Zum zweiten Mal seitdem Bananen in großem Maßstab angebaut werden, ist die Banane durch einen Pilzpathogen namens Fusarium odoratissimum vom Aussterben bedroht. Phenylphenalenone (PP) bieten eine vielversprechende doppelte Schutzstrategie, indem sie einerseits als Leitverbindungen für die Synthese wirksamer Pflanzenschutzmittel fungieren undandererseits natürliche Abwehrmechanismen für Bananenarten vermitteln. Das Projekt wird unbekannte Schritte in der Biosynthese von Pflanzen aufklären, um den Grundstein für die Züchtung von natürlich resistenten Bananensorten zu legen. Dafür wird ein multidisziplinärer Ansatz gewählt, der chemische und biologische Prozesse nutzt: Das Projekt untersucht wichtige Teile der Interaktion von Bananen mit dem Pilz Fusarium odoratissimum Tropical Race 4 (TR4). Der Anbau von zwei verschiedenen Bananensorten mit unterschiedlichem Resistenzgrad und die TR4-Inokulation der beiden Bananensorten ermöglicht die Bestimmung der phytochemischen Profile und der Verteilung von Cu und S, auf zellulärer Ebene. Der Ort, an dem diese Prozesse stattfinden, wird durch eine Kombination aus Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) sowie verschiedenen Massenspektrometrie- (MS) und Mikroskopietechniken bestimmt. Eine hochauflösende Transkriptomkartierung der Musa-TR4-Interaktion mit dem Fluoreszenzreporter Fusarium TR4 wird durchgeführt, um räumlich aufgelöste Genexpressionskarten zu erstellen. Eine Einzelmolekül-Fluoreszenz-In-situ- Hybridisierung (smFISH) wird durchgeführt, um die räumlich-zeitliche Genexpression ausgewählter PP/ML-Biosynthesegene (Polyphenoloxidasen (PPOs)) in Querschnitten zu bestätigen. Die grundlegende Grundlage unseres Projekts sind hypothetische detaillierte mechanistische Betrachtungen der Reaktionssequenzen der Biosynthese von Phenylphenalenonen (PPs) und Musellarinen (MLs) sowie eine Bewertung der signifikanten genetischen Informationen des Musa-Genoms und der Musa-Transkriptome. Dies ermöglicht insbesondere die Zuordnung unserer wichtigsten Forschungsenzyme, der PPOs. Untersucht werden die Bildung von o-Dihydroxyverbindungen und o-Chinonen, die anschließenden Ringschlussreaktionen und die enzymatisch katalysierte Bildung aromatischer Systeme. PPOs sind unsere wichtigsten Forschungsenzymkandidaten für diese Reaktionsschritte. PPOs sollen molekularbiologisch aufbereitet unddurchbiochemische und Röntgenkristallstrukturanalyse charakterisiert werden. Abschließend sollen mögliche antimykotische Wirkungen von PPs und MLs und ihren Cu-Komplexen in Bioassays untersucht werden.

