Scientific Report

Institutstagung in Wittenberg, März 2014

2013-2014

Leibniz Institute of Plant Biochemistry

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Department of Cell and Metabolic Biology 62Professor Alain Tissier

Glandular Trichome and Isoprenoid Biosynthesis 64Alain Tissier

Carotenoid Metabolism & Mycorrhiza 66Alain Tissier & Michael H. Walter

Jasmonate Function & Mycorrhiza 68Bettina Hause

Phenylpropanoid Metabolism & Protein Biochemistry 70Thomas Vogt

Synthetic Biology 72Sylvestre Marillonnet

Publications and other Activities of the Department of Cell and Metabolic Biology 74

Independent Junior Research GroupsUbiquitination in Immunity 76Marco Trujillo

Protein Recognition and Degradation 78Nico Dissmeyer

Interdepartmental Research GroupProteome Analytics 80Wolfgang Hoehenwarter

Publications and other Activities of the Junior Research Groups 82

Publications of the Interdepartmental Research Group 83

Abteilung Administration und Infrastruktur 84Christiane Cyron

Mitarbeiter der Abteilung Administration und Infrastruktur 2013 / 2014 86Personalübersicht des IPB 2013 / 2014 87Budget 2013 / 2014 88Drittmittel 2013 / 2014 89Nationale und internationale Forschungsverbünde und -netzwerke 90Gastwissenschaftler/innen und Stipendiat(inn)en 94

Presse- und Öffentlichkeitsarbeit 96Sylvia Pieplow

Medienpräsenz, Layout und Internet 99

Impressionen und Impressum 104

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A Word from the Managing Director 4Presentation of the Institute 5Grußwort des Geschäftsführenden Direktors 8Vorstellung des Instituts 9Organigramm 13Leitung und Gremien des Instituts 14

Department of Molecular Signal Processing 16Professor Steffen Abel

Nutrient Sensing 18Steffen Abel

Defense Metabolism 20Selma Gago Zachert & Steffen Abel

Signal Integration 22Luz Irina A. Calderón Villalobos

Auxin Signaling 24Marcel Quint

Publications and other Activities of the Department of Molecular Signal Processing 26

Department of Bioorganic Chemistry 28Professor Ludger Wessjohann

Natural Products 30Norbert Arnold & Jürgen Schmidt

Chemoenzymatics 32Ludger Wessjohann & Wolfgang Brandt

Synthesis 34Ludger Wessjohann & Bernhard Westermann

Spectroscopy 36Andrea Porzel & Jürgen Schmidt

Screening 38Norbert Arnold & Bernhard Westermann

Computational Chemistry 40Wolfgang Brandt & Andrea Porzel

Publications and other Activities of the Department of Bioorganic Chemistry 42

Department of Stress and Developmental Biology 46Professor Dierk Scheel

Molecular Communication in Plant-Pathogen Interactions 48Wolfgang Knogge

Cellular Signaling 50Dierk Scheel & Justin Lee

Induced Pathogen Defense 52Sabine Rosahl & Dierk Scheel

Bioinformatics & Mass Spectrometry 54Steffen Neumann

Metabolite Profiling in Arabidopsis and Crop Plants 56Dierk Scheel

Publications and other Activities of the Department of Stress and Developmental Biology 58

Table of Contents

Dear Reader,"Omics" without end, one is inclined to think. The

comprehensive analysis of genes and transcrip-

tomes now increasingly is followed by studies of pro-

teomes and metabolomes. Recently, publications in

the latter two areas show a much faster growth than

genome analyzes. This might be because the charac-

teristic of an organism - a plant in our case - for

human application ultimately lies in its proteins and

natural products (metabolites). Our institute is in an

excellent position to contribute to these exciting de -

velopments as it was one of the first, already some

fifteen years ago, to examine the secondary metabo-

lome of plants.

This was made possible by the excellent integration

of biological and chemical expertise and the syste-

matic investment in an appropriate infrastructure

and informatics. Analogously, plant proteomics was

added to complete the picture. The results now help

us to understand plant performance and to improve,

for example, the production of active ingredients.

With these activities, our institute was evaluated in

2013 by the Senate of the Leibniz Association and

received the maximum possible extension of basic

funding from federal and state governments.

Thus the preceding and significant rejuvenation of

the institute with two new departments (Molecular

Signal Processing and Cell and Metabolic Biology), a

reorganization of parts of the administration, and the

establishment of two independent junior re search

groups, but above all our academic performance,

have been very positively recognized by our evalua-

tors and peers. Since any past performance only

holds that much value as it contributes to im prove -

ments now and in the future, I am particularly

pleased that our scientific productivity was steadily

improving in 2013 and 2014, despite the time burden

of the evaluation. This is exemplarily documented in

this booklet.

I thank all colleagues and staff of IPB, and the adviso-

ry and trustee board members for their help and en -

couragement, and of course the many alumni,

friends and cooperation partners of the Institute for

their support and trust in us, respectively. The high

quality of our results is based on their commitment!

This is evidenced not only by the positive evaluation

result of the Leibniz Senate, but first and foremost it

is evidenced by our publications and by the excellent

young scientists leaving the institute to pursue their

careers.

This report provides you with the opportunity to

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

not to look at past achievements, but would like to

learn more about our current excitement, do not he -

sitate to contact our researchers.

Scientifically yours,

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Research at the Leibniz Institute ofPlant Biochemistry is focused onplant natural products, like sec-

ondary metabolites and hormones, andon the role these play for plants in re -sponse to the environment. As a leadinginstitution in the field, it is one of the fewthat fully integrate biological and chem-ical expertise and provide the infrastruc-ture required for a comprehensive studyof the interaction and function of small

molecules in, from and on plants. The in -stitute provides an excellent environmentof international rank to its employees andespecially to young scholars and guestscientists from around the world. Thecommitment to basic research is thestarting point for innovative, application-oriented research in the areas of plantand human health and nutrition, andtoward a plant-based bioeconomy. TheIPB participates in national and interna-tional consortia, such as EU-funded pro-jects and networks (ERA, COST), or inBMBF and DFG initiatives. It cofoundedand actively participates in three Leibnizre search alliances and is a leading mem-ber of the ScienceCampus Halle PlantBased Bioeconomy (v.i. and www.science-campus-halle.de), combining eleven insti-tutions with over 2000 researchers of allareas of plant sciences and its applica-tions.

Locally the institute keeps a close rela-tionship with the Martin-Luther Uni ver si -

ty Halle-Wittenberg (MLU) that is particu-larly evident by the joint appointmentsof the department heads of IPB who arealso professors at the university. The mostrelevant cooperation platform betweenthe university and regional Leibniz insti-tutes is the Science Campus Halle PlantBased Bioeconomy. The institute is alsoactive in the German Centre of Inte gra -ted Biodiversity Research (iDiv) Halle-Jena-Leipzig.

History and OrganisationOn 1 January 1958 Prof. Kurt Mothes foun -ded the Centre for Biochemistry of Plantsin Halle (Saale) within the German Aca -demy of Sciences (East-Berlin). After re-unification of Germany, the academy in -stitutes underwent transformation, andthe centre was reinstated as Institute ofPlant Biochemistry (IPB) on 1 January1992. The Leibniz Institute of Plant Bio -chemistry since then is an independentnon-profit research institute funded bythe Federal Government and the State ofSaxony-Anhalt with the legal status of afoundation under public law. The IPB isunder protection and supervision of thegovernment of Saxony-Anhalt. It becamea member of what is now the LeibnizAssociation (http://www.leibniz-gemein-schaft.de/en/home/) that comprises 89research institutes and is one of the fourmajor research organizations in Ger ma -ny. The IPB belongs to Section C - LifeSciences, dedicated to health and biodi-versity research. It participates in three

Leibniz Research Alliances, heading oneof them (Bioactives & Biotechnology).

The bodies of the IPB are the Board ofTrustees (Stiftungsrat), the Scientific Ad -visory Board (Wiss. Beirat), and the IPBBoard of Directors. The Managing Di -rector (CEO) and the Administrative Head(CFO), as part of the Directors Board, formthe Executive Board of the institute. Theboards of directors and trustees can seek

advice on basic scientific issues from theInstitutes Scientific Council (Wissen -schaftlicher Institutsrat, WIR) – consist-ing of the heads of the research groupsand representatives of postdoctoral anddoctoral fellows. A works council supportsand voices employee issues.

The IPB consists of four scientific depart-ments (Stress and Developmental Bio lo -gy, Bioorganic Chemistry, Molecular Sig -nal Processing, and Cell and MetabolicBiology), and three extradepartmentalresearch groups including two inde-pendent junior research groups (Ubi qui -tination in Immunity and Protein Degra -dation), and an administration and infra-structure department. The institute hassome 190 employees with over 100 sci-entists of some 20 different nationalitiesand over 50 PhD students.

Recent developmentsMid 2013 the institute was evaluated byan independent commission of the Leib -

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A Word from the Managing Director Presentation of the Institute

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

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pl i cation and development of moderncell biological methods supports theinterdepartmental work to analyze thedynamics of molecular interactions inthe living organism. The chemical struc-tures of the interacting molecules aremodified by, e.g., genetic engineeringmethods or chemical derivatization. Theeffects of these changes can be moni-tored in appropriate models and investi-gated by screening methods to finallyselect molecules with desired properties(e.g. new drugs, signal compounds, en -zymes). This forms the basis for the de -velopment of new syntheses and selec-tion processes as well as appropriate as -say and analytical procedures, supportedby visualization of the molecular in ter ac -tions via computer modeling.

The close combination of chemical, bio-chemical, molecular and cell biologicalapproaches allows new access to gene

function analysis. Within the overall con-cept of functional genomic analysis,based on transcriptome, proteome, andmetabolome data, genes are identifiedand characterized, which are essentialfor biosynthesis and metabolism of natu-ral products and for plant developmentand adaptation on different environmen-tal conditions. The use of mutants, trans-genic and transiently modified plants al -lows not only the direct analysis of genefunction, but also the production of mo -del plants with altered profiles, novelhealth-related ingredients, and new orimproved adaptation to specific environ-mental conditions. Such plants will bebeneficial for the sustainable productionof valuable substances and biocatalysts,for use as biological test systems and forplant breeding.

Linking the various data obtained fromresearch activities on natural products,

molecular interactions and gene func-tion analyses is only possible by apply-ing information technology (bioinforma -tics, computational chemistry). In partic-ular, the metabolome and proteome ana -lyses and bioactivity screens require thedevelopment of new methods of dataanalysis, processing and linking. The in -stitute has therefore established infor-matics based research groups, fully inte-grated into the departments, which areparticularly committed to this problem.This is, together with the new central da -ta management, a platform that expandsthe interdepartmental research compe-tence. The eventual goal of this ap -proach is the integral linkage and analy-sis of structurally diverse data sets, gen-erated within the different researchareas, towards a better understanding ofthe biological system plant with its spe-cialized metabolites and interactions.

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niz Association, headed by Prof. Alex an -der Steinbüchel. Following its highly po -sitive recommendation, the senate ofthe Leibniz association, and followingthis the states and federal joint scienceconference, granted the IPB the maxi-mum period of future support (7 years).The state and federal ministeries con-clude:

Research at IPB in the upcoming yearswill concentrate on four major topics:

• Analysis, Chemistry and Biological Activity of Natural Products

• Biosynthesis and Biotechnology of Plant Secondary Metabolites

• Signaling Molecules of Plants and their Effects

• Plant Microbe Interactions and Chemical Communication

This development is and will also be re -flected in changes in the researchgroups (RGs), for which the new RGSynthetic Biology (head: Sylvestre Maril -lo net) in the department Cell and Meta -bolic Biology is exemplary, or the call Dr.Marcel Quint of Molecular Signal Pro -cessing re ceived for a professorship atthe MLU. The local integration and fund-ing of our research is strongly based onthe success of the ScienceCampus Plant

Based Bioeconomy, of which the first ba -sic fun ding period ended 2014. Withfresh support from both Leibniz Asso ci a -tion and the state of Saxony-Anhalt alsothe foundation for the upcoming secondre search period (to 2018) could be finan-cially secured.

Apart from financial and strategic con-solidation, it is most of all the scientificoutput of IPB that defines our success.This considerably increased 2013 / 2014despite the time consuming evaluationpreparation. Over 200 articles have beenpublished, almost exclusively in peer-re -viewed international journals, and manyof them of high impact. Details can befound in the reports of the departments.

Research ProfileThe research activities of the institute fo -cus on analyses of natural products (sec-ondary metabolites), molecular interac-tions, and gene functions. These activi-ties are linked with information technol-ogy (bioinformatics, computational chem-istry).

Plants and fungi developed in the courseof evolution an enormous diversity of na -tural products. This diversity is enlargedthrough changes in the patterns of theseproducts during development and adap-tation to environmental conditions. Theknowledge of structure and function ofnatural products is an essential prerequi-site for understanding development andadaptation processes and opens up newresources for use in crop production,crop protection, biotechnology and drugdevelopment. With the progressive real-ization of the profits from plant genomeresearch, this information is of fundamen-tal importance for functional genomeanalysis.

The comprehensive analysis of plant andfungal natural products is one of the keypriorities in the research program of theLeibniz Institute of Plant Biochemistry.

Research on natural products in biologi-cal material is carried out via an interde-partmental network of modern analyticaltechniques. This forms the basis for thediscovery of new natural product struc-tures as well as studies of their biosyn-thesis and biological function. Structureelucidation provides the basis for chemi -cal synthesis and derivatization of natu-ral products and makes an importantcontribution to diversity and to increasesuccessful approaches to discover theirbiological activities. The isolation of bio -synthetic enzymes allows access to thecorresponding genes and thus to studythe regulation of biosynthetic pathwaysand the cellular and organismic organi-zation of its components.

The genetically determined plant devel-opment and its modulation during adap-tation to specific environmental condi-tions rely on receptor-mediated percep-tion of endogenous signals or biotic andabiotic environmental factors. Cellularand systemic signal networks are evalu-ated, adjusted and converted throughgene expression patterns into corre-sponding physiological re actions, usu-ally based on transiently and locally al -tered profiles of natural products. Mo le -cular interactions form the basis of theseexpiring cellular functions. An interdisci-plinary analysis of these interactions istherefore of central importance in theresearch approaches of the institute. Re -ceptor-ligand, enzyme-ligand and pro-tein-protein interactions form the molec-ular basis for these processes and theirapplication in drug research. From thisperspective, mechanisms of interorgan-ismic communication between plantsand pathogens and symbionts are inves-tigated and the organization of biosyn-thetic pathways and signal transductionis analyzed.

Cooperations within the institute includeproteomic, metabolomic, screening andinformatics projects. Moreover, the ap -

“The positive overall assessment of IPB and its

high level development since the last evalua-

tion is highly appreciated by the Fe d eration (of

Ger many) and the State (of Sax ony-Anhalt).

With its unique selling point, the interdisci -

plin ary combination of basic re search in mo lec -

ular plant biology and ap plied bioorganic chem-

istry, it makes important contributions of na-

tio nal and international relevance and with

high science political impact. In the national

strategy to wards a sustainable bioeconomy, the

IPB occupies an important role.”

Liebe Leser,Omics und kein Ende, mag man denken. Den umfas-senden Analysen der Ge ne und Transkriptome1 fol-gen zunehmend Untersuchungen von Pro teom2 undMetabolom3. Veröffentlichungen zu letzteren beidenGebieten nehmen seit einiger Zeit wesentlich schnel-ler zu als Genomanalysen, denn für das, was die Ei -genschaft einer Pflanze für den Menschen letztlichausmacht, sind Proteine und Naturstoffe (Meta bo li -ten) entscheidend. Und da für ist unser Institut ausge-zeichnet aufgestellt; denn bereits seit über fünfzehnJahren untersuchen wir als eines der ersten Institutedas Metabolom von Pflanzen mit Schwerpunkt aufden spezialisierten, analytisch besonders aufwändi-gen Sekundärstoffwechsel. Möglich wurde das durchdie ausgezeichnete Integration von biologischer undchemischer Fachkenntnis am IPB und durch den kon-sequenten Aufbau entsprechender Infrastruktur undInformatik. Analoge Proteomuntersuchungen kom-plettieren das Bild, und die Ergebnisse nutzen wir,um pflanzliche Leistung zu verstehen, zu verbessern,und z.B. zur Herstellung von Wirkstoffen zu nutzen.Mit diesen Aktivitäten wurde unser Institut 2013 vomSenat der Leibniz-Gemeinschaft evaluiert und erhieltdie maximale Verlängerung der gemeinsamen Ba sis -för de rung durch Bund und Land. Damit sind die er -heblichen Veränderungen der Vorjahre wie die Neu -orien tierung von zwei Abteilungen (MSV und SZB)und von Teilen der Verwaltung, sowie die Ein richtungvon zwei unabhängigen Nachwuchs grup pen, allemvoran aber unsere wissenschaftlichen Leistungen

auch von Außenstehenden als sehr erfolgreicher Pro -zess gewürdigt worden. Da alle vergangenen Leistun -gen nur so viel Wert haben, wie sie zu Verbes se run -gen jetzt und in Zukunft beitragen, freut mich beson-ders, dass unsere wissenschaftliche Produktivität,trotz der zeitlichen Belastung durch die Evaluierung,2013 und 2014 stetig verbessert werden konnte. Dasgilt ebenso für das Serviceangebot der AbteilungAdministration und Infrastruktur. Das wird in diesemHeft exemplarisch dokumentiert.

Ich danke allen Kollegen und Mitarbeitern des IPBsowie den Beirats- und Stiftungsratsmitgliedern fürihren Einsatz, und natürlich den vielen Alumni, Freun -den und Kooperationspartnern des Instituts für dieUnterstützung und das Vertrauen in unsere Part ner -schaft. Die hohe Qualität unserer Ergebnisse ba siertauf ihrem Engagement, das Anerkennung nicht nurin einer Weiterförderung durch Bund und Land in derLeibniz-Gemeinschaft erfährt, sondern zuvorderstdurch unsere Publikationen und die am Institut her-vorragend und stark interdisziplinär ausgebildetenNachwuchswissenschaftler.

