfalls mit Pilzen präsentierte sich dasIPB zur BIOTECHNIKA, Deutschlands größterBiotechnologiemesse, vom 6.-8. Oktober2009 in Hannover. An einem Gemein schafts -stand der Länder Thüringen, Sachsen undSachsen-Anhalt stellten Sylvia Pieplow undMichael H. Walter (Abteilung Sekun där stoff -

wechsel) neue Aspekte der Mykor rhi za for -schung vor

HIGHLIGHTS 2010DGMS-TAGUNG IM MÄRZ

Die 43. Jahrestagung der Deutschen Gesell -schaft für Massenspektrometrie (DGMS)fand in diesem Jahr vom 7. bis 10. März inHalle statt. Sie war mit 375 Teilnehmern,167 Postern, 42 Kurzvorträgen, sechs at -traktiven Plenarvorträgen, einem reichhalti-gen kulturellem Rahmenprogramm sowieder wohlwollenden Beachtung in der Pres -se ein voller Erfolg für die Organisatoren,zu denen federführend Dr. Jürgen Schmidt(Abteilung Natur- und Wirkstoffchemie) undProfessor Andrea Sinz (MLU Halle) gehör-ten. Die Bestückung der Internetseiten mitInhalten sowie die Zusammenarbeit mitden Medien erfolgte von der Presse- undÖffentlichkeitsarbeit des IPB.

TAG DER BERUFE UND GIRLSDAY AM IPBSchüler, Eltern, Neugierige und Lernwilligewaren am Tag der Berufe herzlich eingela-den, sich über die Ausbildungsmöglichkeitenam IPB ein Bild zu machen. Die Ver an stal -tung wurde von der Bundesagentur für Ar -beit mit dem Ziel initiiert, Schul ab gän gernin Thüringen und Sachsen-Anhalt dieGelegenheit zu geben, sich über lokaleLehr betriebe zu informieren. Das IPB bildetseit vielen Jahren in den Berufen Büro kauf -frau/mann, Gärtner/in für Zierpflanzenbau,Chemielaborant/in und Fachinformatiker/infür System inte gra tion aus. Der Tag der Be -rufe fand landesweit am 17. März 2010

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Angela Schaks (Abteilung Natur- und Wirkstoffchemie) erklärt zum Tag der Berufe die Funk tions -weise eines Rotationsverdampfers im Syntheselabor.

statt. Das Institut besuchten in diesemRahmen knapp 90 interessierte Schülerund ihre Eltern. Es er wartete sie ein infor-matives Programm mit Vorträgen, Ex pe ri -men ten und Führungen durch Ge wächs -häuser und Labore.

Ein ähnliches Programm im kleineren Rah -men erwartete die Mädchen und Jungender Latina, der Huttenschule und des Burg -gymnasiums Wettin zum Girlsday am 22.April 2010.

PARLAMENTARISCHER ABEND IN BERLIN

Am 18. Mai 2010 lud die Leibniz- Ge mein -schaft zum Parlamentarischen Abend insdbb-Forum nach Berlin ein. Unter demThe ma Energie - Ernährung - Kli ma. Mit Ag -rar for schung nachhaltig in die Zu kunft stelltensich mehr als 20 Leibniz-In stitute mit aktu-ellen Forschungsprojekten der Dis kus sionmit Politikern des Bun des ta ges und derLand ta ge. Für das IPB präsentierten Sa bineRosahl (Abteilung Stress- und Ent wick lungs bio -logie), Norbert Arnold (Ab tei lung Natur- undWirk stoff chemie) und Sylvia Piep low denjüngst am IPB entwickelten Wirk stoff gegendie Kraut- und Knollenfäule.

VERABSCHIEDUNG VON DIETER STRACK

Mit einem Festkolloquium hat das IPB am30. Juli 2010 seinen GeschäftsführendenDirektor und Leiter der Abteilung Sekun där -stoffwechsel Professor Dieter Strack in denRuhestand verabschiedet. Neben Ver tre -tern des Stiftungsrates und des Wis sen - schaftlichen Beirats des IPB, gratuliertenauch Halles Ober bürgermeis te rin DagmarSzabados und der amtierende Rektor derMartin-Luther-Univer si tät, Professor WulfDie penbrock.