Förderstelle: FWF - Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung

Projektnummer: I 6939

Laufzeit: 01.06.2024 – 31.05.2027

Kontakt: Associate Prof. Dipl.-Ing. Dr.in techn. Heidi Halbwirth

Catecholamine sind eine Klasse kleiner chemischer Moleküle. Unter ihnen finden sich wichtige tierische Neurotransmitter und Hormone, wie zum Beispiel Dopamin, Norepinephrin (Noradrenalin) und Epinephrin (Adrenalin). Die Produktion und Funktion von Catecholaminen ist bei Tieren gut untersucht, aber sie kommen auch in Pflanzen vor, und hier weiß man sehr wenig über sie. Sie dienen wahrscheinlich als Abwehrstoffe, indem sie andere Pflanzen oder Fressfeinde schädigen, und sie schützen womöglich gegen negative Umwelteinflüsse, wie zum Beispiel Trockenheit. Es wird auch vermutet, dass sie den Kohlenstoffstoffwechsel der Pflanze beeinflussen, ähnlich der Rolle, die Dopamin im Insulinhaushalt von Tieren spielt. Insgesamt hat man aber sehr wenige gesicherte Kenntnisse über die Funktion von Catecholaminen in Pflanzen. Aus evolutionärer Sicht stellen sich ebenfalls viele Fragen, da Catecholamine höchstwahrscheinlich bei Tieren und Pflanzen unabhängig von einander entstanden sind, und innerhalb des Pflanzenreichs ebenfalls mehrere evolutionäre Ursprünge naheliegen. Gibt es also verschiedene Methoden, um Catecholamine zu produzieren? Sind in unterschiedlichen Organismen ähnliche Enzyme und Gene an der Herstellung von Catecholaminen beteiligt? Haben Catecholamine ähnliche Funktionen in Unterschiedlichen Lebewesen? Da wir nicht wissen, wie Catecholamine in Pflanzen hergestellt werden, können wir über ihre Funktion und Evolution derzeit nur spekulieren. Dieses Projekt zielt deswegen darauf ab die Biosynthese von Catelochaminen in Pflanzen zu beschreiben.
Zu diesem Zweck wird die Produktion von Catelochaminen in drei Pflanzen beschrieben werden, die wenigstens zwei unabhängige evolutionäre Ursprünge repräsentieren: Beta vulgaris (Rote Rüben), Mucuna pruriens (Juckbohne) und Vicia faba (Ackerbohne). Die experimentellen Ansätze, die dazu benutzt werden sollen, beinhalten modernste Sequenzierungsmethoden in Verbindung mit der Messung von Catecholaminkonzentrationen in verschiedenen Pflanzengeweben. Solche Enzyme, die unter Verdacht stehen an der Produktion von Catecholaminen beteiligt zu sein, werden dann biochemisch auf ihre Funktionsweise getestet werden. In transgenen Pflanzen, in denen diese Enzyme abgeschaltet werden, wird dann ihre Rolle im lebendigen Organismus untersucht werden. Diejenigen Enzyme, für die eine Rolle in der Herstellung von Catecholaminen nachgewiesen werden kann, werden dann zwischen den Arten verglichen werden, um ihre evolutionären Beziehungen zu verstehen.
Dieses Projekt stellt die erste Beschreibung der Biosynthese von Catecholaminen in Pflanzen dar. Die zwischenartlichen Vergleiche, die diese Arbeit liefern wird, werden als Basis dienen, um die Evolution von Catecholaminen zwischen verschiedenen Pflanzen und zwischen Pflanzen und Tieren besser zu verstehen. Die genetischen Ressourcen, die im Zuge dieser Arbeit entstehen werden, werden eine unverzichtbare Grundlage für weitere Forschung an diesen faszinierenden Molekülen sein.

Förderstelle: FWF - Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung

Projektnummer: ESP 122 ESPRIT-Programm

Laufzeit: 01.02.2023 – 01.01.2026

Kontakt: PhD Hester Sheehan

Die Dihydroflavonol 4-Reduktase (DFR) ist ein Schlüsselenzym in der Flavonoid-Biosynthese in Pflanzen und katalysiert die Bildung der Vorstufen der Anthocyan-Farbstoffe. Die natürlichen Substrate für die DFR sind Dihydrokämpferol, Dihydroquercetin und Dihydromyricetin, welche sich durch eine unterschiedliche Anzahl an Hydroxylgruppen (OH-Gruppen) im sogenannten B-Ring ihrer chemischen Struktur unterscheiden. Die Substratspezifität der DFRs kann variieren, wobei manche DFRs alle drei Substrate gleichermaßen akzeptieren, während andere eine hohe Spezifität für bestimmte Substrate aufweisen. Da die Anzahl an OH-Gruppen in den Substraten die Farbe der Anthozyane bestimmt, ist die Substratspezifität der DFR ein entscheidender Faktor bei der Ausprägung von unterschiedlichen Blüten- oder Fruchtfarben. Die Substratspezifität wird durch geringfügige Unterschiede in der Aminosäuresequenz im Bereich der Substratbindungsstelle – und damit leicht veränderten Struktur – des Enzyms bestimmt. Obwohl zur Substratspezifität der DFR bereits zahlreiche Studien verfügbar sind, gibt es bislang kein systematisches Verständnis, wie genau diese Spezifität auf molekularer Ebene der Aminosäuresequenz festgelegt ist. Ziel ist es, die Beziehung zwischen Struktur und Funktion der DFR in Bezug auf ihre Spezifität zu den drei Substraten herzustellen.