Ihnen als Leser bietet dieser Bericht die Gelegenheit,mehr über ausgewählte Projekte dieser Mitarbeiterund Kooperationen zu erfahren. Wenn Sie ergänzendzum Rückblick mehr über zukünftige Entwicklungenerfahren möchten, scheuen Sie sich nicht, unsereForscher anzusprechen.

Ihr

1 die wirklich abgelesenen Gene2 die mit den abgelesenen Genen produzierten Eiweiße,

z.B. Enzyme als Biokatalysatoren3 die niedermolekularen chemischen Inhaltsstoffe

(Metaboliten) in einem Organismus, gewöhnlich mit

Hilfe der Enzyme in der Zelle produziert

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Im Mittelpunkt der Forschung am Leib -niz-Institut für Pflanzenbiochemie (IPB)steht die umfassende Analyse pflanz li -

cher und pilzlicher Naturstoffe, insbeson-dere der sekundären Inhalts stof fe undPhyto hor mone, und deren Rolle für dieWech sel wirkung von Pflanzen mit ihrerUmwelt. Das IPB verfolgt dazu eine beson-

ders breit angelegte multidisziplinäreStrategie, wel che chemische, physiologi -sche, zellbiologische, biochemische, mo -lekularbiologische und genetische Me -thoden sowie die zugehörige Informatikumfasst, um so die Analyse, Bedeutungund Anwendung klei ner Moleküle aus, inund an Pflanzen zu erforschen und diemolekularen Inter ak tionen der komplexenbiologischen Pro zesse von Pflanzen untervariierenden Umweltbedingungen zu er -kunden. Dabei nimmt die Grundla gen for -schung eine zentrale Stellung ein. Sie istAusgangspunkt für innovative anwen-dungsorientierte Forschungsprojekte zurpflanzlichen und humanen Gesundheitund Ernährung sowie für pflanzenbasierteProdukte und Prozesse der Bioökonomie.Im Bereich der Pflanzenwissenschaftenzählt das IPB damit zu den führenden In -stituten. Es ist bestrebt, seinen Mitar bei -tern und insbesondere den Nachwuchs-und Gast wis senschaftlern ein exzellentesUmfeld von internationalem Rang zu bie -ten. Das In sti tut engagiert sich daher in

nationalen und internationalen Konsor -tien, z.B. in EU-Pro jekten und Netzwerken(COST, ERA-Net), oder in BMBF-, oder DFG-Initiativen, vor allem aber innerhalb derLeibniz-Gemein schaft durch die aktiveGestaltung des Wissenschafts Cam pusHalle Pflanzenba sierte Bioökonomie sowiein drei Leibniz-Forschungs ver bün den.

Regional pflegt das Institut sehr engeBe ziehungen zur Martin-Luther-Uni ver -sität Halle-Wittenberg. Dies kommt be -sonders durch gemeinsame Berufungender wissenschaftlichen Leitungs po si -tionen zum Ausdruck, wobei die Ab tei -lungsleiter in Personalunion eine Pro -fessur an der Uni versität einnehmen. DasInstitut betreibt engagiert die Förderungdes wissen schaftlichen Nachwuchses,zu dem ne ben den über 60 Doktorandenund Post doktoranden derzeit zwei ei -genständige Nachwuchsgruppen (Ha bi -litanden) zäh len. Das wichtigste Ele mentdieser Zu sammenarbeit ist der Wissen -schafts Cam pus Pflanzenbasierte Bio ö -konomie (www. sciencecampus- halle.de).Ferner ist das IPB einer der in stitu -tionellen Partner im Deutschen Zen trumfür integrative Bio di ver sitäts for schung(iDiv: www.idiv-biodiversity.de), welches2012 nach einem bundesweitemWettbewerb von der DFG dem Ver bundaus Halle-Jena-Leipzig zu ge spro chenwurde.

Historisches und Organisation1958 gründete Kurt Mothes das Institut fürBiochemie der Pflanzen unter dem Dachder Deutschen Akademie der Wissen -schaften zu (Ost-) Berlin. Im Rahmen derUmstrukturierung nach der Wende wurdeam 1. Januar 1992 das Institut für Pflan zen -biochemie (IPB) in Halle (Saale) als ein vom

Bund und vom Land Sachsen-Anhalt fi -nanziertes außeruniversitäres For schungs - institut mit dem juristischen Status einerStiftung des öffentlichen Rechts des Lan -des Sachsen-Anhalt neu gegründet. Seit -dem ist das Institut Mitglied der jetzigenLeibniz-Gemeinschaft (www.leibniz-ge -meinschaft.de) mit ihren 89 wissen -schaftlichen Einrichtungen. Das IPB ge -hört zur Sektion C: Lebens wissen schaf -ten, welche die Kernthemen Gesundheitund Biodiversität abdeckt. Es ist an dreiLeibniz-Forschungsverbünden beteiligt,wovon einer (Wirkstoffe und Biotech no lo -gie) am IPB koordiniert wird.

Die Organe der Stiftung sind der Stif -tungsrat, der Wissenschaftliche Beiratund das Direktorium. Der Geschäfts füh -rende Direktor und die Administrative Lei -terin sind Teil des Direktoriums und bildendie Geschäftsführung des Instituts. DerWissenschaftliche Institutsrat (WIR) – be -stehend aus den Leiterinnen und Leiternder wissenschaftlichen Arbeitsgruppen

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Grußwort des Geschäftsführenden Direktors Vorstellung des Instituts

LeitbildIm Mittelpunkt der Forschung am Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie stehen die chemische Diversität und Bio syn the -se sowie die biologischen Funktionen und Wirkmechanismen von pflanzlichen und pilzlichen Naturstoffen, insbesonde-re von spezialisierten Stoffwechselprodukten und niedermolekularen Signalträgern. Ein Ziel ist es, zu einem möglichstumfassenden Ver ständnis der Anpassungs- und Entwicklungsprozesse zu gelangen, die aus dem dynamischen Wech sel -spiel von Pflanzen mit ih rer Umwelt resultieren. Die dadurch bedingte Umsteuerung pflanzlicher Genexpression und diephänotypischen Verän de run gen werden in interdisziplinären Forschungsansätzen auf den Ebenen des Genoms, des Pro -teoms und insbesondere des Meta boloms untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse eröffnen neue Wege für eine pflan-zenbasierte Bioökonomie. Sie dienen einer Ressourcen-schonenden Pflanzenproduktion, einer innovativen Biotech no -logie und Wirkstoffentwicklung, und damit der Gesundheit und Ernährung von Mensch, Tier und Pflanze.

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und Vertretern der Postdoktoranden undDoktoranden – berät das Direktorium undden Stiftungsrat in grundsätzlichen wis-senschaftlichen Fragen. Der Personalratvertritt die Arbeitnehmer des Institutes.

Das Institut besteht aus vier wissen schaft -lichen Abteilungen: Stress- und Ent wick -lungs biologie (SEB), Natur- und Wirkstoff -chemie (NWC), Molekulare Signal ver ar -beitung (MSV), und Stoffwechsel- undZellbiologie (SZB), sowie abteilungsunab-hängigen Forschungsgruppen, darunterzwei unabhängigen Nachwuchsgruppen(Proteinerkennung und –abbau, und Ubi -quitinierung in der Immunantwort) undder Abteilung Administration und In fra -struktur (AdmIn). Das IPB beschäftigtetwa 190 Angestellte; es sind über 100Wissenschaftler mit etwa 20 Nationa li tä -ten und mehr als 50 Doktoranden in derForschung aktiv.

Aktuelle EntwicklungenMitte 2013 wurde das Institut von der un -abhängigen Evaluierungsgruppe unterder Leitung von Professor AlexanderSteinbüchel bewertet. Die Kommissionund folgend der Senat der Leibniz-Ge -meinschaft haben sowohl die bisherigenLeistungen des Instituts als auch seinestrategische Zukunftsplanung sehr positivbewertet. Daraufhin hat die Ge meinsameWissenschaftskonferenz von Bund undLändern mit Beschluss vom 20.03.2014die gemeinsame Förderung ohne Ein -schrän kung für weitere sieben Jahre (Ma -xi mal zeit) beschlossen. Bund und Landstellen dazu fest:

Die Forschung des IPB wird sich dazu inden nächsten Jahren auf folgende Haupt -themengebiete fokussieren:

• Analytik, Chemie und biologische Wirkung von Naturstoffen

• Biosynthese und Biotechnologie pflanzlicher Sekundärstoffe

• Pflanzliche Signalmoleküle und ihre Wirkung

• Pflanze-Mikroben-Interaktion / Chemische Kommunikation

Dies findet seinen Wiederhall in Änderun-gen der Arbeitsgruppen, stellvertretendsei hier die Einrichtung der neuen AGSynthetische Biologie (Leiter: SylvestreMarillonnet) in der Abteilung SZB ge -nannt. Instrumental ist auch das En ga ge -ment des IPB im Wissenschafts campus.Dessen Basisförderung kann nach demEnde der ersten Förderperiode 2014durch Bewilli gungen im Rahmen desneuen SAS-Verfahrens der Leibniz-Ge -meinschaft und Zusagen des LandesSachsen-Anhalt nahtlos fortgeführt wer-den (zweite Periode bis 2018).

Nach der Etablierung von zwei neuen Ab -teilungen in den Vorjahren, strategischerFokussierung und Abschluss der Evalu ie -rung konnte das IPB seine wissen schaft -liche Leistung 2013 und 2014 weiter stei -gern. Arbeiten des Instituts wurden erst-mals in über 200 wissenschaftlichen Pu -blikationen veröffentlicht, nahezu alle da -von in begutachteten Zeitschriften undBüchern renommierter Verlage, viele da -von in sehr guten und hochrangigen Zeit -schriften. Details finden sich in den Be -richten der Abteilungen. Ferner gab eszwei Habilitationen, und Dr. Marcel Quint,AG-Leiter in der Abteilung MSV erhieltden Ruf auf eine Professur der Martin-Lu -ther-Universität.

ForschungsprofilPflanzen haben sich im Laufe der Evo lu -tion als Konsequenz ihrer sessilen Le bens -weise zu Spezialisten der flexiblen An pas -sung mit hoher Widerstandsfähigkeit ent -wickelt. Die daraus resultierende Arten -vielfalt spiegelt sich in einer enormenchemischen Diversität pflanzlicher Natur -stoffe wider. Die artspezifischen Musterdieser Naturstoffe erhalten eine zusätz li -che Dimension der Komplexität durch dy -namische Veränderungen während der

pflanzlichen Entwicklung und Anpassungan fluktuierende Umwelt- und Stand ort -bedingungen. Neben einer Plastizität ziel-gerichteten Organwachstums reagierenPflanzen auf Umweltveränderungen undlokale Herausforderungen mit einer flexi-blen Umsteuerung ihres zentralen und pe -ripheren Stoffwechsels. Mit Hilfe nieder-molekularer Substanzen werden externeRessourcen maximal erschlossen, Krank -heitserreger und Fraßfeinde abgewehrt,oder es wird mit anderen Organismenchemisch kommuniziert. Pflanzliche An -passungsreaktionen auf veränderte ex ter -ne Bedingungen werden über die Ein bin -dung multipler und hoch-komplexer infor-mationsverarbeitender molekularer Netz -werke reguliert und auf zellulärer und sys-temischer Ebene realisiert. Die Kenntnisvon Struktur, Synthese, Funktion undWirkmechanismen biologisch aktiverStoffwechselprodukte und -intermediateist daher Voraussetzung für ein umfas sen -des Verständnis pflanzlicher Diversität so -wie von wachstums- und entwicklungs-fördernden Adaptationsprozessen. Die serErkenntnisgewinn ermöglicht neue Wegezu einer nachhaltigen Pflanzenproduktionund für innovative Biotechnologie- undWirkstoffentwicklungen als Grundlageneiner pflanzenbasierten Bioökonomie.

Der Forschungsauftrag des Leibniz-In sti -tutes für Pflanzenbiochemie, welcher imZuge des globalen Wandels an gesell -schaftlicher Relevanz gewinnt, wird in ei -ner einzigartigen Konstellation und Bün -delung von chemischen und biologi-schen Kompetenzen in vier wissen schaft -li chen Abteilungen und Nach wuchs grup -pen umgesetzt. Diese wissenschaftlicheExpertise ermöglicht eine enge themati-sche und kooperative Verknüpfung vonNatur- und Wirkstoffchemie, Biochemieund Pflanzenbiologie, die durch gemein-sam etablierte und genutzte technologi-sche Plattformen und Datenbanken unter-stützt wird. So ist die umfassende Ana lysepflanzlicher und pilzlicher Naturstoffe einzentraler Schwerpunkt im Forschungs -konzept des Institutes, an den weitereForschungsschwerpunkte assoziiert sind.Zur umfassenden qualitativen und quanti-tativen Erfassung von Naturstoffen in bio -lo gischen Materialien und zur Aufklärungihrer Struktur werden in einem ab tei -lungsübergreifenden Kompe tenzbe reich

„Die positive Gesamtwürdigung der Weiter ent -

wick lung des IPB auf hohem Niveau seit der

letz ten Evaluierung werden von Bund und Sitz -

land sehr begrüßt. Mit seinem Alleinstellungs -

merk mal, der interdisziplinären Kombination

von grundla genorientierter molekularer Pflan -

zen bio logie und anwendungsorientierter Natur-

und Wirkstoff che mie, leistet es wichtige Beiträ -

ge, die von überregionaler Bedeutung und ho -

her for schungspolitischer Relevanz sind. In der

na tio na len Bio ö ko no miestrategie besetzt das

IPB eine wichtige Rolle.“

Forschungsschwerpunkte - Unser Weg in die Zukunft

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moderne analytische Verfahren ein ge -setzt und neu entwickelt. Dies bildet dieGrundlage zur Untersuchung der biolo gi -schen Funktionen von Naturstoffen undihrer Biosynthese als auch für die Ent -deckung neuer Leitstrukturen. Die Struk -turaufklärung, chemische Synthese undDerivatisierung von Naturstoffen lieferneinen wichtigen Beitrag zur Aufklärung ih -rer biologischen Aktivität, Erweiterung ih -rer strukturellen Diversität und Ent wick -lung von Wirkstoffen. Die Charak te ri sie -rung von Enzymen und regulatorischenProteinen sowie ihren kodierenden Genenermöglicht das Studium der zellulären,gewebespezifischen und systemischenOrganisation von Biosynthesewegen undderen Kontrollebenen und damit derpflanzlichen Produktions- und Spei cher -prozesse. Diese Erkenntnisse sind dieGrundlage der Entwicklung von Bioka ta ly -satoren, die umweltfreundlichere, nach-haltigere Prozesse aber auch den Zugangzu völlig neuen Produkten erlauben. ImUmfeld schwindender Ressourcen sindbiotechnologische und dabei vor allempflanzenbasierte Produktionsprozesseder Schlüssel zu einer wissensbasiertenBioökonomie.

Die genetisch determinierte pflanzlicheEntwicklung und ihre Modulation im Kon -text einer Anpassung an Umwelt- undStandortbedingungen beruhen auf derre zeptorvermittelten Perzeption von abio-tischen und biotischen Parametern undauf der Generierung Stimulus-spezifi -scher endogener Signale. Der Informa -tions ge halt chemischer Signal träger wirdüber zelluläre und systemische Netzwerkein terpretiert und mittels veränderter Gen -ex pressionsmuster in die entsprechen-den physiologischen Anpassungs reak tio -nen gezielt umgewandelt, die in der Regelauf transient und lokal verändertenProfilen von spezifischen Stoffwechsel -produkten basieren. Für diese Prozessebilden viel fäl tige molekulare Interaktionendie Grund lage. Ihre interdisziplinäreAnalyse ist des halb von zentraler Bedeu -tung für das For schungskonzept desInstitutes. Die In ter aktionen von Proteinenmit niedermolekularen Liganden oderzwischen Makro mo lekülen sowie kovalen -te Modifikationen von Proteinen und Nu -

kleinsäuren bilden funktionale Module fürdiese molekularen Prozesse als auchgeeignete Inter ven tionsziele für die ange-wandte Wirk stoff forschung. Unter diesenAspekten werden die Mechanismen derchemischen Kommunikation untersucht,insbesonde re von Pflanzen mit pilzlichenSymbionten oder Phytopathogenen, so -wie die Or ga ni sation von Signal trans duk -tions-, Biosyn these-, Transport- und Ab -bauwegen. Da bei kommen umfassendeTranskriptom-, Proteom- und Metabolom-Analysen zum Einsatz, die zunehmendgewebe- und zellspezifische Profilän de -rungen quantifi zie ren und katalogisieren.Darüber hinaus erlaubt die Anwendungund Entwicklung moderner zellbiologi -scher Methoden im Rahmen abteilungs -übergreifender technologischer Platt for -men und Koope ratio nen die Analyse derDynamik molekularer Interaktionen im le -benden Organismus. Die chemischeStruktur miteinander in Wechselwirkungtretender Moleküle wird durch gentech-nische Verfahren, gerich te te Evolutionund chemische Deriva tisie rung modi-fiziert, so dass die Effekte der Ver än de -rung an geeigneten Modellen oder inScreeningverfahren untersucht werdenkönnen und schließlich Moleküle mit dengewünschten Eigenschaften (z.B. Wirk -stoffe, Signalträger, Enzyme) selektiertwerden. Die Grundlage dafür bildet dieEntwicklung neuer Synthese- und Se lek -tionsprozesse sowie geeigneter Assay-und Analyseverfahren, die durch die Vi su -alisierung molekularer Wechselwirkungenmittels Computational Modeling unter-stützt werden.

Die enge Kombination naturstoffchemi-scher, biochemischer, molekularbiologi -scher, genetischer und zellbiologischerForschungsansätze ermöglicht eine funk-tionsbasierte Genidentifizierung sowieneue experimentelle Zugänge zur Gen -funktionsanalyse. Genetische Ansätze inModell- und Nutzpflanzen, wie z.B. Mu ta -genese, Analyse der natürlichen Va ria bi li -tät oder Methoden der chemischen Ge ne -tik, beschleunigen die Identifizierung un -bekannter Gene und informativer Allelemit essentiellen als auch quantitativ ab ge -stuften Funktionen im pflanzlichen Stoff -wechsel. Im Gesamtkonzept folgen Trans -

kriptom-, Proteom- und Metabolom-Ana -ly sen zur funktionellen Charakterisierungvon Genen, die im Rahmen des Stoff -wechsels von Naturprodukten eine ent -scheidende Rolle für die pflanzliche Ent -wicklung und Anpassung spielen. Durchdie zunehmende Zahl sequenzierterpflanzlicher Genome und Transkriptomegewinnen systembiologische Ansätze fürdie Analyse metabolischer und regulato ri -scher Netzwerke an Bedeutung.