Im Rah men der Fest veran stal tung erfolgteauch die offizielle Amts über gabe des Direk -to ren postens durch den Vor si tzenden desStif tungsrates, Minis terialrat Thomas Reit -mann vom Kultusminsiterium des LandesSach sen-Anhalt an Pro fes sor Ludger Wess -johann.

Im Anschluss an den offiziellen Teil waren alleMitarbeiter und Gäs te zum geselligen Bei -sammensein ge la den. Das Festbankett wurdemusikalisch umrahmt mit Jazzmusik des Rol -ling Mill Or ches tra, bei der sich Dieter Strackseinen Mit arbeitern von bisher un ge kann terSeite als Saxophonist präsentierte. Auch

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Stracks Nachfolger, der ab Oktober amtie-rende Leiter der nun umbenannten AbteilungStoffwechsel- und Zellbiologie, Pro fessor Alain

Tissier gehörte zu den Gratulanten und ge -noss die Feierlichkeiten im Kreise seiner zu -künftigen Kol le gen.

Die IPB-Krawatte gab es zum Andenken für Mitarbeiter und geladene Gäste, die das Institut prägen oder geprägt haben: Prof. Günter Adam (ehema-liger Leiter der Abteilung Naturstoffchemie), Dr. Hans-Werner Liebisch (ehemaliger Mitarbeiter, Isotopenlabor), Prof. Ludger Wessjohann (Ge schäfts -führender Direktor und Leiter der Abteilung Natur- und Wirkstoffchemie), Prof. Dieter Strack (Leiter der Abteilung Sekundärstoffwechsel), MinisterialratThomas Reitmann (Vorsitzender des Stiftungsrates), Prof. Benno Parthier (ehemaliger Institutsdirektor und ehemaliger Präsident der Leopoldina) undDr. Dieter Gross (ehemaliger Mitarbeiter).

KUNSTAUSSTELLUNG AM INSTITUT

Pünktlich zur Verabschiedung von DieterStrack schmückten auch wieder Bilder un -sere Flure und Foyers. Unter dem MottoBewegte Stadt präsentierte der habilitierteAgrarwissenschaftler Bruno Steffan Ottoseine schillernd schrägen Stadtansichten ausungewöhnlichen Perspektiven. Markt kirche,Händeldenkmal und viele weitere stadtbe-kannte Objekte erscheinen in verzerrtenProjektionen, entfremdeten Farben und zer-splitterten Fraktalen, womit es dem Malerhervorragend gelingt, ein Spannungs feld zwi-schen Realität und Illusion aufzubauen. DieVernissage zur Ausstellung fand am 22. Julistatt. Bruno S. Ottos Werke veredelten bisEnde Dezember die Wände des IPB.

ZERTIFIZIERTE FAMILIENFREUNDLICHKEIT

Das Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemiehat sich erfolgreich um das Prädikat Total E-Quality beworben. Das Zertifikat beschei-nigt dem Institut ein hohes Engagement beider Verwirklichung der Chancengleichheitsowie bei der Etablierung und Erhaltungeines familienfreundlichen Arbeitsumfeldesfür alle Beschäftigten.

Das Prädikat wird vom TOTAL E-QUALITYDeutschland e.V. an Organisationen ausWirtschaft, Wis sen schaft und Verwaltungverliehen. Für die Be werbung im Rahmeneiner Selbstbewertung haben Mitar bei ter

der Verwaltung und der Öffentlichkeitsar-beit von Sep tem ber 2009 bis Februar 2010kontinuierlich an der Beant wor tung desFragebogens und dem Zu sam mentragender statistischen Daten gear beitet. Das IPBkonnte die Jury mit seiner Be wer bungüberzeugen und darf das Prädikat nun erst-mals für die kommenden drei Jahre tragen.Besonders angetan waren die Juroren vonder familienfreundlichen Personalpolitik desInstituts, mit flexibler Arbeitszeitgestaltungund Kinderbetreuungskostenzuschuss. Diefeierliche Verleihung des Zer ti fi kats fand am4. November in Erfurt statt. Bisher wurdenbundesweit etwa 300 Prä di kate vergeben; imJahr 2010 kommen 60 wei tere dazu.