Im Projekt werden verschiedene DFRs aus Pflanzen in Bakterienkulturen hergestellt und mit Enzymtests auf ihre Substratspezifität untersucht. Die Ergebnisse werden in Beziehung zu den jeweiligen Aminosäuresequenzen im Bereich der Substratbindungsstelle gesetzt. Insbesondere die DFR aus der Weinrebe ist dabei von Bedeutung, da hiervon die Kristallstruktur des Enzyms bekannt ist. Dies ermöglicht die komplementäre Kombination von „in silico“-Techniken (theoretische Enzym-Modellierung mittels spezieller Software) mit experimentellen Daten der Enzymtests. So können Auswirkungen auf Änderungen in der Aminosäuresequenz vorausgesagt und experimentell überprüft werden, sowie umgekehrt aufgrund der Aminosäuresequenzen die entsprechende Substratspezifität im Modell abgeleitet werden. Unterstützt wird dies durch die Erzeugung von Punktmutationen im Enzym, wo gezielt einzelne oder mehrere Aminosäuren im Bereich der Substratbindungsstelle ausgetauscht und die Auswirkung auf die Substratspezifität bestimmt werden. Letztendlich soll es möglich sein, die Substratspezifität auf Basis der Aminosäuresequenzinformation vorherzusagen. Das genau Verständnis der Substratspezifität auf Ebene der Aminosäuresequenz trägt wesentlich zur gezielten Züchtung von Pflanzen mit neuen Blüten- und Fruchtfarben bei. Des Weiteren befasst sich das Projekt mit der Evaluierung verschiedener DFR-Enzymtests um robuste und vergleichbare Ergebnisse innerhalb der Forschungscommunity zu ermöglichen.

Förderstelle: FWF - Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung und ANR - Agence Nationale de la Recherche

Projektnummer: I 6151

Laufzeit: 01.05.2023 – 31.10.2026

Kontakt: Senior Scientist Dipl.-Ing. Dr.rer.nat. Christian Haselmair-Gosch

Ein starkes und dauerhaftes Trainingsnetzwerk für Innovationen in der Lebensmittel- und Saftindustrie: ein 4D-Ansatz für die Fruchtsaftindustrie.

HiStabJuice ist ein europäisches intersektorales und interdisziplinäres Netzwerk, das Forschungstraining für 11 ESRs (Early Stage Researchers) anbietet, das für die gesamte Lebensmittelindustrie weltweit relevant ist. Das Europäische Trainings-Netzwerk (ETN) wurde von der International Fruit and Vegetable Juice Association (IFU) initiiert und kombiniert die wissenschaftliche Expertise von 5 Universitäten und 2 Forschungseinrichtungen mit der technologischen Erfahrung von 10 Industriepartnern aus 7 EU-Ländern. Dieses ETN zeichnet sich durch die außergewöhnlich hohe industrielle Beteiligung aus, das die praxisnahe Ausbildung und die Problemlösung mit außergewöhnlichen analytischen und technologischen Fähigkeiten gewährleistet, kombiniert mit der Ausbildung in übertragbaren Schlüsselqualifikationen für die Beschäftigung im öffentlichen und privaten Sektor. Die ESRs werden gemeinsam an der Bewertung verschiedener Faktoren arbeiten, die die Farbstabilität in Fruchtsäften beeinflussen, wobei der Schwerpunkt auf Rohstoffen und Konservierungstechniken sowie den damit verbundenen Auswirkungen liegt, die sich nachteilig auf die gesundheitlichen Vorteile der Endprodukte auswirken. Zu den wegweisenden Aspekten gehören die erste empirische Analyse des Beitrags von thermostabilen Enzymen zu Farbstabilität und Nährwert, Fruchtsorte, Reife, Erntezeit, traditionelle und moderne Konservierungstechniken (Pasteurisierung, Gefrieren, gepulstes elektrisches Feld, ohmsches Erhitzen, Hochdruckverarbeitung), die in einem 4D-Ansatz ausgewertet werden (Mikroben, Enzyme, Nährstoffe und chemisch-physikalische Parameter). Nach Abschluss der Aktion werden die ESRs ein universelles, empirisches System etabliert haben, um zu entscheiden, welche Obstsorten zu welchem ​​Zeitpunkt, in welchem ​​Stadium des Reifeprozesses geerntet werden und welche Konservierungsmethode die beste Farb- und Nährstoffstabilität bietet. Im Einklang mit der strategischen Priorität „Open Science“ von Horizon2020 wird dieses Wissen frei zugänglich sein. Dies hat das Potenzial, die Fruchtsaftindustrie zu revolutionieren und wird die europäische Industrie für die kommenden Jahrzehnte stärken. Die Teilnahme der IFU garantiert eine bestmögliche Kommunikation zwischen dem ETN und Interessenvertretern der Industrie in der gesamten EU.