Die Speicherung, Auswertung und Ver -knüpfung der in den Forschungs schwer -punkten - Naturstoffe und deren Bio tech -no logie, Signalmoleküle und molekulareund organismische Interaktionen - gene-rierten enormen Datenmengen ist nur mit-tels einer integrierten Bio- und Che mo in -formatik möglich. Insbesondere die Meta -bolom- und Proteomanalysen er for dernneue Methoden zur Metaboliten i denti fi ka -tion, der Datenauswertung und –verarbei -tung und die Verknüpfung mit den um -fang reichen Datensätzen der Se quenz-und Expressions- und Wirk pro fil analysen.Die Informatik ermöglicht die Entschlüsse -lung von Zusammenhängen als auch dieVor hersage von Eigen schaf ten aus in ihrerStruktur zum Teil völlig un terschiedlichenDatensätzen und damit ein besseres Ver -ständnis des biologischen Systems Pflan -ze. Auf der reduktionistischen Erkenntnis -ebene bilden detaillierte biochemischeUntersuchungen der Gen produkte, Struk -tur-Funktions-Analysen sowie molekulareInteraktionsstudien die Voraussetzung fürein umfassendes mo le ku lares Verständnisder Gen-, Protein- und Metaboli tenfunk tio -nen und somit für eine gezielte Wirk stoff -forschung. Der Einsatz von spezifischenAllelen, relevanten Mu tan ten und transge-nen Pflanzen er mög licht nicht nur die bio -logische Analyse der Genfunktion, son-dern auch die Erzeu gung von Modell pflan -zen mit veränder tem Natur stoff pro fil, neu -en gesundheits relevanten Inhalts stof fenoder verbesserter Anpassung an be -stimmte Standorte und Umwelt si tu a tio -nen. Solche experimentellen Pflanzen sindals biologische Testsysteme für die Züch -tung res sour cen schonender Nutz pflanzenunver zichtbar und für die nachhaltige Pro -duk tion wert voller Naturstoffe und Bio ka ta -ly satoren von hoher Anwendungsrelevanz.

Institutsvorstellung und Organigramm

MolecularSignal Processing

Prof. Steffen Abel

Bioorganic Chemistry

Prof. Ludger Wessjohann

Stress andDevelopmental Biology

Prof. Dierk Scheel

Cell and Metabolic Biology

Prof. Alain Tissier

Independent Research Groups

Natural ProductsNorbert Arnold & Jürgen Schmidt

ChemoenzymaticsLudger Wessjohann & Wolfgang Brandt

Molecular Commu ni- cation in Plant-PathogenInteractionsWolfgang Knogge

Carotenoid Metabolism& MycorrhizaMichael H. Walter & Alain Tissier

Ubiquitination in ImmunityMarco Trujillo

Protein Recognition and DegradationNico Dissmeyer

Proteome AnalyticsWolfgang Hoehenwarter

Glandular Trichome andIsoprenoid BiosynthesisAlain Tissier

Jasmonate Function & MycorrhizaBettina Hause

PhenylpropanoidMetabolism & Protein BiochemistryThomas Vogt

Synthetic BiologySylvestre Marillonnet

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

Nutrient SensingSteffen Abel

Defense MetabolismSelma Gago Zachert &Steffen Abel

Signal Integration Luz Irina Calderón Villalobos

ScreeningNorbert Arnold & Bernhard Westermann

ComputationalChemistryWolfgang Brandt & Andrea Porzel

Foundation Council

Ministerialrat Thomas Reitmann Senior Superior Counsellor

Dr. Henk van LiemptSuperior Counsellor

Scientific Advisory Board

Prof.Tina RomeisChairwoman

Prof. Norbert SewaldVice-ChairmanBoard of Directors

Prof. Ludger WessjohannManaging Director

Christiane CyronHead of Administration

Prof. Steffen Abel

Prof. Dierk Scheel

Prof. Alain Tissier

Public Relations

Sylvia PieplowPersonal Assistant to the Managing Director

Auxin SignalingMarcel Quint

Administration and Infrastructure

Christiane Cyron

Funding and Cooperation

Dr. Daniela Geisler

Human ResourcesFinance and AccountingPurchasingInformation and Documentation

Chemical StoreTechnical Equipment and IT SupportGardening ServicesBuildings and Facility Management

Stand: 07. 10. 2014

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Wissenschaftlicher Beirat 2013 - 2014Prof. Sabine FlitschVorsitzende des Wissenschaftlichen Beirats (bis Dezember 2013)Manchester Interdisciplinary Biocentre (MIB)

Prof. Andreas SchallerStellvertretender Vorsitzender (bis Dezember 2013)Universität Hohenheim

Prof. Tina RomeisVorsitzende des Wissenschaftlichen Beirats (ab Januar 2014)Freie Universität Berlin

Prof. Norbert SewaldStellvertretender Vorsitzender (ab Januar 2014)Universität Bielefeld

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

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

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

Prof. Bernhard HauerUniversität Stuttgart

Prof. Thisbe LindhorstUniversität Kiel

Prof. Rainer Metternich (bis Dezember 2013)Small Molecule Research (SMR), Basel, Scjweiz

Prof. Michael MetzlaffBayer AG, Leverkusen

Prof. Martin ParniskeUniversität München (LMU)

Prof. Dorothea ThollVirginia Tech, Blacksburg, USA

Prof. Nicolaus von WirénLeibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK), Gatersleben

Geschäftsleitung und DirektoriumProf. Ludger WessjohannGeschäftsführender DirektorLeiter der Abteilung Natur- und Wirkstoffchemie

Christiane CyronAdministrative LeiterinLeiterin der Abteilung Administration und Infrastruktur

Prof. Steffen AbelLeiter der Abteilung Molekulare Signalverarbeitung

Prof. Dierk ScheelLeiter der Abteilung Stress- und Entwicklungsbiologie

Prof. Alain TissierLeiter der Abteilung Stoffwechsel- und Zellbiologie

Stiftungsrat Ministerialrat Thomas ReitmannVorsitzender des StiftungsratsMinisterium für Wissenschaft und Wirtschaft des Landes Sachsen-Anhalt

Dr. Henk van LiemptStellvertretender Vorsitzender, Vertreter des BundesBundesministerium für Bildung und Forschung

Gisela LiepeltMinisterium für Wissenschaft und Wirtschaft des Landes Sachsen-Anhalt

Prof. Birgit DrägerProrektorin für Struktur und Finanzen der Martin-Luther-Universität Halle-WittenbergVertreterin des Rektors

Prof. Sabine FlitschVorsitzende des Wissenschaftlichen Beirats (bis Dezember 2013)

Prof. Andreas SchallerStellvertretender Vorsitzender des Wissenschaftlichen Beirats (bis Dezember 2013)

Prof. Tina RomeisVorsitzende des Wissenschaftlichen Beirats

Prof. Norbert SewaldStellvertretender Vorsitzender des Wissenschaftlichen Beirats

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Leitung und Gremien des Instituts

Das übergreifende Forschungs the ma unserer Abteilungbesteht da rin, zu ergründen, wie Pflanzen auf veränderteUmweltbedingungen reagie ren und sich optimal anpas -

sen. Diese The matik ist von hohem Interesse für die Grund la gen -forschung sowie die ange wand ten Pflanzen wis sen schaften. AlsKon sequenz ihrer Sessilität haben Pflan zen sich zu Spezialistender Anpassung und Widerstandsfähigkeit entwickelt. So rea -gieren diese auf lokale Veränderungen mit gerichtetem Wachs -tum, um günstigere Areale zu erreichen oder unvorteilhafte Be -dingungen zu meiden. Darüber hinaus reagieren Pflan zen miteiner profunden Anpassung ihres Stoffwechsels, um che mischeffizienter zu kommunizieren und sich wirksamer gegen Fraß -feinde oder Krankheitserreger zu schützen. Pflanzli che Re ak tio -nen auf die Umwelt werden oft über die Einbindung hormonalerMo dule der Signaltransduktion gesteuert und auf zellulärer undorganismischer Ebene realisiert. Das Haupt in te resse der Ab tei -lung besteht in der prinzipiellen Fra gestellung, wie Pflanzenabio tische und biotische Parameter wahrnehmen, den In for ma -tionsgehalt dieser interpretieren und über bioche mi sche Sig nal -wege pro zessieren, um adäquat auf Um welt ver än derungen mitspezifischer Anpassung ihres Stoffwechsels sowie Wachs tums -ver haltens reagieren zu können. Dieses Ziel wurde während dervergangenen zwei Jahre in vier Arbeitsgruppen und assoziiertenProjektgruppen interaktiv verfolgt. Besondere Schwerpunktebildeten Unter suchungen zu Mechanismen der Perzep tion vonabiotischen Faktoren, wie z.B. Nährstoff ver füg bar keit oder Er hö -hung der Umgebungstemperatur, zur Orga ni sation und Regula -tion des Abwehr stoff wechsels, sowie zur Signalintegration in derpflanzlichen Hormonwirkung. Che mi sche Wechselwirkungenzwischen Wur zelsystem und Rhizo sphä re bildeten ei nen weite -ren Fokus.

Die AG Nährstoffperzeption untersuchte, wie die biologischeVerfügbarkeit von Nähr stoffen, insbesondere von Phosphat undEisen, die Wurzelentwicklung lokal über die Zellteilung und -dif-ferenzierung in den Meristemen sowie über die Aus scheidungvon niedermolekularen Ex su daten in die Rhizosphäre beinflusst(Pro jektgruppen Phosphat Sensing und Me tabolit Profiling). DieProjektgruppe Cal cium Sensing bearbeitete eine neue Klas secalmodulin-regulierter Proteine, die an Mikrotubuli binden undals sogenannte Plattform-Proteine zelluläre Transport pro zessesteuern und verschiedene Sig nal wege integrieren.

Die AG Abwehrstoffwechsel widmete sich der Biosynthese vonAbwehr meta bo liten (Glukosinolate) und deren Regulation in Ara -bidopsis. Hierbei haben sich die Ar beiten auf die Charak te ri -sierung von UGT74 Glukosyltransferasen und die Iden tifizierungvon regulatorischen Genen des Glukosinolatbiosynthesewegeskonzentriert. Seit dem Weggang von Dr. Grubb im Herbst 2013,sind Forschungsarbeiten zur Regulation der Genexpression, ins-

besondere von Multigenfamilien, durch sogenannte natural anti-sense long non-coding RNAs (NAT-lncRNAs) in den Mittelpunktdieser AG gerückt (Projektgruppe RNA Biology).

Schwerpunkt der AG Signalintegration bildeten die Mecha nis -men der Perzeption kleiner Signalmoleküle über ternäre Li gand-Korezeptor-Komplexe. Die Bildung solcher Komplexe wird überunterschied liche Signalwege gesteuert und führt zur kontrollier -ten, ubiquitinabhängigen Proteolyse spezifischer Ziel pro tei ne,die oft als Regulatoren der Genexpression fungieren. Aus gangs -punkt für diese Ar beiten sind Struktur-Funktions-Analysen des F-Box-Protein (TIR1/AFB)-Auxin-AUX/IAA-Korezep torsystems, wel -ches die Au xin-abhängige Genexpression über den Ab bau vonAUX/IAA-Repressoren reguliert.

Die AG Auxin-Signaltransduktion verfolgte zwei Forschungs -richtungen. Gene ti sche Arbeiten über Auxin-regulierte Sig -nalnetzwerke der vergangenen Jahre wur den um Studien erwei-tert, welche die mo lekularen Anpassungsmechanismen von Mo -dell- und Nutzpflanzen an moderat er höhte Umge bungs tem pe -ra turen untersuchen (Projektgruppe Temperatur Sen sing). Wei -tere Arbeiten in einem zweiten Schwerpunkt haben umfas sendeDaten sätze aus phylogenetischen Studien und globalen Gen ex -pressionanalysen kombiniert, um in einem Phylotrans crip to mics-Ansatz komplexe molekulare Ent wicklungsprozesse, wie z. B. dieEm bry o genese, aus einer Evolutionsperspektive zu be schrei ben(Projektgruppe Phylo transcriptomics).

Höhepunkte der Abteilung MSV (2013-2014): Marcel Quint(Auxin-Signaltransduktion) wurde Ende 2014 zum Universitäts-Professor (W3) an die Martin-Luther-Universität Hal le-Wittenbergberufen. Katharina Bür sten binder (Calcium Sensing) wurde mitei nem Projekt in die letzte vierjährige För de rungsphase des SFB648 aufgenommen. Selma Gago Zachert (Abwehr stoff wech sel)wur de als neue Projektleiterin in den GRK 1594 aufgenommen.Luz Irina Cal de rón Villalobos wurde für das Young Lea ders inScience Mentoring-Program der Schering Foundation ausge -wählt. Carolin Delker und Selma Gago Zachert hatten sich er folg -reich für das Leibniz-Mentoring-Program für junge Wissen schaft -le rin nen beworben.

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The unifying theme of our department is to understand howplants perceive and respond to environmental change, atopic of heightened importance for basic and translational

plant research. Plants evolved to masters of resilience as a con -se quence of their sessile lifestyle and implement unique adap-tive strategies for survival. They respond to local challenge oropportunity with directional growth for stress evasion or habitatexploration, and with the synthesis of bioactive chemicals forcommunication and self-defense. An array of chemical media-tors and their processing networks govern post-embryonic plantdevelopment and fine-tune plant growth and metabolism as in -formed by local cues. Weare interested in exploringhow plants monitor andpercei ve external para me -ters, transmit and in te -grate information abouttheir surroundings, anddeploy ap propriate meta -bo lic and developmentalresponses to shif ting abi-otic conditions and co-evolving biotic stressorsfor optimal growth. Du ringthe past two years, we pur-sued this common goal infour research groups andassociated project groups.Ma jor directions of re -search comprised threeintegrated program areas:(i) per cep tion of environ-mental parameters such as nutrient availability or temperaturedifferentials; (ii) reprogramming of metabolism in response tobiotic challenge; and (iii) signal integration during the perceptionof small molecules, with an emphasis on plant-rhizosphere inter-actions.

The Nutrient Sensing group investigated how bioavailabilities ofimmobile nutrients, in particular phosphate and iron, inform rootdevelopment via altered root meristem activity and modify che m -ical interactions in the rhizosphere via root exudates (projectgroups on phosphate sensing and metabolite profiling). The as -sociated project group on calcium sensing studied a novel classof calmodulin-regulated and microtubule-associated proteins thatfunction as scaffolds in cellular signaling and trafficking.

Activities of the research group Defense Metabolism centeredon the biosynthesis and regulation of defense compounds (glu -co sinolates) in Arabidopsis. Research activities focused on the

cha racterization of UGT74 glucosyltransferases and on the iden-tification of regulatory genes of the glucosinolate pathway. Sin cethe departure of Dr. Grubb in fall 2013, research on RNA-media-ted control of gene expression, in particular of multigene fami-lies, by natural antisense long non-coding RNAs (project groupon RNA biology) has become a major thrust of this working group.

The Signal Integration group studied the mechanisms of howsmall molecules are perceived via the assembly of ternary ligandco-receptor complexes. Such complexes integrate multiple sig -na ling inputs and subsequently control ubiquitin-mediated de -

gradation of select targetproteins, which often arekey regulators of primarygene expression. The stu -dy of structure-function re -lationships of F-Box pro-tein (TIR1/AFB):au xin:AUX/IAA co-re cep tor complexeshas been used as a para-digm and starting pointfor this line of investiga-tion.

Research interests of theAuxin Signaling grouppursued two lines of inves-tigation. Recent work onau xin-regulated signalingpathways has gi ven way tothe exploration of howplants sense and adapt to

small ambient temperature changes (project group on tempera-ture sensing). As a second research focus, the establishment ofphylotranscriptomic approaches in Arabidop sis has successfullybeen employed to understand complex molecular processes inan evolutionary context, such as plant embryogenesis and othermajor transitions during plant development (project group onphylotranscriptomics).

Departmental Highlights (2013-2014): In fall 2014, Marcel Quint(Auxin Signaling) was offered the position University Professor(W3) at the Martin Luther University Halle-Wittenberg. KatharinaBürstenbinder (Calcium Sensing) joined the SFB 648 during its fi -nal funding cycle. Selma Gago Zachert (Defense Metabolism) joi nedthe GRK 1594 as a full member. Luz Irina Calderón Villalobos (Sig -nal Integration) was elected into the Young Leaders in Scien ceManagement Program (Schering Foundation). Carolin Delker andSelma Gago Zachert were admitted into the Leibniz-Men to r ingProgram.

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Department of Molecular Signal ProcessingHead: Professor Steffen AbelSecretary: Alexandra Herrmann

Abteilung Molekulare SignalverarbeitungLeiter: Professor Steffen AbelSekretariat: Alexandra Herrmann

movement of the SHORT-ROOT (SHR)transcription factor. Thus, antagonistic in -teractions of Pi and Fe availability adjustprimary root growth rate via meristem-specific callose deposition, which is likelytriggered by LPR1-dependent ROS forma-tion and redox signaling (Fig. 2).

Metabolite ProfilingWithin the collaborative network Chemi -cal Communication in the Rhizosphere,we developed several targeted and untar-geted profiling methods for polar andapolar metabolites using GC-MS and LC-MS to monitor changes in the chemicalcomposition of root exudates and roots.We observed profound genotype depen -d ent chemical alterations in exudate androot composition upon Pi deprivation.These changes primarily affect couma - ri nes, which might be involved in cell spe-cific Fe accumulation as these com-pounds play important roles in controlling

Fe availability. The analysis of endoge-nous and exuded organic acids also sug-gests their contribution to cell specific Fedeposition after Pi deprivation.