FÜHRUNGEN UND VORTRÄGE 09/10Im Rahmen der Samstagsvorlesungen refe-rierte Bernhard Westermann (Abteilung Na -tur- und Wirkstoffchemie) am 28. März 2009zum Thema Doping: Sind wir in der Post ste -roid-Aera?

Anlässlich des 20. Jahrestages der Grün -dung des Verbandes der Führungskräfte derchemischen Industrie der DDR (VFCI) hieltLudger Wessjohann zur Festveranstaltungam 26. Mai 2010 einen Gastvortrag, in demer die Entwicklungen der chemischen undbiochemischen For schung in Mittel deutsch -land nach der Wen de beleuchtete.

Weitere Führungen und Vorträge zurGrünen Gentechnik erfolgten in den Jahren2009/10 durch Sylvia Pieplow für Schülerder Berufsschule Saalkreis, des Georg-Can -tor-Gymnasiums, des Thomas-Müntzer-Gym nasiums und des Geschwister-Scholl-Gymnasiums in Zeitz, sowie für Studentenaus Kolumbien im Rahmen einer DAAD-Studienreise und auch für die Tagungsgästeder Mykorrhiza-Tagung, die im Dezember2010 unter Leitung von Bettina Hause amIPB ausgerichtet wurde.

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Bewegte Stadt,Acryl auf Leinwand von Bruno S. Otto

Anja Bahr und Sylvia Pieplow bei derPrädikatsverleihung in Erfurt.

Am 25. Mai 2010 besuchten 16 Studenten aus Kolumbien auf ihrer DAAD-Studienreise das IPB.

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ARTIKEL UND PRESSEMITTEILUNGEN 200916. Januar Färber D. Schöne Musen der Melancholie, Mittel -deutsche Zeitung, S. 13.

26. JanuarWobus, U., Stachow, U., Werner, A., Graner, A. &Scheel, D. Bitte keine Pauschalurteile. GrüneGentechnik wird selten angemessen bewertet.Zwischenruf 2/2008, S. 12-13.

27. JanuarZöller, S. Biochemikerin verschönert die Warte -schleife. Mitteldeutsche Zeitung, S. 8.

17. MaiSchramme, M. Forscher verärgert über Politik.Sonntagsnachrichten, S. 1.

15. JuniPieplow, S. Bedeutender Hallenser Che mi -ker ver storben. PRESSEMITTEILUNG.

16. JuniDeutsch, M. Ehemaliger Direktor ist verstorben.Mitteldeutsche Zeitung, S.8.

16. JuniZiegler, T. IQ-Innovationspreis vergeben. Amts -blatt, S.3.

29. JuniPieplow, S. Leibniz-Institut für Pflanzen -bio che mie ist Pass-Station zur LangenNacht der Wis sen schaften. PRESSE MIT TEI -LUNG.

Die Mitteilung ist erschienen im Netz u.a. bei:www.pressrelations.dewww.uni-protokolle.de

2. JuliDeutsch, M. Experimente für Nachtschwärmer.Mitteldeutsche Zeitung, S. 20.

2. JuliPausch, K. Von Kuhroulette bis Dhallywood. Lan -ge Nacht der Wissenschaften in Halle. Mittel deut -sche Zeitung, S. 25.

6. JuliPieplow, S. Neuer Abteilungsleiter amLeibniz-Institut für Pflanzenbiochemie.PRESSE MIT TEI LUNG.

Erschienen im Netz u.a. bei:www.biomitteldeutschland.de

8. JuliDeutsch, M. Steffen Abel forscht jetzt für dasLeibniz-Institut. Mitteldeutsche Zeitung, S. 8.

14. JuliKrause, I. Würfe mit flinker Scheibe. Mittel deut -sche Zeitung, S. 8.

21. AugustEin Sommertag zwischen plus 60 und minus 20

Grad. Mitteldeutsche Zeitung, S. 9.