Förderstelle: Europäische Kommission, Horizon2020

Projektnummer: ITN-ETN-956257

Laufzeit: 01.11.2020 – 28.02.2025

Kontakt: Associate Prof. Dipl.-Ing. Dr.in techn. Heidi Halbwirth

Training in molekularer Präzisionszüchtung für gartenbauliche Kulturen unter Verwendung des altbewährten Modells der Blütenfarbe.

Das COLORnamental-Team besteht aus einer erfahrenen Person (EP) im Bereich des Gartenbaus beziehungsweise molekularen Pflanzenzüchtung und dem zukünftigen Betreuungsteam, das heißt einer akademischen Stelle in Österreich, einem assoziierten Partner aus der kommerziellen Gartenbauindustrie in Deutschland und einem akademischen assoziierten Partner in Deutschland, der Gastgeber für eine sechsmonatige Entsendung ist. Gemeinsam haben sie ein innovatives und anspruchsvolles Forschungsprojekt definiert, das eine ausgewogene Mischung aus Forschung an der Schnittstelle von Grundlagen- und angewandter Forschung bietet und gleichzeitig vielversprechende Möglichkeiten im nicht-akademischen Bereich und wissenschaftliche Hotspots in der Pflanzenforschung adressiert. Ein innovativer Züchtungsansatz wird die Blütenfarbe als etabliertes Modell nutzen, um zum ersten Mal die Verwendung von MAD7-Nukleasen in der Zierpflanzenzüchtung und die Protoplastentransformation zur Modifizierung der Hochblattfarbe des Weihnachtssterns zu implementieren. Der Genome-Editing-Ansatz befasst sich mit der Substratspezifität der Dihydrolflavonol-4-Reduktase (DFR) in Hinblick auf die Akkumulation von orangefarbenen Pelargonidin-basierten Pigmenten. Flavonoide, einschließlich der farbigen Anthocyane, sind die wichtigsten sekundären Metaboliten und tragen zu einer breiten Palette physiologischer Funktionen in Pflanzen und Menschen bei, letzteres, wenn sie mit pflanzlicher Nahrung verzehrt werden. Dies macht sie zu einem attraktiven Thema für Industrie und Wissenschaft in vielen Forschungsbereichen. Der Flavonoid-Biosyntheseweg diente schon immer als wichtiges Modell, um grundlegende wissenschaftliche Erkenntnisse über Enzyme, die Genregulation in Pflanzen und eine Vielzahl evolutionärer Prozesse zu gewinnen. Auf diese Weise kann die EP ihr Fachwissen erweitern und ihren Gastgebern selbst eine neue Perspektive vermitteln. Ein maßgeschneiderter Trainingsplan, bestehend aus wissenschaftlichen Schlüsselqualifikationen für die Beschäftigung im öffentlichen und privaten Sektor (Forschungsmanagement, Präsentation und Sprachkenntnisse), wurde entwickelt, um die EP zu befähigen, ihre wissenschaftliche Karriere voranzutreiben.

Förderstelle: Europäische Kommission, Horizon Europe

Projektnummer: 101065228

Laufzeit: 01.04.2023 – 30.09.2025

Kontakt: Associate Prof. Dipl.-Ing. Dr.in techn. Heidi Halbwirth