Calcium SensingCalcium is a general second messengerin plants. Generation of stimulus-depen-dent Ca2+ signatures, decoding of the en -crypted information by Ca2+ sensors suchas calmodulin (CaM), and specific cellularresponses are integral signal transductionmodules. We previously identified a novelclass of 33 CaM-binding proteins in Ara bi -dopsis, which are characterized by aplant-specific domain of multiple CaM re -cruitment motifs, called IQ67 domain(IQD). A detailed analysis of the foundingmember, IQD1, which we identified in ascreen for altered glucosinolate accumu-lation, confirmed IQ67-dependent CaMinteraction and revealed subcellular loca-lization to the cell nucleus (including nu -cleolus) and cytoskeleton (microtubules).A yeast two-hybrid screen identified ki ne -sin light chain-related 1 (KLCR1) as an in -teractor, which we confirmed in planta byIQD1-dependent recruitment to microtu -

bules. Our extensive reverse genetic ana -lysis of the entire IQD gene family sug-gests roles for the control of plant deve-lopment and stress responses. We furthershowed that CaM binding and, with a fewexceptions, microtubule association aswell as nuclear targeting are general pro -perties of IQD proteins. Likewise, mem-bers of distinct phylogenetic clades of theArabidopsis IQD family interact withKLCR1 and other KLCRs. The prospect ari -ses that IQD proteins provide an assort-ment of microtubule-associated scaffoldsthat integrate signaling pathways (Ca2+-dependent CaM binding, multiple phos-phorylation events) to regulate transportof specific cargo along microtubule tracksvia kinesin motor proteins. Because IQD1interacts with nucleic acids, IQD proteinsmay further facilitate subcellular RNA lo -calization as one mechanism to controlgene expression (Fig. 3).

Die physikochemischen Eigenschaften von Phosphat (Pi) schränken dessen biologische Verfügbarkeit für Pflanzen imBoden erheblich ein. Pflanzen reagieren auf Pi-Mangel mit einer Umprogrammierung des Stoffwechsels und Anpas -sung der Wurzelsystemarchitektur, um Pi-Ressourcen effizienter zu nutzen und zu erschliessen. Wir identifizierten

erste molekulare Komponenten eines Pi-abhängigen Signalweges in Arabidopsis, der die Aktivität von Wurzelmeristemen andie lokale Pi-Verfügbarkeit anpasst. Ein wichtiges Modul in diesem Prozess bilden eine ER-lokalisierte P5-ATPase und sekre-tierte Ferroxidase. Diese regulieren die interzelluläre Kommunikation durch Plasmodesmata in der Stammzellnische derWurzel über eine Pi- und Fe-abhängige, zellspezifische Bildung von Callose und somit das Wurzelwachstum. Weitere gene-tische und biochemische Arbeiten widmeten sich der funktionellen Charakterisierung von calmodulin-bindenden Platt form -Proteinen, die mit dem Zytoskelett (Mikrotubuli) assoziiert sind.

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Our group pursues two directions of re -search. First, we wish to understand howinteractions of two immobile mineral nu -trients, phosphate and iron, inform rootdevelopment via adjusting root meristemactivity and chemically modify the rhizo-s phere via altered root exudation. A se-cond focus investigates the functions of anovel class of proteins that link intracellu-lar calcium sensing to microtubule-asso-ciated processes.

Phosphate SensingInorganic phosphate (Pi) constitutes amajor nexus in metabolism, and its avail-ability directly impacts bioenergetics andplant performance. Pi immobility and re -sultant Pi limitation are caused by com-plex soil chemistries involving Fe and othertransition metals. To cope with low Pi avail-ability, plants activate a set of adaptiveresponses that reprioritize internal Pi allo-cation and maximize external Pi acquisi-tion. Such countermeasures include re -programming of metabolism to maintainPi homeostasis and redesigning of rootsystem architecture to accelerate soil ex -ploration. When challenged by low Pi,plants attenuate primary root extension,promote lateral root development, andstimulate root hair formation, which arethought to maximize Pi interception intopsoil (Fig. 1). We and others showed thatexternal Pi status is sensed at root tips tolocally adjust root growth. While the phy-siological and biochemical responses toPi limitation are well understood, the sen-

sory mechanisms monitoring external Piand interpreting the environmental signalin Pi rescue efforts remain to be explored.

We have taken genetic approaches in Ara -bidopsis to dissect Pi sensing and identi-fied a set of Pi-DEFICIENCY RESPONSEgenes (PDR1-PDR4), which we character -i zed together with two LOW-Pi-ROOT ge nes(LPR1, LPR2) previously isolated by ourcollaborators (T. Desnos / L. Nus sau me).We showed that PDR2 and LPR1 are key

players in local Pi sensing and functionallyinteract to adjust root meristem mainte-nance to Pi availability. While PDR2 en -codes the single orphan P5-type ATP ase,we demonstrated that LPR1 encodes acell wall-targeted ferroxidase. The PDR2-LPR1 module mediates cell-specific Fe de -p osition in cell walls of the apical root me -ristem. Fe accumulation coincides withsites of callose deposition, which interfe reswith symplastic communication in thestem cell niche, as indicated by impaired

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Nutrient SensingHead: Steffen Abel

Laura BertermannResearch Assistant

Katharina BürstenbinderPostdoctoral Scientist

Ranju ChutiaPhD Student & Scholarship Holder

Kristin EismannTechnician

Marcus HeistersPhD Student

Anshu KhatriMaster Student

Stefanie KümmelBachelor Student

Pratibha KumariPhD Student

Dipannita MitraPhD Student & Scholarship Holder

Jens MüllerPostdoctoral Scientist

Birgit OrtelTechnician

Sophie PerthelMaster Student

Paul PflugPhD Student

Romina PlötnerBachelor & Master Student

Jakob QuegwerMaster & PhD Student

Anne RehkampBachelor Student

Ahmed RomelPhD Student

Gina StammTechnician

Janine TellerMaster Student

Domenika ThiemeTechnician

Theresa ToevPhD Student

Annika WieghausMaster Student

Jörg ZieglerPostdoctoral Scientist

Group Members

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

Fig. 2: Model of local Pi sensing inthe Arabidopsis root meristem. ThePDR2-LPR1 module regulates Pi- andFe-dependent ROS formation andcallose deposition in the stem cellniche, which impacts symplasticcommunication (e.g., SHR move-ment).

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

CollaboratorsHenrik BuschmannUniversity of Osnabrück, Germany

Thierry Desnos, Laurent NussaumeCEA Cadarache, France

Geert De JaegerVIB-University of Ghent, Belgium

Christiane Gatz, Volker LipkaUniversity of Göttingen, Germany

Gerd HauseUniversity of Halle, Germany

Katie L. MooreUniversity of Oxford

tent and composition (gcc). A screen of T-DNA activation-tagged lines led to theidentification of IQD1 (see page 19). Re -cently, we identified the GCC8 locus,which is a major modifier of glucosinolateaccumulation because gcc8 loss-of-func-tion alleles reduces total glucosinolatecontent to less than 15% of wild type levels.

RNA BiologyWe are interested in the role of natural an -tisense, long (>200 nt) non-coding RNAs(NAT-lncRNAs) in gene expression control.The production of complementary RNAsduring the transcription of opposite ge nesproduces dsRNA, which induces the si -lencing machinery and production ofsmall RNAs. Such nat-siRNAs derivedfrom overlapping regions of protein-cod -ing transcripts are involved in salt-stressresponse, defense against bacteria, hor-mone regulation and plant reproduction.We identified several NAT-lncRNA encod-ing genes that overlap with members ofArabidopsis multigene families, includingthe Family 1 UGTs, the IQD family of cal -modulin-binding proteins (see page 19),and the families of Auxin Response Fac -tors (ARFs) and AUX/IAA proteins. Giventhe sequence conservation among familymembers, NAT-lncRNAs may regulate notonly the expression of overlapping genes(primary targets) but also the expressionof closely related genes (secondary tar-gets). Additionally, NAT-lncRNAs may con-trol gene expression by direct interactionwith factors involved in chromatin modifi-cation and epigenetic silencing.

We initiated studies to address the role ofNAT-lncRNAs in planta and performedtransient expression assays in tobaccoleaves. As expected, co-expression ofNAT-lncRNA constructs and target genesencoding GFP-tagged proteins inducesdown-regulation of the primary targets,

which we also observed for highly similarsecondary target genes (Fig. 2). To obtaininformation about the cellular processesthat are regulated by NAT-lncRNAs, weestablished stable Arabidopsis lines tostudy the phenotypic effects of 35S::NAT-lncRNA overexpression or NAT-lncRNAdown-regulation by artificial micro RNAs(amiRNAs) that specifically target the se -lected NAT-lncRNA. To obtain informationabout spatio-temporal expression pat-terns, we generated transgenic Ara bi dop -sis lines harbouring NAT-lncRNA promot-er::GUS reporter constructs and com-pared patterns of NAT-lncRNA expressionwith the expression of potential primaryand secondary target genes.

We are collaborating with the group ofProf. Sven-Eric Behrens (University of Hal -le) to investigate the mechanisms of NAT-lncRNA mediated regulation of gene ex -pression. We are using the recently estab-lished experimental system of cytoplas-

mic extracts of evacuolated tobacco BY2protoplasts. We expect to identify Dicerand AGO proteins involved in dsRNA pro-cessing and RISC-mediated cleavage oftarget RNAs, respectively. Additionally,this system will allow us to identify siRNAthat mediate efficient target down-regula-tion. Our findings will be validated in vivousing available silencing mutants of A.thaliana.

Die Forschungsgruppe Abwehrstoffwechsel befasste sich mit zwei Themenkomplexen. Wir haben erfogreich unsereArbeiten zur Glukosinolatbiosynthese und dessen Regulation fortgesetzt. Hierbei fokussierten wir uns auf den vor-letzten Schritt des Biosyntheseweges, der durch Glukosyltransferasen katalysiert wird. Das kinetische Verhalten des

von uns identifizierten Enyzms UGT74B1 wurde über Struktur-Funktions-Analysen detailliert untersucht. Des weiteren habenwir eine zweite Glukosyltransferase in der Glukosinolatbiosynthese, UGT74C1, identifiziert und eingehend analysiert. Ein ge -netischer Ansatz führte zur molekularen Identifizierung des GCC8-Locus, der für die allgemeine Glukosinolatakkumulationbedeutend ist. Das zweite Hauptprojekt untersucht die Rolle von sogennanten natural antisense long non-coding RNAs fürdie Regulation der Genexpression ausgewählter Multigenfamilien. Erste Ergebnisse wurden für verschiedene Mitglieder derFamily 1 UGT Glukosyltransferasen erzielt.

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Two directions of research are at the cen -ter of our group. First, we have a long-standing interest in glucosinolate meta-bolism and its control. Second, inspiredby the identification of genes encodingna tural antisense long non-coding RNAs,which overlap with genes involved in glu-cosinolate biosynthesis and its regulation,we initiated research to explore the role ofregulatory RNAs in gene expression.

Glucosinolate MetabolismGlucosinolates are a small class of aminoacid-derived secondary metabolites (>100compounds) with a central role in the de -fense of cruciferous plants against pestsand pathogens, including the model plantArabidopsis thaliana. We continued sev- eral lines of investigation to expand ourwork on glucosinolate biosynthesis andits regulation. We previously demon- strated that glucosyltransferase UGT74B1is the major enzyme catalyzing the penul-timate step in glucosinolate biosynthesis.Structure-function analysis of recombi-nant mutant UGT74B1 variants revealed ageneral kinetic mechanism by which thisenzyme escapes product inhibition, whichis observed both in vitro and in vivo.

Because ugt74b1 loss-of-function lines ac -cumulate significant quantities of both in -dolylic and aliphatic glucosinolates (~50%),we conducted a nearly comprehensive invitro activity screen of recombinant Ara bi -dopsis Family 1 UGTs, which implicatedother members of the UGT74 clade ascandidate glucosyltransferases in glucosi-nolate synthesis. Systematic genetic andbiochemical analysis of this clade re -vealed that UGT74C1 plays a special rolein the aliphatic branch of glucosinolate

synthesis, which therefore points a role ofyet additional UGTs in the pathway. Inte -restingly, loss of UGT74B1 and UGT74C1causes seedling lethality, presumably dueto auxin overproduction and/or accumu-

lation of toxic intermediates (Fig. 1).

We previously conducted several forwardgenetic screens to isolate Arabidopsismutants with altered glucosinolate con-

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Defense MetabolismHeads: Selma Gago Zachert & Steffen Abel

Katja Baumann-KaschigTechnician

Tebbe de VriesBachelor Student

Kristin EismannTechnician

Michael André FritzMaster Student

Susanne HöpfnerPhD Student & Scholarship Holder

Shiv Kumar MeenaPhD Student & Scholarship Holder

Kalidoss RamamoorthyPhD Student

Claudia SchrammGuest Scientist

Melvin Schubert Bachelor & Master Student

Mathias SchuppeMaster Student

Katja SeidelMaster Student

Group Members

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

Fig. 2: NAT-lncRNAs and nat-siRNAs regulate gene expression in transient expression assays (to -bacco leaves). (a) Expression of N-terminal GFP-tagged UGT73C6. The construct of the primarytarget was co-expressed with an unrelated sequence (λ DNA sequence, left) or with the NAT-lncRNA (NAT1-UGT73C6, right). (b) Expression of N-terminal YFP-tagged UGT73C5. The con-struct of the secondary target was co-expressed with an unrelated sequence (λ DNA sequence,left) or with the NAT-lncRNA (NAT1-UGT73C6, right). (c) Expression of N-terminal GFP-taggedUGT74E2. The construct expressing the secondary target was co-expressed with the primarytarget construct (35S::UGT74D1) together with an unrelated sequence (λ DNA sequence, left) orwith the NAT-lncRNA (NAT-UGT74D1, right). Down-regulation is visualized as a decreased GFPsignal.

CollaboratorsJosé M. AlonsoNorth Carolina StateUniversity, USA

Sven Behrens, Milton StubbsUniversity of Halle, Germany

Christian BreuerUniversity of Cologne,Germany

Paula DuqueGulbenkian Institute ofScience, Portugal

Ricardo Flores PedauyéPolytechnic University ofValencia, Spain

John M. McDowellVirginia Polytechnic Instituteand State University, USA

M. Soledade C. PedrasUniversity of Saskatchewan,Canada

Our general research plan is designed tocharacterize small molecule perceptionthrough protein stability mechanisms,and, in the long term, to uncover roles forsmall molecule interactions in specificplant responses and developmentalevents. To evaluate the mechanisms ofFBP-target systems, we are deepeningour biochemical studies of the auxin re -ceptor. Specifically, we are combiningproteomics with biophysics, protein bio-chemistry together with structure-func-tion analyses to elucidate the dynamics ofreceptor assembly and ubiquitination oftargets. Thus, we have recently identifiedkey features in the degradation targetsthat modulate the sensing properties ofthe hormone co-receptors. By re con sti -tu t ing SCF-dependent ubiquitination oftargets, we are also integrating in for ma -tion on protein-small molecule bin ding,complex formation dynamics and turn -over of targets to rebuild the initial steps ofthe auxin signaling cascade. Fur ther more,as phosphoinositides have been shown toconstitute FBPs structural co factors, weare addressing their role on degron re cog -nition and hormone sensing.

With our research on small molecule co-receptors in plant biology, we envisionmoving from a reductionist approach toestablishing a platform for a systematicanalysis of how intracellular signals areperceived and processed by the ubiquitinproteasome system. Thereby, we have ex -tended our international and local co o pe -ration network, and we are part of the Eu -ropean COST Proteostasis Ini tia tive. Ad di -tionally, we collaborate success fully withthe proteomics platform, and chemicaland physics groups at the IPB and MLU to

address small molecule–mediated ubiqui-tylation.

Dr. Luz Irina A. Calderón Villalobos is a fel-low of the Young Leaders in Science,Management Program from the ErnstSchering Foundation, Germany (2014/2015).

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

In eukaryotischen Zellen wird das abzubauende Zielprotein selektiv mit einer Polyubiquitinkette für den proteasomalen Abbau mar-kiert. Den E3-Ligasen vom SCF-Typ verleiht das F-Box-Protein (FBP) durch direkte Interaktion mit dem Zielprotein Spezifität. DieMehrzahl der etwa 700 FBPs in Arabidopsis ist noch nicht funktionell charakterisiert. Zudem kodieren etwa 5% des Arabi dop sis-Genoms Komponenten des Ubiquitin-Proteasom-Systems (UPS), wobei Mutationen in Elementen des UPS die pflanzliche Ent wick -lung beeinträchtigen. Unsere Forschung konzentriert sich darauf, sowohl die Kontrollmechanismen der Protein sta bilität, als auchFBP-Protein-Interaktionen und Interaktionen von FBP mit niedermolekularen Liganden und ihren Interaktions netzwerken zu unter-suchen, um schließlich ihre Rolle in physiologischen Prozessen und in der pflanzlichen Entwicklung zu verstehen.

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The Signal Integration Group is interestedin the mechanism of small molecule per-ception in plants that depends on signal-mediated interactions follo wed by ubiq-uitin-mediated protein de gradation.

An ultimate cellular switching on/off me -chanism comprises the irreversible ubi q -ui tin-mediated proteolysis of proteins,which guides numerous unidirectionallyprocesses, such as hormone signaling,cell cycle or circadian rhythm. An E1-E2-E3 enzymatic cascade, mediates the for-mation of ubiquitin chains covalently at- ta ched to targets for degradation. Ubi qui -tin chains of four or more moieties, linkedthrough either Lys48 or Lys11 of ubiquitin,direct protein targets to the proteasome,in which degradation of ubiquitylatedproteins takes place. Multiple monoubi-quitins and other, non-Lys-linked ubiquitinchains have also been implicated in pro-tein degradation, and the study of alterna-tive degradation signals is a rapidly ad -vancing field. It is estimated that >80% ofcellular proteins undergo ubiquitin-medi-ated proteolysis, and the specific selec-tion of targets by E3 ubiquitin ligases inresponse to specific stimuli is a crucialfactor in cell regulation. Modular E3s fromthe Cullin-RING ligase (CRL) type, specifi-cally SCFs, carry an interchangeable F-Box protein (FBP) subunit that preciselyand directly interacts with the target forde gradation. Although SCF complexes

are subject to specific and global regula-tion, their critical tuning occurs at thelevel of target recruitment.