26. AugustPieplow, S. Umfangreicher PilzkatalogSachsen-Anhalts erschienen. PRESSEMIT TEI -LUNG.

Erschienen im Netz u.a. bei:www.pilzforum.eu

28. AugustPeters, D. Eva will die Kirschen vor Fliegen schüt-zen. Mitteldeutsche Zeitung, S. 10.

25. SeptemberBioinformatiker treffen sich an der Uni. Mittel -deutsche Zeitung, S.11.

Oktober 2009Adam, G. Klaus Schreiber (1927-2009). Nach rich -ten aus der Chemie 57, S. 1027.

FERNSEHBEITRÄGE 20093. JuliSchwietzer, C. Straße der Experimente am IPB.Mitteldeutscher Rundfunk, mdr aktuell, 21:45Uhr. Lifeinterview mit Sylvia Pieplow.

6. JuliWiemeier, T. Straße der Experimente zur LangenNacht der Wissenschaften. Mitteldeutscher Rund -funk, mdr Sachsen-Anhalt heute , 19:00 Uhr.

25. JuliWiemeier, T. Blumen gegen Alzheimer. Mittel deut -

MEDIENPRÄSENZ UND DRUCKERZEUGNISSE 2009 / 2010

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scher Rundfunk, mdr Sachsen-Anhalt heute,19:00 Uhr.

7. AugustWiemeier, T. Wirkstoffe aus Pilzen. Mitteldeut -scher Rundfunk, mdr Sachsen-Anhalt heute,19:00 Uhr.

RADIOBEITRAG 200926. JuliWiemeier, T. Blumen gegen Alzheimer. mdr1 RadioSachsen-Anhalt.

WEITERE DRUCKERZEUGNISSE 2009Mai 2009Scientific Report 2007-2008

November 2009Highlightsflyer 2009

ARTIKEL UND PRESSEMITTEILUNGEN 20109. FebruarPieplow, S. Neuer Wirkstoff gegen Kraut-und Knollenfäule. PRESSEMITTEILUNG

Erschienen im Netz u.a. bei:www.argenpapa.com.arwww.biomitteldeutschland.dewww.feedarea.dewww.florenschutz.dewww.fruchtportal.dewww.gabot.dewww.halleforum.dewww.innovations-report.dewww.internetchemiewww.internetchemie.infowww.juraforum.dewww.mdr.dewww.mygeo.infowww.n-tv.dewww.pflanzenforschung.dewww.pressrelations.dewww.pressreleasemag.dewww.proplanta.dewww.studentenportal.dewww.uni-online.dewww.uni-protokolle.dewww.vbio.dewww.wehking-pr.dewww.wifoe.dewww.wissenschaft.toppx.dewww.worldwidenews.de

11. FebruarWirkstoff gegen die Kraut- und Knollenfäule. Mit -tel deutsche Zeitung, S. 10.

15. FebruarWirkstoff aus Pilzen verhindert die Kartoff el fäu -le. Hamburger Abendblatt.

17. FebruarKlabuhn, J. Harz-Pilz enthält Hoffnung für Kar tof -felproduzenten. Mitteldeutsche Zeitung, S. 30.

24. FebruarPieplow, S. Experten der Massen spek tro -me trie tagen in Halle. PRESSEMITTEILUNG.

Erschienen im Netz u.a. bei:www.analytik.dewww.innovations-report.dewww.join-online.dewww.uni-online.dewww.uni-protokolle.dewww.wifoe.halle.de

26. FebruarKrause, I. Spektakuläre Technik lockt Experten andie Saale. Mitteldeutsche Zeitung, S. 11.

3. MärzKlabuhn, J. Zufrieden mit der Zusammenarbeit.Mitteldeutsche Zeitung, S. 22.

9. MärzPieplow, S. Tag der Berufe am Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie. PRESSE MIT -TEILUNG.

Erschienen im Netz u.a. bei:www.juraforum.dewww.politopolis.dewww.proplanta.dewww.stellenboersen.dewww.uni-online.dewww.uni-protokolle.dewww.wifoe.de