Auxin is a morphogen in plants, and au xinperception and signaling are ab so lu telydependent on ubiquitin-mediated prote-olysis. TIR1/AFBs F-Box Proteins ca talyzethe turnover of AUX/IAAs in re sponse toauxin. AUX/IAAs carry an au xin-interac t -ing degron domain, and di rectly represstranscription factors such that auxin-de -pendent degradation of AUX/IAAs allowstranscriptional activation of auxin respon-sive genes. Ground breaking findingsaround the mechanism for TIR1-AUX/IAAinteraction constitute the basis for theSignal Integration Group. We revealedthat TIR1/AFB1-5 and their targets for de -gradation, AUX/IAAs, form an auxin co-re -

ceptor system. Since they belong to mul -ti-protein families, distinct TIR1/AFB-AUX/IAA co-receptor pairs can form vari-ous auxin sensors differentially perceptiveto auxin. An inositol phosphate (InsP6)molecule was inte restingly also identifiednear the TIR1-au xin-AUX/IAA interface ap -pa rently contri buting as cofactor for pro -per hormone perception.

An FBP-target module for perception ofsmall molecules has a tremendous im -pact on our understanding of how tomodulate protein-protein interactions.The fact that FBPs can respond to signalsto recruit targets, specifically through acombination of degrons and non-peptidehormones or small molecules is fascinat-ing and its potential has yet to be fullyrealized.

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Signal IntegrationHead: Luz Irina A. Calderón Villalobos

Gideon ChristBachelor Student

Dinesh Dhurvas ChandrasekaranPhD Student & Scholarship Holder

Samuel GrimmBachelor Student

Antje HellmuthPhD Student

Esmeralda Martí SanchisResearch Assistant

Annabel Josephine WankaStudent Assistant

Verona WildeTechnician

Martin WinklerMaster Student

Group Members

Fig. 1: A smallmolecule enhan-cing protein-pro-tein interactionsfor subsequent ubi-quitylation anddegradation of tar-gets.

A. Auxin bindingpocket zoom indepicts the emptygroove duringbasal interactionsof the FBP TIR1 andthe degron of itstarget for degrada-tion AUX/IAA.

B. Auxin acts asmolecular glue fil-ling the gap be-tween TIR1 and thedegron of targets.

C. Model for auxinco-receptor forma-tion and targetpoly-ubiquitylationand degradation.

A

B

C

CollaboratorsJochen Balbach, Ingo Heilmann, Milton StubbsUniversity of Halle, Germany

Mark EstelleUniversity of California, USA

Jürgen Kleine-VehnUniversity of Natural Resources and LifeSciences, Vienna, Austria

Jennifer Nemhauser, Ningh ZhengUniversity of Washington, USA

Stéphanie RobertUmeå University, Sweden

Matias ZurbriggenUniversity of Freiburg, Germany

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

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

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

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

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

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

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

Tan X., et al. (2007) Nature 446, 640-645.

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

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transcriptomics and phylogenetics, forplant genomes. We are now able to usewhole genome transcriptional informa-tion to address evolutionary questions.As a proof-of-concept, we applied thisapproach to a transcriptional series thatcovers A. thaliana embryogenesis fromthe zygote to the mature embryo a fewyears ago. We found that, from an evolu-tionary perspective, the transcriptomesof early and late embryonic stages aredominated by ancient genes, whereastranscriptomes in mid-embryogenesiswere rather young. Surprisingly, thisphylotranscriptomic profile resemblesan hourglass pattern, reminiscent of thedevelopmental hourglass (Fig. 3). Thisclassic concept from the animal worldhad previously not been observed in the

plant kingdom. We are currently trying tounderstand whether phylotranscriptomichourglass patterns are functional and ac -tively maintained in extant spe cies orwhether they represent a nonfunctional

evolutionary relic. Further more, investiga-tion of phylotranscriptomic patterns inplant post-embryonic development indi-cates significant differences bet weenplant and animal hourglass patterns.

Wir interessieren uns zum einen generell für pflanzliche Entwicklungsbiologie und Signalwege, die pflanzlichesWachstum regulieren, und zum anderen für die molekulare Evolution solcher Entwicklungsprozesse. Im Fokus ste-hen dabei insbesondere genetische Ansätze zur Aufklärung des Signalweges mit dem Pflanzen Temperaturstimuli

in Wachstumsprozesse umsetzen. Nach einigen Jahren zur Etablierung dieser Forschungsrichtung haben wir 2014 dembereits bekannten Signalweg ein großes Modul hinzufügen können, was auf die koordinierte Nutzung identischer Signal module von Licht und Temperatur schliessen lässt. Neben solchen funktionell biologischen Projekten interessierenwir uns außerdem für das evolutionäre Entstehen solcher Entwicklungsprozesse. Durch die Kombination von Trans - krip tom analysen und Phylogenetik sind wir in der Lage, Genexpressionsanalysen für evolutionäre Fragestellungen zu ver-wenden. Mit diesem Ansatz versuchen wir, die Evolution des Sanduhrmodells der Embryogenese in Tieren und Pflanzen bes-ser zu verstehen.

Our group has two general areas ofinterest: Plant growth and developmentand molecular evolution. The currentprojects address either one of these as -pects separately or try to combine de ve -lopment and evolution using Evo-Devoapproaches.

In terms of plant growth and develop-ment, our research interest has shifted inrecent years from auxin signaling to am -bient temperature signaling (Fig. 1). Wi th -in the context of globally increasingambient temperatures, it is imperative toimprove our understanding of the basicprocesses plants employ to react andadapt to environmental perturbations.Consistent with the term photomorpho-genesis, thermomorphogenesis des cri besthe effect of ambient temperature onplant morphogenesis. Hypocotyl elonga-tion and increased leaf epinasty areamong the earliest thermomorphogenicchanges in response to elevated temper-atures. Physiologically, these coordinatedresponses likely enhance evaporative leafcooling and thus enable plants to adapt towarmth. On the cellular level, elevatedtemperature stimuli are transduced intoaltered gene expression by affectingchromatin status and, specifically, by

controlling expression of the basic-helix-loop-helix transcription factor PHYTO -CHROME INTERACTING FACTOR 4 (PIF4).The downstream mechanisms throughwhich PIF4 regulates ambient tempera-ture signaling are beginning to emerge.Although other hormones play impor-tant roles, PIF4-mediated activation ofauxin responses is central to increasedelongation growth. In contrast, up streamelements of the pathway are poorly un -derstood, in particular, temperature sen s -ing and the mechanism(s) by which tem-perature influences PIF4 activity. Thus,the identification of signaling compo-nents upstream of PIF4 is in the focus ofour research interests.

We investigate this process by forwardgenetic approaches, namely quantita-tive trait locus analysis and mutagenesis.Based on a mutant screen in Arabidopsisthaliana, we were able to show that theDE-ETIOLATED 1 - CONSTITUTIVE PHOTO-MORPHOGENIC 1 -ELONGATED HYPO CO -TYL 5 - dependent photomorphogenesispathway transcriptionally regulates PIF4to coordinate seedling growth in re -sponse to elevated temperature. Fur ther -more, exploiting natural genetic varia-tion and the underlying quantitative ge -

netics enabled us to clone and transge -nically complement a quantitative traitlocus for thermomorphogenesis in A.thaliana seedlings. We found that a sin-gle nucleotide polymorphism in the cir-cadian clock regulator EARLY FLOWER-ING 3 causes phenotypic variation be-t ween two natural accessions, resultingin differential expression of PIF4 and itstarget genes, likely causing the ob -served natural variation in thermore -sponsive growth.

Together, our findings demonstrate thattwo of the most prevalent environmentalcues, light and temperature, share amuch larger set of signaling componentsthan previously assumed. Similar to thetoolbox concept in animal embryonic pat-terning, multipurpose signaling modulesmight have evolved in plants to translatevarious environmental stimuli into adapta-tional growth processes (Fi g. 2).

In terms of Evo-Devo, for many years wehave been interested to understand theevolutionary history of F-box proteins.Furthermore, in close collaboration withthe group of Ivo Grosse (Bioinformatics,MLU Halle) we established phylotrans -criptomics, a method that combines

Auxin SignalingHead: Marcel Quint

Julia BellstädtMaster Student

Carolin DelkerPostdoctoral Scientist

Kathrin DenkTechnician

Daniel EliasGuest Scientist

Alexander GabelMaster Student

Carla Ibáñez RoblesPhD Student

Philipp JanitzaMaster Student

Tanja KlauseBachelor Student

Wenke LudwigMaster Student

Philipp NerkeBachelor Student

Christian NoahGuest Scientist

Philipp Tom PetersonBachelor Student

Anja RaschkePhD Student

Nadine SchumannPhD Student

Louisa SonntagBachelor Student

Jana TrennerPhD Student

Franziska WenzBachelor Student

Henriette ZiermannMaster Student

Group Members

Fig. 1: Investigating am -bi ent temperaturesignaling path-ways in the modelorganism Ara bi -dopsis thaliana isin the focus of ex -pe rimen tal work inthe Quint lab.

Fig. 2: Simplified model of theambient temperature signalingpathway ba sed on our own workand the work of others.

Fig. 3 : The developmental hourglass model explains morphological transi-tions throughout animal embryogenesis by a web of complex modularinteractions between developing organ primordia. We are trying to adopt asimilar model to explain embryonic and post-embryonic phylotranscripto-mic patterns we recently observed.

Leonie Bentsink, Wilco LighterinkWageningen University, Netherlands

Seth DavisUniversity of York, Great Britain

William M. GrayUniversity of Minnesota, USA

Ivo Grosse, Klaus PillenUniversity of Halle, Germany

Stefan RensingUniversity of Freiburg, Germany

Korbinian SchneebergerMPI for Plant Breeding Research, Cologne, Germany

Bernd WeisshaarUniversity of Bielefeld, Germany

Frank WellmerUniversity of Dublin,Trinity College, Irland

Gane Ka-Shu WongUniversity of Alberta, Canada

Martijn van ZantenUtrecht University, Netherlands

Collaborators

Publications 2013Abel, S., Bürstenbinder, K. & Müller, J. Theemer ging function of IQD proteins as scaf-folds in cellular signaling and trafficking. PlantSignal. Be hav. 8, e24369.

Bürstenbinder, K., Savchenko, T., Müller, J.,Adamson, A.W., Stamm, G., Kwong, R., Zipp, B.J., Dhurvas Chandrasekaran, D. & Abel, S. Ara -bi dop sis calmodulin-binding protein IQ67-do -main 1 localizes to microtubules and interactswith kinesin light chain-related protein-1. J.Biol. Chem. 288, 1871-1882.

Dekkers, B. J.W., Pearce, S., van Bolderen-Veld -kamp, R.P., Marshall, A., Widera, P., Gilbert, J.,Drost, H.-G., Basseli, G.W., Müller, K., King,J.R., Wood, A.T.A., Grosse, I., Quint, M., Kras -nogor, N., Leubner-Metzger, G. & Holdsworth,M. J., Bentsink, L. Transcriptional dynamics oftwo seed compartments with opposing rolesin Arabidopsis seed germination. Plant Physiol.163, 205-215.

Elleuch A., Chaâbene Z., Grubb D.C., Drira N.,Mejdoub H. & Khemakhem B. Morphologicaland biochemical behavior of fenugreek (Tri go -nella foenum-graecum) under copper stress. Eco - to xi col. Environ. Saf. 98, 46-53.

Huang, H., Quint, M. & Gray, W. M. The eta7/csn3-3 auxin response mutant of Arabidopsisde fines a novel function for the CSN3 subunitof the COP9 signalosome. PLoS One 8, e66578.

Kopycki J., Wieduwild E., Kohlschmidt J.,Brandt, W., Stepanova A.N., Alonso J.M., PedrasM.S.C., Abel S. & Grubb C.D. Kinetic mecha-nism of glu co syltransferase UGT74B1 ex -plains its immunity from product inhibition.Bio chem. J. 450, 37-46.

Navarro-Quezada, A., Schumann, N. & Quint,M. Plant F-Box protein evolution is deter-mi ned by lineage-specific timing of major genefamily expansion waves. PLoS One 8, e68672.

Poeschl, Y., Delker, C., Trenner, J., Ullrich, K.,Quint, M. & Grosse, I. Optimized probe mask -ing for comparative transcriptomics of closelyrelated species. PLoS One 8, e78497.

Wasternack, C. & Hause, B. Jasmonates: bio -synthesis, perception, signal transduction andaction in plant stress response, growth andde velopment.An update to the 2007 review inAnnals of Botany. Ann. Bot. 111, 1021-1058.

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

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

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

Bachelor Theses 2013Peterson, Tom: Identifizierung thermosensiti-ver Phänotypen und Charakterisierung einerokapi Mutante mit gestörter Temperatur ant -wort. Martin-Luther-Universität Halle-Wit ten -berg, Fachbereich Biologie, 20/09/2013.

Plötner, Romina: Molekulargenetische und phy -siologische Untersuchungen zur Funktion derIQD-interagierenden KLCR-Familie in Arabi -dopsis. Martin-Luther-Universität Halle-Wit -tenberg, Fachbereich Biologie, 25/09/2013.

Schubert, Melvin: Exploiting the phenotypes ofa glucosinolate biosynthetic mutant to ex plorethe connections between secondary and hor-mone mechanism. Martin-Luther-UniversitätHalle-Wittenberg, Fachbereich Biochemie,23/04/2013.

Stamm, Gina: Funktionale Charakterisierungvon Arabidopsis IQD1. Martin-Luther-Univer -sität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biologie,08/01/2013.

Master Theses 2013Gabel, Alexander: Development of a simu-lated annealing algorithm for uncovering thephylotranscriptomic hourglass pattern. Martin-Lu ther-Universität Halle-Wittenberg, Fach be -reich Bioinformatik, 20/09/2013.

Quegwer, Jakob: Funktionelle Charak terisie -rung von PDR4 (HIPP37) in Arabidopsisthaliana. Martin-Luther-Universität Halle-Wit -tenberg, Fachbereich Biologie, 26/04/2013.

Doctoral Theses 2013Schumann, Nadine: Phylogenetische und mo -lekulare Charakterisierung pflanzlicher F-Box-Proteine mit C-terminaler Kelch-Repeat-Do -mäne. Martin-Luther-Universität Halle-Wit -tenberg, Fachbereich Biologie, 26/07/2013.

Ullrich, Kristian: Population and quantitativegenetic analysis of the auxin response path-way in Arabidopsis thaliana. Martin-Luther-Uni -versität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biolo -gie, 09/10/2013.

Publications 2014Bosch, M., Wright, L. P., Gershenzon, J., Was ter -nack, C., Hause, B., Schaller, A. & Stintzi, A. Jas -monic acid and its precursor 12-oxophytodi e -noic acid control different aspects of constitu-tive and induced herbivore defenses in tomato.Plant Physiol. 166, 396-410.

Budiharo, A., Chowdhury, S. M., Dietel, C., Bea -tor, B., Dolgova, O., Fan, B., Bleiss, W., Ziegler, J.,Schmid, M., Hartmann, A. & Borris, R. Trans po -son mutagenesis of the plant-associated ba cil -lus Amyloliquefaciens ssp. plantarum FZB42 re -vealed that the nrfA and RBAM17410 genes areinvolved in plant-microbe-interactions. PLoSOne 9, e98267.

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

Erickson, J. l., Ziegler, J., Guevara, D., Abel, S.,Klösgen, R. B., Mathur, J., Rothstein, S. J. & Schat -tat, M. H. Agrobacterium-derived cytokinin in -fluences plastid morphology and starch accu -mu lation in Nicotiana benthamiana during tran-sient assays. BMC Plant Biol. 14, 127.

Floková, K., Tarkowská, D., Miersch, O., Strnad,M., Wasternack, C. & Novak, O. UHPLC-MS/MSbased target profiling of stress-induced phyto-hormones. Phytochemistry 105, 147-157.

Flores, R., Gago Zachert, S., Serra, P., Sanjuan, R.& Elena, S. F. Viroids: Survivors from the RNAWorld? Annu. Rev. Microbiol. 68, 395-414.

Grubb, C. D., Zipp, B. J., Kopycki, J., Schubert, M.,Quint, M., Lim, E.-K., Bowles, D. J., Pedras, M.S.C.& Abel, S. Comparative analysis of Ara bi dop sisUGT74 glucosyltransferases reveals a specialrole of UGT74C1 in glucosinolate bio synthe -sis. Plant J. 79, 92-105.

Jayaweera, T., Siriwardana, C., Dharmasiri, S.,Quint, M., Gray, W. M. & Dharmasiri, N.Alterna -tive splicing of Arabidopsis IBR5 Pre-mRNAge nerates two IBR5 isoforms with distinct andoverlapping functions. PLoS One 9, e102301.

Maldonado-Bonilla, L.D., Eschen-Lippold, L.,Gago Zachert, S., Tabassum, N., Bauer, N.,Scheel, D. & Lee, J. The Arabidopsis tandem zincfinger 9 protein binds RNA and mediatespathogen-associated molecular pattern-trig-gered im mun e responses. Plant Cell Physiol. 55,412-425.

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Publications and other Activities of the Department of Molecular Signal Processing

Song, S., Qi, T., Wasternack, C. & Xie, D. Jas mo -nate signaling and crosstalk with gibberellin andethylene. Curr. Opin. Plant Biol. 21, 112-119.

Wasternack, C. Action of jasmonates in plantstress responses and development – appliedaspects. Biotechnol. Adv. 32, 31-39.

Wasternack, C. Perception, signaling and cross-talk of jasmonates and the seminal contribu-tions of the Daoxin Xie’s lab and the Chuan youLi’s lab. Plant Cell Rep. 33, 707-718.

Wasternack, C. & Hause, B. Blütenduft, Abwehr,Entwicklung: Jasmonsäure - ein universellesPflan zenhormon. Biologie in unserer Zeit 44, 164-171.

Ziegler, J. & Abel S. Analysis of amino acids byHPLC/electrospray negative ion tandem massspectrometry using 9-fluorenylmethoxycarbo -nyl chloride (Fmoc-Cl) derivatization. AminoAcids 46, 2799-2808.

Ziegler, J., Qwegwer, J., Schubert, M., Erickson, J.L., Schattat, M., Bürstenbinder, K., Grubb, C.D. &Abel, S. Simultaneous analysis of apolar phy to -hormones and 1-aminocyclopropan-1-carb ox -ylic acid by high performance liquid chroma to -graphy / electrospray negative ion tandem massspectrometry via 9-fluorenylmethoxycarbonylchloride derivatization. J. Chromatogr. A. 1362,102-109.

Book Chapter 2014Tissier, A., Ziegler, J. & Vogt T. Specialized plantmetabolites: diversity and biosynthesis. In: Eco -lo gi cal Biochemistry – environmental and interspe -cies interactions (Krauß G. J. & Nies, D.H. eds.)Wiley-VCH Weinheim, S. 15-38. ISBN 978-3-527-31650-2.

Wasternack, C. Jasmonates in plant growth andstress responses. In: Phytohormones: a window tometabolism, signaling and biotechnological applica-tions (Tran, L.-S.P. & Pal, S. eds.) Springer-VerlagNew York, S. 221-264. ISBN 978-1-4939-0490-7.

Bachelor Theses 2014Christ, Gideon: Identifying the role of inositolhexa kisphosphate (IP6) on the regulation ofauxin perception. Martin-Luther-Universität Hal -le-Wittenberg, Fachbereich Biologie, 09/07/2014.

de Vries, Tebbe: Role of long non-coding RNAsin gene expression regulation of the UGT73Csubfamily from Arabidopsis thaliana Martin-Lu -ther-Universität Halle-Wittenberg, FachbereichBiologie, 14/10/2014.

Grimm, Samuel: Studies on putative TIR1-likeproteins and their potential on modulatinghormone signaling pathways in Arabidopsis tha -liana. Martin-Luther-Universität Halle-Wit ten -berg, Fachbereich Biologie, 24/11/2014.

Klause, Tanja: Klonierung des Arabidopsisthaliana Gens BIG und phänotypische Cha rak -terisierung von big Mutanten, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Bio -logie, 15/07/2014.

Rehkamp, Anne: Untersuchungen zum eisenab-hängigen Wurzelwachstum unter Phosphat man -gelbedingungen und Expressionsanalyse von'Low Phosphate Root 2' in Arabidopsis thaliana.Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg,Fachbereich Biochemie, 25/09/2014.

Sonntag, Louisa: Interaction of light and tem-perature signaling in PIF-mediated hypocotylelongation of Arabidopsis thaliana. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbe -reich Biologie, 11/11/2014.

Wenz, Franziska: Analyse der interspezifischenVariation der Auxinantwort in verschiedenenBrassicaceen. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biologie, 21/01/2014.

Master Theses 2014Janitza, Philipp: Cloning of temperature andlight signaling genes for subcellular localizationstudies in N. benthamiana. Martin-Luther-Uni -

versität Halle-Wittenberg, Fachbereich Bio lo -gie, 25/09/2014.

Seidel, Katja: Analysis of the role of the naturalantisense long non-coding RNA encoded byAt4g14548 in IAA14 regulation. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, FachbereichBiochemie, 11/11/2014.

Wieghaus, Annika: The impact of autophagy onthe primary root meristem activity in Ara bi dop -sis thaliana under phosphate starvation. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbe -reich Agrarwissenschaften, 20/03/2014.

Winkler, Martin: Dissecting the dynamic turn -over of transcriptional regulators in responseto auxin. Martin-Luther-Universität Halle-Wit -tenberg, Fachbereich Biochemie, 30/09/2014.

Ziermann, Henriette: Transcriptional responseof Arabidopsis thaliana to moderately increasedtemperatures, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biologie, 13/10/2014.

Doctoral Thesis 2014Raschke, Anja: Quantitativ-genetische Analysevon Auxinphänotypen in Keimlingen vonArabidopsis thaliana. Martin-Luther-UniversitätHalle-Wittenberg, Fachbereich Biologie,10/07/2014.

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2. MSV Workshop

Schloss Wendgräben,March 20-22, 2013

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Der Fokus unserer Arbeiten liegt auf der Entdeckung, Ent -wicklung und Herstellung niedermolekularer Wirk stoffe,begleitet von einem Verständnis ihrer Bedeutung und ih rer

Wirkung auf biologische Systeme. Dabei folgen wir drei Li nien:

(1.) Lernen von der Natur: Wir versuchen sowohl die struktu rel lenAspekte als auch die Prinzipien der Entstehung und Be deu tungnatürlicher Wirkstoffe zu ermitteln und zu verstehen.

(2.) Effiziente Herstellung: Die chemische und zunehmend diebiotechnologische Synthese von Naturstoffen und Derivaten er -möglicht Struktur-Wirkungsbeziehungen zu ermitteln und eineNutzung der Substanzen in Biologie, Medizin, Ernährung und Ag rochemie.

(3.) Interaktionen verstehen: Das Studium von (molekularen)Wechselwirkungsprozessen wird ermöglicht durch die Ent wick -lung und Anwendung selektiver Sonden und Binder, analyti-scher, biochemischer und molekularbiologischer Verfahren so wietheoretischer Methoden.

Die Analyse, Isolierung, Strukturaufklärung und Modifizierung vonNaturstoffen des Sekundärstoffwechsels von Pflanzen und Pilzenist die Grundlage, um die Bedeutung dieser Substanzen in derNatur zu erkennen und eine mögliche Anwendung zu er schlie -ßen. Die Verwertung der gewonnenen Erkenntnisse rich tet sichnach den ermittelten Eigenschaften der Substanzen und kannsich auf unterschiedliche Gebiete erstrecken, in de nen Wirk stoffezum Einsatz kommen, wie Agrochemikalien, Leit struk turen fürpharmazeutische Produkte, Zusatzstoffe der Nah rungs mittel in -dustrie, oder auch für neue chemische Werk zeuge zur Erfor -

schung biologischer Fragestellungen. Die dafür von uns entwic k -elten Verfahren sind genereller Natur und vielfältig nutz bar, z.B.neue Reagenzien, Mehrkompo nen tenprozesse, Sonden oder Bio -katalysatoren. In der vergangenen Periode wurden vor allem en -zymatische Hydro xy lie run gen, Verfahren zur Herstellung von N-Methyl-Peptiden, Berechnungs ver fahren für Reaktionen mittel-großer Mo leküle und NMR-ba sier tes Metabolitenprofiling wei -terent wickelt. Diese Entwick lun gen tragen zu den IPB-internenPlatt for men Me ta bo lomics, Proteomics, und Bio- und Chemo in -formatik bei. Die Screening-Plattform ist für die Verknüpfung che -mischer und biologischer Eigenschaften besonders wichtig undsoll bis Anfang 2016 eingerichtet sein (vollständig nach Fer tig stel -lung des ge plan ten Ersatzbaus R2). Im Bereich der Naturstoffeliegt der Schwerpunkt auf Subs tanzen mit Po tential als Ge -schmacks mo di fikatoren oder als Anti biotika, letz teres insbeson-dere mit Wirkung gegen Schadpilze. Als neues Gebiet wurdenZNS-aktive Sub s tan zen erforscht (Ler nen, Alz heimer, Depression).Fort ge schrittene Projekte nutzen zudem häufig die spezifischeEx per tise von Part nern aus an de ren In stituten oder der Wirt schaft.

Die Abteilung Natur- und Wirkstoffchemie konnte über 80 wissen -schaftliche Artikel publizieren, darunter etliche in den bes tenJournalen der Chemie. Neben der Organisation kleinerer Ta gun -gen wirkt die Abteilung mit bei den Leibniz-For schungs ver bün -den Wirkstoffe und Biotechnologie (Initiator/Sprecher) und Bio di -versi tät, beim Agrochemischen Institut Piesteritz, am DeutschenBio di versitätszentrum iDiv, in der EU COST Action PlantEngine(Ma na ge ment-Kommitee) sowie im EU-Groß pro jekt BioNexGen -De ve loping the next generation of biocatalysts for industrial che -mical synthesis mit. Der Bereich Biokatalyse wurde zudem erheb -lich durch Kooperationen mit der Wirt schaft beflügelt.

Our research focuses on the identification, understand-ing and production of small molecules and the studyof their effects within biological systems. This includes

the application of chemical compounds to probe and modifybiological systems. Three main lines of research are followedto achieve this:

(1.) We try to learn from na -ture's chemistry through bothelucidation of natural struc-tures as well as understandingbasic principles of nature's ap -plication of chemistry in a bio-logical context.

(2.) We use synthetic chem-istry and biology to provide ac -cess to natural products andderivatives for applications inbiology, medicine, nu tritionand agrochemistry.

(3.) We try to increase our un -derstanding of molecular in -teraction processes and deve -lop new tools, probes and re -cognition compounds to stu dythese.

The analysis, isolation, characterization, and modification ofsecondary metabolites and enzymes from plants and fungi isthe basis of our efforts to understand the properties of thesecompounds or to disclose their function in nature, and finallyto explore their use in chemistry and biology. The developmentof analytical tools, e.g. for metabolic profiling, and their com-putational analysis often is at the start of any project. Ap pli ca -tions are driven by the discovered properties and include suchdiverse areas as agrochemicals, lead structures for medicinalchemistry or novel food ingredients, biological research tools,or the utilization of enzymes as biocatalysts. In recent years weexpanded especially the biotransformation program to allowfor more complex, cascaded enzymatic syntheses. The pro -gress in this area was boosted by large programs financedfrom the EU flagship project BioNexGen – Developing the nextgeneration of biocatalysts for industrial chemical synthesis andadditional projects with industrial partners, and profited from

strong collaboration within the IPB or with external academicpartners. This allowed us to venture into one of the most diffi-cult fields of synthetic conversions: the selective oxidation, es -pecially regioselective aromatic hydroxylation.

The focus of our search andsynthesis for biologicallyactive compounds is on phy-toeffectors, food-flavor-fra-grance and antibiotic com-pounds, in the latter caseespecially on antifungals. Se -lected compounds reachedfield trial status. New is animproved possibility to lookinto CNS-active compoundswhich is driven by coopera-tion with the neurological ex -pertises concentrated in Mag - de burg (University of Magde -burg, Leibniz In sti tute for Neu -ro bio logy and the Ger manCenter for Neu ro ge ne rative Di -sea ses). Our expertise in multi-component reactions wasdirected to ward the synthesisof complex bioactive cyclo -

pep tides and N-methyl peptides. One highlight was the synthe-sis of the ne ma ticide Omphalotin, a cyclic dodecapeptide.

The scientific work of the past biannual period lead to over 80articles published. The department (co-)organized meetingsand is actively involved in the Leibniz Research Clusters Bio ac -tive Compounds and Biotechnology (Speaker) and Biodiversity,in the Agrochemical Institute Piesteritz, in the German Bio di -versity Centre iDiv, and in the EU COST Action PlantEngine(management committee). Of special importance is our partic-ipation in the metabolomics, proteomics and IT competenceplatforms of the institute. In addition, the department providesa considerable database and library of small molecules and ba -sic screening facilities, which will be developed into a screen-ing platform until early 2016.

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Department of Bioorganic ChemistryHead: Professor Ludger WessjohannSecretary: Ines Stein

Abteilung Natur- und WirkstoffchemieLeiter: Professor Ludger WessjohannSekretariat: Ines Stein

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NWC: Digging for Gold, 2015

tricyclic indole alkaloids could be charac-terized by detailed FTICR-MS investiga-tions. The detected bisalkaloids arestructurally re lated to the famous Vincaalkaloids wi dely used in cancer therapy.

Connected to metabolomic studies ofthe genus Hypericum (see researchgroup Spec troscopy), we focused on thephytochemical investigation of severalCame roonian Hypericum species. FromHyperi cum riparium A. Chev., which isused in the Cameroonian folk medicineagainst epilepsy, mental disorders andmicrobial disease, a series of new bis-coumarin de ri vatives were isolated andtheir structures elucidated. These are thefirst ones to be isolated from this genus.In addition, ele ven new tricyclic preny-lated acyl phloro glu cinol derivatives wereob tai ned from Hy pericum lanceolatumLam., a medicinal plant occurring inmountain re gions of West Cameroon.

Humans get their vitamin D from expo-su re to sun light, from their diet or fromdi e tary supplements. Vitamin D is re -spon sible for calcium/phosphate home-ostasis in vertebrates and is re quired foroptimal health. The secosteroid vitaminD3 arises from 7-dehydrocholesterol un -der UV-B-exposure in the human skin,and is successively hydroxylated in theliver and kidney to the active 1,25-OH-vi -tamin D. Vitamin D2 is produced in fungifrom ergosterol. Especially during wintertime, severe vitamin D deficiency occursdue to the lack of sun exposure and in -sufficient dietary intake. So called calci -noge nic plants induce calcium accumu-lation in grazing animals, which is be -lieved to be due to vitamin D intoxication.There fore we investigated the occurrenceof vitamin D derivatives in such plants,

which might be used to balance vitaminD deficiency. We have established a LC-MS/MS method, allowing the detectionof several vitamin D metabolites in theselected re action monitoring (SRM)mode. In that case the samples are de ri -vatized with PTAD to enhance both theionization efficiency of the steroids andthe selectivity of the mass spectral frag-mentation. In the calcinogenic speciesTrisetum flavescens (L.) P. Beauv. wecould detect the animal sterols choles-terol and 7-dehydrocholestrol as well asthe fungal sterol ergosterol as vitamin Dprecursors.

iDiv cooperation projectEffects of leaf litter diversity on the de -composition of plant polyphenols Leaf litter decomposition is a crucialfunction in terrestrial ecosystems, as it isclo sely linked to local and global nutri-ent cycling. Under given environmentalconditions species-specific leaf litterchemistry was found to be the majordriver of decomposition processes, withseconda ry metabolites such as polyphe-nols playing a key role in this process.

In cooperation with iDiv partners(German Biodiversity Center, Prof. Bruel -heide), we could demonstrate that leaflitter richness effects on phenolics andtannin decomposition rates were posi-tive or negative and varied with leaf litterspecies identity. Polyphenol de com po -sition rates were found to be up to amagnitude higher than whole leaf de -composition rates, and the tannin-to-nitrogen ratio was the best predictor ofwhole leaf decomposition.

These findings suggest that species-spe-cific polyphenol decomposition may be

a prerequisite of whole leaf litter decom-position, as proportionally polyphenolsare broken down much earlier in theprocess of decomposition than other,more mass-relevant leaf components.

Pflanzen und Pilze erzeugen als hochdiverse Organismengruppen eine bemerkenswerte Vielzahl von Inhaltsstoffen un -terschiedlicher chemischer Zusammensetzung und biologischer Aktivität. Die Arbeitsgruppe sucht nach den Wirk -prinzipien in Extrakten aus diesen Organismen und versucht die Struktur und Eigenschaften der Wirkkomponenten

aufzuklären. So konnte beispielsweise aus dem Pilz Hygrophorus abieticola eine neue Verbindung isoliert werden, die be -merkenswerte Aktivitäten gegen Schadpilze an verschiedenen Feldfrüchten zeigt und damit als mögliche Leitstruktur fürdie Entwicklung neuer Pflanzenschutzmittel dienen kann. Aus afrikanischen Hypericum-Arten (dt. Johanniskräuter) wurdenerstmalig Biskumarine mit antiviralem Potential und neuartige trizyklische prenylierte Acylphloroglucinole isoliert. Ver schie -dene Vertreter der Gattung Hypericum, insbesondere das bekannte H. perforatum (Echtes Johanniskraut) werden weltweitunter anderem gegen Depressionen eingesetzt. In weiteren Projekten wurde das Vorkommen von Vitamin D in Pflanzen undPilzen mittels sensitiver LC-MS/MS sowie in Zusammenarbeit mit Partnern vom Deutschen Zentrum für integrative Bio di ver -sitätsforschung (iDiv) der Zusammenhang zwischen Laubzusammensetzung und Polyphenolabbau untersucht.

Collaborators

Kaleab Asres, Ermias DagneAddis Ababa University, Ethiopia

Nasser Abdullah Awadh AliUniversity of Sana’a, Yemen

Andreas BresinskyUniversity of Regensburg, Germany

Patrick Mutiso ChaloUniversity of Nairobi, Kenya

Helge Bruelheide, Birgit Dräger, Marcus Glomb, Reinhard Neubert,Klaus Pillen, René CsukUniversity of Halle, Germany

Bertram GerberLeibniz Institute for Neurobiology,Magdeburg, Germany

Carola GriehlAnhalt University of Applied Sciences,Köthen, Germany

Ulrike LindequistUniversity of Greifswald, Germany

Jean-Claude NdomUniversity of Douala, Cameroon

Jens PahnkeUniversity of Magdeburg, Germany

Götz PalfnerUniversidad de Concepción, Chile

Dang Ngoc QuangNational University of Education, Hanoi,Vietnam

Peter SpitellerUniversity of Bremen, Germany

Marc StadlerHelmholtz Center for Infection Research,Braunschweig, Germany

Wolfgang SteglichUniversity of Munich, Germany

Tran Van SungVietnamese Academy of Science andTechnology, Vietnam

Mika TarkkaHelmholtz Center for EnvironmentalResearch, Halle, Germany

Companies: Hopsteiner Ltd, USA

Symrise AG, Holzminden

BASF SE, Ludwigshafen

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Plants, algae and fungi possess a remark -able ability to produce a diverse set ofspecialized metabolites, i.e. natural prod-ucts that vary in chemical complexity andbiological activity (see also researchgroup Screening). These have served andserve today as templates for the develop-ment of many important drugs for medi-cinal therapies. Increasingly, efforts arenow also focused on other potential appli-cations of natural products such as agro-chemicals, acting as plant protectants orphytoeffectors. Besides bioactivity-guidedisolation of natural products, meta bol o -mics-based approaches are increa-singlyused. The data, results and isolated com-pounds generated by us are included indatabases and compound libraries andare therefore also available for future usein other applications.

Fungal secondary metabolitesAbout 85% of all pathogen-borne plant di -seases are caused by fungi leading toenormous losses in crop production. Fun -gal infections presently destroy at least125 million ton of the top five food crops(rice, wheat, maize, potatoes and soy-beans) each year. Our investigations con-centrate on the detection of new antifun-gal agents against the ascomycetous phy-topathogens Botrytis cinerea Pers., Sep to -ria tritici Desm. and Cladosporium cucu -merinum Ellis & Arthur as well as the oo -mycete Phytophthora infestans (Mont.) deBary.