12. MärzKrause, I. Als Azubi in der Forschung. Mittel deut -sche Zeitung, S. 11.

15. MärzTag der Berufe – Leibniz-Institut öffnet seine Tü -ren. Mitteldeutsche Zeitung, S. 10.

12. AprilKrause, I. Baustart noch in diesem Jahr. Mittel deut -sche Zeitung, S. 8.

20. MaiBücker, A. 20. Jahrestag der Gründung desVFCI in Halle. PRESSEMITTEILUNG DES VER -EINES DER FÜHRUNGSKRÄFTE IN DER CHEMIE.

2. JuniPieplow, S. Wirkstoffe gegen Krebs aus Mi -kro al gen. PRESSEMITTEILUNG.

Erschienen im Netz u.a. bei:www.aerzte-ludwigshafen.dewww.ahano.de/gesundheitwww.alzheimer360.comwww.apotheken-in-trier.dewww.biomitteldeutschland.dewww.bionity.comwww.deutsche-apotheker-zeitung.dewww.deutsche-botanische-gesellschaft.dewww.doccheck.comwww.finanzen100.dewww.innovations-report.dewww.jarocco.dewww.life-science-nord.netwww.medizinauskunft.dewww.premiumpresse.dewww.pressetext.dewww.proplanta.dewww.uni-online.dewww.wallstreet-online.de

www.wehking-pr.dewww.zukunftsprojekte.net

7. JuniKnoop, S. Substanzen in Algen können Krebs zel -len töten. Arzt am Abend Juni 2010, S. 5.

10. Juni Bücker, A. Die Wende als Chance. VAA MagazinJuni 2010, S. 22-23.

Pieplow, S. Chemische Evolution im Zeitraffer.VAA Magazin Juni 2010, S. 25.

16. JuniKlabuhn, J. Extrakte aus Algen sollen Krebszellenbekämpfen. Mitteldeutsche Zeitung, S. 30.

24. JuniPerschke, D. Wirkstofflieferant gegen Krebszellenwird erforscht. Investitions- und Marketing ge sel l -schaft Sachsen-Anhalt, www.img-sachsen-anhalt.de

15. JuliHeckmann, C. Pflanzen unter Stress: Nutz -pflanzenforscher treffen sich in Halle.PRES SE MITTEILUNG DER MARTIN-LUTHER-UNI -VER SI TÄT.

20. JuliPieplow, S. Bewegte Stadt am Leibniz-In -sti tut für Pflanzenbiochemie. PRESSE MIT TEI -LUNG.

Erschienen im Netz u.a. bei:www.bernhard-boehnisch.dewww.halle.dewww.mittelstand-sachsen-anhalt.dewww.mz-web.dewww.naumburger-tageblatt.dewww.pflaster-info-agentur.dewww.shop.uni-halle.dewww.wifoe.halle.de

26. JuliPieplow, S. Festliche Verabschiedung desGe schäftsführenden Direktors. PRESSEMIT -TEI LUNG.

Erschienen im Netz u.a. bei:www.juraforum.dewww.pressrelations.dewww.uni-online.dewww.uni-protokolle.de

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27. JuliFärber, D. Dem alten Halle mal richtig Beine ge -macht. Mitteldeutsche Zeitung, S. 11.

28. JuliKlabuhn, J. IPB-Direktor geht in den Ruhestand.Mitteldeutsche Zeitung, S. 22.

31. JuliScheidender Chef spielt Saxophon. MitteldeutscheZeitung, S. 12.

25. AugustPieplow, S. Zertifizierte Familien freund -lich keit am Leibniz-Institut für Pflanzen -bio chemie. PRESSEMITTEILUNG.