During our ongoing research on second -ary metabolites from fruiting bodies ofthe basidiomycetous genus Hygrophorus,we isolated a new compound namedhygrophorone B12 from Hygrophorus abi -e ticola Krieglst. ex Gröger & Bresinsky. Thenatural compound exhibits a remarkableactivity against the plant pathogenic fun -gi causing grey mold on strawberries andwine grapes (B. cinerea), the septoria leafblotch pathogen on wheat (S. tritici) andthe causal agent of the late blight diseaseon potato and tomato (P. infestans). Theabsolute stereochemistry of hygropho r-o ne B12 was confirmed by total synthesisin enantiomerically pure form (see alsoRG Synthesis).

Five novel sesquiterpene carboxylic acidsnamed penarines A-E, and one new nor-sesquiterpene carboxylic acid, penarineF, of the very rare ventricosane type wereisolated from fruiting bodies of Hygro pho -

rus penarius Fr. This was the first report of(nor-) sesquiterpenes isolated from basi-diocarps of the family Hygrophoraceae.Additionally, the only known member ofthis rare type of sesquiterpenes, ventri-cos-7(13)-ene, could be identified viaheadspace GC-MS analysis.

Bioactive plant constitutentsThe investigation of traditional medicinalor food plants from different regions ofthe world is focused on the isolation andcharacterization of anthelmintic, antifun-gal, cytotoxic and CNS active metabol-i tes.

From the ethyl acetate crude extract ofthe African species Tabernaemontanastapfiana Britten (Apocynaceae), whichexhibits strong antifungal and cytotoxicactivities, the monomeric indole alka-loids coronaridine and pericyclivine wereisolated. Additionally, a series of bi- and

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Natural ProductsHeads: Norbert Arnold & Jürgen Schmidt

Nael AbutahaGuest Professor

Khaled AlkassemDAAD Fellow

Zeyad AlreslyGuest Researcher

Danstone Lilechi BarazaDAAD Fellow

Alexandra DammannDiploma Student

Mona FechtelDiploma Student

Alexander FeinerPhD Student, Hopsteiner

Katrin FrankeSenior Scientist

Anne GreffDiploma Student

Chelsea HarmonDAAD Research Internship

Ramona HeinkePhD Student

Nicole HüneckeTechnician

Johanna HummelDiploma Student

Angelica Casanova KatnyGuest Professor

Myint Myint KhineGuest Professor

Stephanie Krause-HielscherPhD Student

Henriette LehmannDiploma Student

Susanna LiersDiploma Student

Efrem NigussuDAAD Fellow

Alexander OttoPhD Student

Götz PalfnerGuest Professor

Mathias ReisbergPhD Student

Christian RistokMaster Student

Julia SchallerDiploma Student

Ann-Katrin SendatzkiDiploma Student

Claudia StraubeDiploma Student

Serge Alain FobofouTanemossuPhD Student, DAAD Fellow

Boris TolkachevGuest Researcher

Group Members

Hygrophorus abieticola

ants I317V and I317A were not affected byproduct inhibition and proved to be favor-able for the preparative synthesis of SAMand its long-chain analogues. These vari-ants are patented.

A High Value Flavor Compound from Oran -ge Peel WasteSee also a film on this topic:http://www.beilstein.tv/tvpost/taste-mod-ifiers-virtual-screening-and-biocatalytic-production-with-rationally-optimized-enzymes/

Homoeriodictyol (HED) is a commercialbitter masker and a sweetness enhancer.It can be isolated in small amounts fromEriodictyon californicum, growing mostlyin Northern Mexico. To meet market de -mands, a more efficient access is re qui red.A suitable starting product is naringenin,sufficiently available from orange andother citrus peel, i.e. waste material. Wecould devise both, in vitro (biocatalytic) aswell as fermentative (in vivo) access by

suitably engineered and adapted enzy mecascades. The key step is the selective 3’-hydroxylation of naringenin, involving anenzyme cluster based on a P450-oxi da se,followed by a regioselective O-me thy la -tion (Fig. 3). The whole process could betransferred into a living E. coli strain,which fermentatively produces homoeri-odictyol from naringenin (patented).

Toward Naturally Produced ChloropreneLong-chain prenyltransferases are able tocondense more than 1000 isopente nyl di -phosphate (IPP) monomers onto the ally -lic header substrate which leads to theformation of natural rubber (1,4 cis-poly-isoprene), e.g. by the rubber tree Heveabrasiliensis. Besides allergies, which aretriggered by the natural rubber material,also the availability and stability of the rawmaterial can be problematic. Syntheticderivatives of the natural polyisoprene,like polychloroprene (DuPont’s trade na -me: neoprene), exhibit advanced proper-ties like temperature stability over a wide

range and are used e.g. for the produc-tion of wetsuits. Until now it was inconcei -vable to obtain such polychlorinated oli -gomers by natural means, especially be -cause the use of 3-halogenated deriva-ti ves of IPP were only condensed once,with the monohalogenated product beingan effective inhibitor of prenyltransferases.

We could now show for the first time, thatseveral such condensations are possiblein suitable systems (patented), overcom -ing one of the major drawbacks of the su -icide inhibition that so far thwarted anydevelopment toward the biotechnologi-cal production of artificial or modifiedrubbers (Fig. 4).

Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit der Entdeckung, Anpassung und Anwendung von Enzymen sowie der Aufklä -rung enzymatischer Mechanismen, um dies für die effektive biobasierte Herstellung von Natur- und Wirkstoffen zunutzen. Neben unserer Expertise bei Transferasen, im Speziellen Prenyl- und O-Methyltransferasen, haben wir uns

vor allem selektiven Oxidationen zugewandt, da klassische chemische Verfahren hierbei oft versagen. Ferner werden meh-rere (enzymatische) Reaktionen in Kaskaden genutzt, um Stoffwechselwege außerhalb von Zellen oder in Nutzorganismennachzubilden. Die Arbeiten verfolgen das Ziel, im Rahmen bioökonomischer Verfahren einen effektiven und umweltfreund-lichen Zugang zu seltenen und hochpreisigen sekundären Pflanzenstoffen und nichtnatürlichen Derivaten zu erschließen.So konnte aus dem günstigen Naringenin (aus Orangenabfällen) der hochpreisige Geschmacksmodulator HED erzeugt wer-den, der wichtige enzymatische Cofaktor SAM ist in neuen Varianten und ohne Umsatzbeschränkung zugänglich gemachtworden, und erstmals gelang es kurze Einheiten des ansonsten nur chemisch zugänglichen Chloroprens biokatalytisch zuerzeugen. Alle drei Verfahren wurden patentiert, zwei davon sind bereits auslizensiert.

CollaboratorsWilhelm BolandMPI for Chemical Ecology, Jena, Germany

Vicente GotorUniversity of Oviedo, Spain

Markus PietzschUniversity of Halle; Germany

Jürgen Pleiß, Bernhard HauerUniversity of Stuttgart, ITB, Germany

CompaniesLanxess AG, Leverkusen, Germany

Symrise AG, Holzminden, Germany

Entrechem SL, Oviedo, Spain

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Our aim is to understand and apply enzy-matic processes in vitro and in vi vo. En -zymes are used for both biocatalyticchemical transformations and as targetsof natural or designed small molecule in -hibitors.

Most of our work makes use of transferasesfor the production of plant metabo-li tes and their artificial derivatives. Our re -cent focus on prenyltransferases (withterpene synthases) and O-methyltransfe -rases is increasingly supplemented bywork on oxidizing enzymes. Selective oxi-dations, especially hydroxylations arehighly desirable because they are chemi-cally extremely difficult processes, but al -so in biotechnology they are commonlythe most demanding biotransformations.Our core enzymes are increasingly ap-p li ed in combination with other chemicalor enzymatic processes (cascade reac-tions, e.g. to phenylpropanoids) in vitroand in vivo, aiming toward artificial in vitropathways and synthetic biology systems,res pectively. This includes pathway in -flows and estuaries, e.g. of rate limi tingcofactors. The work is intertwined with

bioinformatic and protein structural mod-eling (see RG computational chemistry),which provides a rational basis for proteinre de sign toward desirable variants.

Improved Variants of S-AdenosylmethionineSynthase by Rational Protein Re-DesignSee also a film on this topic: http://www.beilstein.tv/tvpost/taste-mod-ifiers-virtual-screening-and-biocatalytic-production-with-rationally-optimized-enzymes/

The availability of S-adenosylmethionine(SAM) is crucial for enzyme-catalyzed me -thyl transfer reactions which have a hugepotential for the production of valuable fi ne chemicals and pharmaceuticals. Incellular metabolism, this universal methyldonor is formed by adenosylation of L-

methionine by SAM synthases (SAMS). Toobtain a SAMS enzyme suitable for bioca -talytic production of SAM and analogues,the protein from Bacillus subtilis was im -pro ved by rational protein design (Figs. 1and 2). Substitution of two conservedisoleucine residues (I105 and I317) locatedin close proximity to the active site ex- ten ded the substrate spectrum of the en -zy me to artificial methionine derivatives.An introduction of a less spacious valineor alanine re sidue into position 317 led tova riants which were able to convert me -thionine and S-alkylhomocysteines bear-ing subs ti tuents with 2 - 4 carbon atoms.Ad ditional exchange of I105 to those steri -cally less challenging amino acids evenresulted in strong discrimination of thenatural substrate. Most importantly and incontrast to the wild type enzyme, the vari-

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ChemoenzymaticsHeads: Ludger Wessjohann & Wolfgang Brandt

Anne-Katrin BauerDiploma & PhD Student

Stefanie BlockScientific Coworker

Martin DippePostdoctoral Scientist

Jeanette KeimPhD Student

Steve LudwigPhD Student

Amina MsongaPhD Student, DAAD-Fellow

Danilo MeyerPostdoctoral Scientist

Susanne Riemer-KöhlerPhD Student

Pia SchönePhD Student

Felix SchreckenbachPhD Student

Benjamin WeigelPhD Student

Group Members

Fig. 1: Active site of a model of the SAM synthase from Bacillus subtilis. Ar ran ge -ment of the substrate analogues S-n-butyl-L-homocysteine (ma genta carbonatoms) and adenylyl imidodiphosphate (green carbon atoms) in the activecenter. A) The space for docking of SAM derivatives with larger functionalgroups than methyl is restricted by the isoleucine I317 which was there- fo resubject to site-directed mutagenesis. B) The single mutation I317V leads toacceptance of the artificial substrate by the enzyme.

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

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

Fig. 4: Chromatogram of the earlysteps of the enzymatic oligomeriza-tion of the chloro analog of IPP(green. In grey: starter reference).

Natural products with Multi ComponentReactions (MCRs)N-methylated peptides are a very impor-tant class of biologically active naturalproducts with cyclosporine being themost prominent one. During the reportingperiod several linear (e.g., hirsutellic acid,3) and cyclic natural products (e.g., om -pha lotin, 4) bearing this moiety have beensuccessfully synthesized. One of the keytransformations has been the Ugi-MCR,which has been proven to be highly versa-tile to conquer the complexity of the N-alkylated peptide natural products.

Omphalotin A (4) is a cyclic dodecapep - ti de member of a family of secondary me -tabolites produced by the fungus Om -phalotus olearius and was found to exhi-bit strong nematicidal activities against aroot knot parasite that infests many diffe-rent plant cultures causing econo mic bur-dens in agriculture worldwide. The con-vergent total synthesis has been achievedby an unprecedented cassette approachwith preformed intermediates and the useof our new convertible isonitrile IPB (5,same acronym as the institute).

Several of these syntheses have beenma de possible by in-house developmentof convertible isonitrile reagents. Convert -

ib le isonitriles serve as reactive intermedi-ates to overcome the pronounced stabili-ty of amide bonds. The newly developedreagent IPB is easily synthesized andforms acyl pyrroles upon acidic treat-ment. Follow-up reactions can be done ina variety of suitable nucleophiles gener -ating amides, esters and other ligationpro ducts. A polymer-supported version(6) was also generated, which is profitablein both parallel and combinatorial synthe-ses for Medicinal Chemistry programs.

Isolation & Total Synthesis of Natural Pro ductsIn a collaborative effort of the natural pro -duct, spectroscopy and synthesis re -search groups of NWC, the cyclopen-tenone-derivative hygrophorone B12 (7)could be isolated from fruiting bodies ofthe mushroom Hy grophorus abie ticola.The cons ti tu ent could be synthesized in

an 8-steps e q uen ceand 9 stepsoverall. Thise n d e a v o rwas neces-sary to de -

termine the ab so lu te configuration of thethree stereogenic centers, which couldnot be ac comp li shed by spectroscopic

means alo ne. The stereo-determiningstep was carried out by the Sharpless di -hydroxylation. Due to its variability, fourstereoisomers could be synthesized andtheir physical properties were comparedto those of the natural product.

Die Synthese von Naturstoffen und davon abgeleiteten Produkten ist die Kernaufgabe der Gruppe. Die Totalsynthesedes Pilzinhaltsstoffes Hygrophoron B12 durch eine 9-stufige Synthesesequenz mit einem asymmetrischen Katalyse -schritt erlaubte erstmals die eindeutige Bestimmung der absoluten Stereochemie der Hygrophorone, die als antibak-

terielle und fungizide Naturstoffe Potenzial in der Behandlung resistenter Krankheitserreger besitzen. N-Methylierte Cylo -peptide spielen im Pflanzenschutz eine wichtige Rolle. Durch geschickten Einsatz von Ugi-Multikomponentenreaktionenwurden ne matozide und antibiotische Naturstoffe dieser Gruppe synthetisiert, wobei die eingesetzten Aminosäuren die ein-heitliche Chiralität der Produkte sicherstellen. Daneben konnten durch die variable Multikomponentenreaktion auch Mo di -fikationen an größeren Peptiden durchgeführt werden, welche als artifizielle posttranslationale Modifikationen die Sta bili -sierung von definierten Sekundärstrukturen ermöglichen.

Collaborators

Marcio W. PaixaoUniversidade Federal de Sao Carlos, Brazil

Daniel G. Rivera, Anselmo OteroUniversidad Habana, Cuba

Oscar C. RodriguesUniversidade Federal de Santa Maria, Brazil

Paulo Schneider, Diogo Lüdtke, Henri SchrekkerUniversidade Federal de Rio Grande do Sul,Porto Alegre, Brazil

Antonio L. BragaUniversidade Federal de Santa Catarina,Florianopolis, Brazil

Carlos Kleber AndradeUniversidade Federal de Brasilia, Brazil

Lukáš Spíchal, Miroslav StrnadUniversity Olomouc, Czech Republic

Birgit Dräger, Andrea Sinz, Barbara SeligerUniversity of Halle, Germany

Companies:BASF SE, Ludwigshafen, Germany

SKW Piesteritz, Wittenberg, Germany

Tube Pharmaceuticals, Vienna, Austria

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The synthetic access to natural moleculescan provide sufficient material where na-tural resources are either scarce or threat - ened. Most importantly, it can provide de -rivatives, which ideally provide im- p ro ved properties, help to understand theunderlying mechanisms, or allow tracingthe compounds within an organism or theen vironment. In addition, artificial com-pounds can be generated, which allow toselectively address or modify certain bio-logical functions or alter material proper-ties. Selected highlights are detailed inthe following:

MacrocyclizationsMacrocyclizations allow to emphasize acertain conformational state, reduce bio -de gradation and can enhance cell perme-ability. It has been a major subject in ourgroup since 20 years, but currently sees ahype with respect to peptide function. Inrecent years we have developed the mul-tiple multicomponent macrocyclizationsincluding bifunctional building blocks(MiB3), which led to a diversity of cyc lo -pep tide hybrids.

Within this reporting period, we intensifiedonce more our diversity increasing mac -rocyclizations and extended their applica-tion into various fields, especially intopeptide modification. Thus peptide-pep-toid conjugates like in Fig. 1 (in coopera-

tion with D. Rivera) utilize isonitrile basedMCRs to produce the desired conforma-tional bias.

Most intriguingly, we could show thatlarge substituents on the amide bond ge n -erated by Ugi-MCRs have a pronouncedeffect on the secondary structures of theoligomers. Lipophilic substitutents such assteroids (Fig. 2) can induce and stabili ze ß-sheets in acyclic peptides (2), adding acholesterol membrane anchor at the sametime. This fact is of major importance be -

cause it has been shown for the first timethat such a simple tertiary amide topolog-ical template which is not a ring like pro-line can re duce the conformational flexi-bility in acyclic oligomeric peptides. De ter -mi na tion of the three-dimensional struc-ture of an acyclic N-steroidal peptide in so -lution proved that the bulky template iscapable of both increasing significantly theconformational rigidity, even in a peptidese quence as short as five amino acid re si -dues, and inducing a beta-turn secon darystructure even in the all-s-trans isomer.

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SynthesisHeads: Ludger Wessjohann & Bernhard Westermann

Eileen BettePhD Student

Sebastian BrauchPhD Student

Bruno Brisólla RavanelloPhD Student

Micjel Chavez MorejónPhD Student

Julia ChristkeApprentice, Technician

Ralph CoppiPhD Student, Guest Researcher

Daniel da Silveira RamponPhD Student, Sandwich

Nalin de Seixas BorgesPhD Student

Helena D. de SallesPhD Student, Sandwich

Oscar Dorneles RodriguesGuest Professor

David EdelerPhD Student

Thomas EichhornPhD Student

Ricardo Ferreira AffeldtPhD Student, Sandwich

Zoila Gándara BarreiroGuest Researcher

Annegret LaubPhD Student

Tiago Lima da SilvaPhD Student (Sandwich)

Roberta Lopes DrekenerPostdoctoral Scientist

Steve LudwigPhD Student

Juliane MewesApprentice, Technician

Erik PrellPostdoctoral Scientist

Rainer PreusentanzPhD Student

Alfredo Rodriguez PuentesPhD Student

Hannes RostPhD Student

Pia RothDiploma Student

Angela SchaksTechnician

Elsayed ShaabanPostdoctoral Scientist

Devender SinghPostdoctoral Scientist

Sebastian StarkPhD Student

Haider SultaniPhD Student

Dimitar VasilevPhD Student

Ricardo Wanderley N. FilhoPhD Student

Katharina WolfTechnician

Group Members

Fig. 1

Fig. 2

2

(5)

(6)

cultures thereof by ESI-FTICR-MS andUPLC/ESI-MS/MS provide very useful in -formation with respect to their metaboliteprofile. While the high resolution MS datayield elemental compositions of the de -tected metabolites, UPLC-MS investiga-tions allow a mass spectral profiling of thecorresponding sample including MS/MSdata of key metabolites. A principal com-ponent analysis (PCA) based on the UPLC/ESI-MS and ESI-FTICR-MS data clearlyshowed that the metabolite profiles canbe used not only for the identification andclassification of such fungi, but also as asophisticated and powerful tool for thechemotaxonomy of different Suillus sam-ples according to their biological origin(fruiting bodies or mycelial culture, Fig. 3).