Erschienen im Netz u.a. bei:www.uni-online.dewww.uni-protokolle.de

26. AugustZertifikat bescheinigt Familienfreundlichkeit.Mitteldeutsche Zeitung, S. 10.

27. AugustPieplow, S. Chemiker führt jetzt das Leib -niz-Institut für Pflanzenbiochemie. PRESSE -MIT TEI LUNG.

Erschienen im Netz u.a. bei:www.biomitteldeutschland.dewww.bionity.comwww.chemie.dewww.deutsche-botanische-gesellschaft.dewww.uni-protokolle.dewww.wifoe.halle.de

8. SeptemberKrause, I. Neuer Chef am Leibniz-Institut. Mit tel -deutsche Zeitung, S. 8.

18. SeptemberKrause, I. Boxer Gustav ist wieder fit. Mittel deut -sche Zeitung, S. 19

23. SeptemberMan muss nur wollen. Mitteldeutsche Zeitung, S.10.

28. SeptemberNippard, C. East German Scientists faced Op por -tu nities and Disappointment during Reu ni fi ca -tion. Ein Beitrag für die Deutsche Welle, www.dw-world.de mit Fotos vom IPB-Vorgän -gerinstitut IBP.

3. OktoberNaturstoffe gegen Krebs. Leibniz Journal 3/2010,S. 26.

18. OktoberPieplow, S. Neuer Abteilunsgleiter amLeibniz-Institut für Pflanzenbiochemie.PRESSEMIT TEI LUNG.

Erschienen im Netz u.a. bei:www.agrar-aktuell.dewww.juraforum.dewww.kernenergiedebatte.de

www.proplanta.dewww.uni-protokolle.de

20. OktoberDeutsch, M. Franzose wird neuer Abteilungs lei -ter. Mitteldeutsche Zeitung, S. 8.

15. DezemberMehr Teilnehmer bei Jugend forscht. Mitteldeut -sche Zeitung., S. 2.

FERNSEHBEITRÄGE 201010. FebruarStiafny, B. Neue Wirkstoffe gegen Kraut- undKnollenfäule. Halle tv, Halle aktuell, ab 18:00 zujeder vollen Stunde.

20. FebruarWiemeier, T. Neuer Wirkstoff gegen Kartof fel fäu -le. Mitteldeutscher Rundfunk, mdr Sachsen-An -halt heute, 19:00 Uhr und mdr aktuell, 19:30Uhr.

22. SeptemberPilze – die heimlichen Herrscher der Welt. ZDF,Abenteuer Wissen, 22:15-22:45 Uhr.

WEITERE DRUCKERZEUGNISSE 2010März 20102 Poster zum Tag der Berufe

Mai 2010 2 Poster für den Parlamentarischen Abend

Juli 2010Fotomappe zur Verabschiedung von ProfessorStrack

Oktober 2010Fotomappe zur Verabschiedung von Dr. JürgenSteudte

Dezember 2010- Pressespiegel 2009 - 2010- IPB Newsletter, 1/2010

MEDIENPRÄSENZ UND DRUCKERZEUGNISSE 2010

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ANFAHRT UND IMPRESSUM

HERAUSGEBER: Leibniz-Institut für PflanzenbiochemieWeinberg 306120 Hallewww.ipb-halle.de

REDAKTION, SATZ Sylvia Pieplow& LAYOUT Presse- und Öffentlichkeitsarbeit

Tel.: (0345) 5582 1110Fax: (0345) 5582 1119E-Mail: spieplow@ipb-halle.de

GRAFIKEN & FOTOS: Tom Fechner (Umschlagseite), Christine Kaufmann, Annett Kohlberg, Bettina Hause, Sylvia Pieplow und andere

Copyright © September 2011. Alle Rechte vorbehalten. Diese Publikation sowie Teile der-selben sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung in anderen als den gesetzlich zuge-lassenen Fällen ist ohne vorherige schriftliche Zustimmung des Herausgebers nicht zulässig.Alle An gaben von Daten und Literaturangaben in diesem Bericht beziehen sich, soweit nichtausdrücklich anders erwähnt, auf die Jahre 2009 und 2010.