NMRThe method of saturation transfer diffe-rence (STD-NMR) was applied to get dee per insight in the enzymatic methyla-tion of caffeic acid to ferulic acid using aplant O-methyl transferase and the co -substrate S-adenosyl methionine. Wecould show the basic suitability of STD-NMR for investigation of enzymatic reac-tions.

Mass SpectrometryIn autumn 2013 a new electrospray (ESI)high-resolution mass spectrometer (Orbi -trap Elite, Thermo Scientific, Bremen)combined with an UHPLC system was es -tablished in our Department (Fig. 4). Thisinstrument allows accurate mass de ter -minations with a resolution up to 240,000and enables different tandem mass spec-trometric methods such as ion trap MSn

and higher-energy collision dissociation(HCD) measurements, respectively. Dur -ing the first year, it could be shown thatthe Orbitrap technology represents a verypowerful system for solving structural

problems as demonstrated exemplarilyfor fungal constituents from Cortinariusspecies and plant natural pro ducts fromseveral Hypericum species in cludingextensive MS/MS investigations. Further -more, the Orbitrap system can beequipped with a desorption electrosprayionization (DESI) ion source leading tonew possibilities of the direct analysis ofchemical compounds.

GC/MSIn the course of a project of the RG Che -moenzymatics the GC/EIMS was used forthe identification of enzymatically formedterpenes. Furthermore, during the lasttwo years the solid phase extraction(SPME) headspace method was estab-li shed in the GC/MS laboratory. Using thismethod the relevant volatile compoundsof basidiocarps of the mushroom Cortina -rius hinnuleus Fr. (Basidiomycetes, Aga ri -cales), a common mycorrhizal mushroomin Central Europe, could be identified asgeosmin, ß-caryophyllene and ß-barba- te ne together with the C8-volatiles 1-oc -ten-3-ol, 1-octen-3-one, octan-3-ol, octan-3-one, and 2-octen-1-ol.

Other measurementsA large number of high-resolution ESImass spectra, one- and two-dimensionalNMR spectra as well as optical spectrawere provided to several research groupsof the IPB.

With respect to the collaboration withexternal partners the fruitful cooperationwith the Department of Inorganic Che -mistry of the University Halle-Wittenberg(Prof. Steinborn) on the field of high-reso-lution ESI mass spectrometry of platinumcomplexes should be pointed out. Fur -thermore, UHPLC/electrospray tandemmass spectrometry was very helpful for

the identification of benzylisoquinoline al -kaloids from Eschscholzia californica (col-laboration with Prof. Roos, Department ofPharmacy).

Moderne analytische Methoden (NMR-Spektroskopie, Massenspektrometrie sowie IR-, UV- und CD-Spektroskopie)sind eine unerlässliche Voraussetzung für die Identifizierung und Strukturaufklärung von Naturstoffen und synthe-tischen Verbindungen. Hochauflösende ESI-Massenspektrometrie, UHPLC/ESI-Tandem-Massenspektrometrie und

NMR-Spektroskopie haben sich darüber hinaus in Kombination mit informatisch-statistischen Methoden als effiziente undkomplementäre Werkzeuge für Aufgaben im Rahmen von verschiedenen Metabolomik-Projekten erwiesen. Die Methodenwurden u.a. genutzt, um in Nahrungs- und Heilpflanzen wie z. B. Hopfen oder Johanniskraut aufgrund der chemischen Zu -sammensetzung (d.h. des Metaboloms) die eindeutige Art- und Sortenzuordnung zu ermitteln bis hin zu Lokalitäten. Andersals bei einer gerichteten Einzelsubstanzanalytik hilft dies, Fälschungen und Verunreinigungen zu erkennen, selbst wenn mandie verantwortlichen Arten oder Substanzen noch gar nicht kennt.

CollaboratorsNasser A. Awadh AliUniversity of Sana’a, Yemen

Mohamed A. FaragCairo University, Egypt

Ermias DagneAddis Ababa University, Ethiopia

Birgit Dräger, Marcus Glomb, Dirk SteinbornUniversity of Halle, Germany

Mats HambergKarolinska Institute, Sweden

Ulrike LindequistUniversity of Greifswald, Germany

Ricardo M. KusterUniversidade Federal do Rio de Janeiro, Brazil

Dang Ngoc QuangNational University of Education, Hanoi,Vietnam

Stephan SchillingProbiodrug AG, Halle

Tran Van SungNational Centre for Natural Science andTechnology, Hanoi, Vietnam

Christina ThieleUniversity of Darmstadt, Germany

CompaniesSymrise AG, Holzminden, Germany

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The Spectroscopy Group is engaged inmetabolomics research as well as instructure elucidation and application de -ve lopment with modern analytical tech-niques such as (coupled) mass spectro-metric methods, one- and two-dimensio -nal NMR-spectroscopic experiments andoptical spectroscopy (IR, UV, CD). In addi-tion to the identification of plant and fun-gal metabolites, the synthetic work of ourdepartment is strongly supported by pro-viding MS and NMR spectra and their in -terpretation. Assistance in solving struc-tural elucidation and analytical problemsis also provided to the other departmentsof the IPB and external cooperation part-ners.

MetabolomicsIn continuation of our efforts comparingthe value of mass spectrometry and nuc -lear magnetic resonance metabolomicapproaches for the characterization ofherbal products and drugs, the secondarymetabolite diversity within the genus Hy -pericum (Hypericaceae) and its correla-tion to bioactivity, exemplified by cytoto-xic properties, was investigated. UtilizingNMR fingerprinting and MS metabolicprofiling techniques, MS and NMR spec-tra of extracts of flowers from Hypericumperforatum (commonly known as St.John’s wort), H. polyphyllum, H. tetra pte -rum, H. androsaemum, H. inodorum, H.undulatum and H. kouytchense were eva-luated and submitted to multivariate dataanalyses. Both, MS and NMR, are suitablefor species differentiation although differ-

ent sets of metabolites contribute for spe -cies segregation in NMR and MS datasets.Next to H. perforatum, H. polyphyllumshows the highest content in phlorogluci-nols, suggesting that the latter speciesmight be used as an alternative to St.John’s wort. The structure of a novel hy -perforin derivative, hyperpolyphyllirin,found exclusively in H. polyphyllum, couldbe elucidated from the NMR spectra ofthe crude extract (Fig. 1).

To demonstrate the utility of two-dimen-sional heteronuclear NMR fingerprintingcombined with multivariate data analysisin revealing subtle compositional differ-ences in metabolite composition we in -vestigated hop resins of 13 hop cultivars(Humulus lupulus) derived from differentgeographic origin. Heteronuclear multi-ple bond correlation (HMBC) 2D NMR pro-file maps were used to generate a com-prehensive 2D NMR chemomatrix as a ba -sis of PCA multivariate data analysis (Fig.2). The classification results of the 13 hop

cultivars based on 2D NMR HMBC spectragive results comparable to those derivedfrom other metabolomic methods like LC/MS, ESI-FTICR-MS, or 1D NMR, but offersadditional advantages. HMBC correlationpatterns allow the assignment of key sig-nals to specific molecular structures,while preserving the reproducibility anduniversality of detection by NMR tech-ni ques. Distinct HMBC correlations of thehop resin spectra results in an unequivo-cal assignment of all closely related bitteracid components as well as the identifica-tion of several isomerization and degrada-tion products of hop bitter acids includ -ing the sedative principal of hop (2-me -thyl-3-buten-2-ol). To the best of ourknowledge, this study provides the firstattempt to apply multivariate data analy-sis on HMBC NMR datasets of plant se-condary metabolites.

The investigation of crude extracts of fun-gal fruiting bodies Suillus bovinus, S. tri-dentinus, S. granulatus, S. variegatus or

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SpectroscopyHeads: Andrea Porzel & Jürgen Schmidt

Anja Ehrlich Technician

Mohamed Ali Ali Farag Alexander von Humboldt-Fellow

Gudrun Hahn Technician

Ramona Heinke PhD Student, Fellow of theGerman National AcademicFoundation

Christine Kuhnt Technician

Martina Lerbs Technician

Cristiane PereiraPhD Student, Guest Researcher

Pia Schöne Master Student

Group Members

Fig. 1:Proposedstructure ofhyperpoly-phyllirin, anewHypericumconstituent Fig. 2: Flow chart of HMBC based

metabolite fingerprinting

Fig. 4: Orbitrap Elite Mass spectro-meter coupled with an Ultimate3000 UHPLC system

Fig. 3: Principal Component Analysis (PCA) of four different Suillus species

lines allows the discrimination betweenpotential androge nic or antiandrogenicactivities and ef fects on the es trogen orglucocorticoid receptor as well as cyto-toxic activities.

Additionally, together with partners inSerbia, a DAAD-funded project was star-ted to study the influence of (food) plantnatural products on the synergistic modi-fication of cancer drug effects.

Identification of QC inhibiting compoundsfrom microalgaeSeveral crude extracts of microalgae spe -

cies were shown to inhibit the glutaminylcyclase (QC), an enzyme involved in theformation of Aß peptide plaques connec-ted to Alzheimer’s Disease. The inhibitingme tabolites were identified by activity-correlation analysis combining meta bo -lo mics methods with strategies of naturalproduct isolation (reverse metabolomicsapproach). Two QC inhibiting com-pounds could be identified showing aninhibition of 81% and 76% at the concen-tration of 0.25 mg/mL. The concept wona prize in the Hugo Junkers award contestin Saxony-Anhalt and patenting is pend-ing.

In der Arbeitsgruppe Screening sind die Aktivitäten des biologischen, chemischen und virtuellen Screenings gebündelt.Die Schwerpunkte eigener Assay-Entwicklung liegen im Bereich Phytoeffektoren, Antibiotika und bei Assays mit enzyma-tischen Transferasen. Die Anwendungsschwerpunkte sind (a) abiotischer Stress, insbesondere Trockenstress an Nutz -

pflanzen, (b) antibiotische Eigenschaften mit Schwerpunkt auf antifungischer / antibakterieller Wirkung, (c) Zellproliferation(Krebs) bei humanen Zellen, (d) geschmacksmodifizierende Substanzen, z.B. Bittermaskierer, und (e) neuroaktiven Sub stan -zen (Alzheimer, Lernverbesserung u.a.). Es konnten u.a. Substanzen aus Algen mit Potential gegen eine Zielstruktur bei Alz -heimer identifiziert werden, sowie diverse Pilze, die Substanzen gegen pilzliche Schaderreger an Pflanzen erzeugen.

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The group develops and performs biolo-gical, chemical and virtual screening me -thods to elucidate the biological activitiesof small molecules, predominantly naturalproducts and derived compounds. Theemphasis of our proprietary assay deve-lopment is in the areas of whole plantphytoeffector assays, antibiotic assaysand for enzyme-based assays on trans-fe rase reactions. With respect to applica-tion areas, biocidal (antifungal, antibacte -rial, anthelmintic) and cytotoxic (anti-cancer, antimitotic) assays are performed.Other applications are pursued with co o -peration partners, e.g. for flavor & fra-grance applications and CNS active com-pounds.

Several diffusion or surface based assayswere successfully substituted or comple-mented by sophisticated concentrationdependent assays, an especially difficulttask for whole plant applications, or ifcrude extracts with intrinsic tanning,color or reducing properties have to betested. The organism or cell-based bioas-says are complemented by more detailedmolecular assays, e.g. enzyme inhibitionor performance assays (see also RG Che -moenzymatics). The screening platform,which also includes virtual assays not pre-sented here (details see RG Com pu ta ti o -nal Chemistry), is not limited to the De -partment of Bioorganic Chemistry, but isopen to all departments of the IPB, and forpartners in suitable cooperations.

FungicidesIn our ongoing screening program oncompounds active against plant patho-genic fungi, the targeted species are Sep -to ria tritici, Botrytis cinerea, and Cla do -

sporium cucumerinum as well as the oo -mycete Phytophthora infestans. Thesehighly relevant phytopathogens causeenormous losses in crop production.Three different assay systems were deve-loped allowing the evaluation of livingfungal strains, crude extracts from biolo-gical sources and single compounds fortheir antifungal properties:

Our fungal strain collection is scree ned inconfrontation assays using the dual cul-ture technique. The IPB culture collectioncomprises more than 900 strains, most ofthem not available in public culture collec-tions. The strains were tested regardingmycelial growth inhibition of the phyto pa -thogens with the aim to de velop new po -tential biocontrol agents.

The bioautographic spraying assay isdirectly performed on silica-coated TLCplates using mainly Cladosporium cucu -merinum as test organism. This fast andsimple assay is suitable for testing crudeextracts, fractions or pure compounds ina dilution series to determine the mini-

mum inhibitory dose as well as for the se -paration of compounds on the TLC plateprior to application of C. cucumerinum.

Assays in 96-well microtiter plates (MTP)were established on the basis of fungicideresistance action committee (FRAC)approved monitoring methods.

This assay system is suitable to screenfractions, crude extracts or pure com-pounds for their fungicidal activities. Thefungal growth is determined by measure-ment of the optical density (OD).

Anticancer compounds Prostate cancer is one of the most diag-nosed forms of cancer among men inwes tern regions. Many traditional appli-cations or phytotherapeutic conceptspropose to inhibit the proliferation ofpros tate cancer cells. The well charac-terized an drogen de pendent prostatecancer cell lines LNCaP and the andro-gen independent PC-3 were used in amultiple readout assay. The differentialbehavior of the two prostate cancer cell

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ScreeningHeads: Norbert Arnold & Bernhard Westermann

Robert BergerPhD Student

Annika DenkertPhD Student

Anja EhrlichTechnician

Peter-Paul HeymPhD Student

Martina LerbsTechnician

Saskia RitterDiploma Student

Group Members

Dual culture essay

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

Kaleab AsresAddis Ababa University, Ethiopia

Nasser Abdullah Awadh AliUniversity of Sana’a, Yemen

Birgit Dräger, Reinhard Neubert, Edgar Peiter, Klaus Humbeck, Barbara SeligerUniversity of Halle, Germany

Bertram GerberLeibniz Institute for Neurobiology,Magdeburg, Germany

Carola GriehlAnhalt University of Applied Sciences,Köthen, Germany

Hans-Ulrich DemuthFraunhofer-IZI (Institute of Cell Therapy andImmunology), Leipzig / Halle, Germany

Jennifer KeyserSwiss Tropical and Public Health Institute,Switzerland

Sanja Mijatovic, Danijela Maksimovich-IvanicInstitute for Biological Research “SinišaStanković” Belgrad, Serbia

Jens PahnkeUniversitetet i Oslo, Norway

CompaniesBASF SE, Ludwigshafen, Germany

Ontochem GmbH, Halle, Germany

Probiodrug AG, Halle, Germany

Collaborators

Cation-dependent O-methyltransferases Crystal structure data of cation-dependentcatechol O-methyltransferases (COMTs)from mammals and related caffeoyl coen-zyme A-OMTs (CCoAOMTs) from plantshave suggested operative molecular me -chanisms. These include bivalent cationswhich facilitate deprotonation of vicinalaromatic dihydroxy moieties and illustratea conserved arrangement of hydroxyl andcarboxyl ligands consistent with the re -quirements of a metal-activated catalyticmechanism. A previously undetected ca-talytic triad, consisting of Lys157-Asn181-Asp228 was predicted to be required forcomplete methyl transfer in case of a ca t -ion-dependent phenylpropanoid and fla -vonoid OMT by molecular modelling stud-ies (Fig.2). Corresponding experimentalinvestigations (T. Vogt, Dep. Cell andMetabolic Biology) supported this hy po -thesis. This triad appears essential for effi-

cient methyl transfer to catechol-like hy -d roxyl groups in phenolics. The triad isconserved among all characterized plantCCoAOMT-like enzymes, which are re -qui red not only for methylation of solublephenylpropanoids like coumarins or mo -nolignol monomers, but is also present inthe similar microbial and mammalian cat ion-dependent enzymes which me -thyl ate a comparable set of substrates.

Research Data ManagementIPB has introduced a primary data depo-sitory system in which the RG Com pu ta -tional Chemistry was one of the drivingforces. IPB also is a partner in the DFGsupported inter-institutional project RA -DAR – Research Data Repository, a gene-ric, interdisciplinary service for sustain-able preservation and publication of re -search data, including an appropriate me -tadata scheme.

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

Wirkstoffe, z.B. für Anwendungen im Pflanzenschutz vorhergesagt, als auch Erkenntnisse zu Proteinen und deren Bedeu -tung für die Erkennung kleiner Naturstoffe und deren Biosynthese. Im Mittelpunkt der Grundlagenforschung stehen Protein -familien, welche von zentraler Bedeutung für pflanzliche biochemische Kreisläufe sind, mit einem Schwerpunkt auf Transfe -rasen. Auf der Basis von modellierten 3D-Strukturen für Enzyme konnten Vorhersagen für Mutationen erstellt werden, wel-che zur gezielten Änderung der enzymatischen Aktivität führten oder zum Verständnis der Spezifitäten und Funktionen bei-trugen.

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

CollaboratorsLudger BeerhuesTechnical University Braunschweig, Germany

Wilhelm BolandMax Planck Institute for Chemical Ecology,Jena, Germany

Lars BräuerUniversity of Erlangen-Nürnberg, Germany

Birgit Dräger, Jörg Degenhardt, RenateUlbrich-Hofmann, Johanna MansfeldUniversity of Halle, Germany

Thomas Engel, Jörn MartensUniversity of Munich, Germany

Joram EyalInstitute of Plant Sciences, Bet-Dagan, Israel

Matthias Hahn, Matthias RazumLeibniz-Institut für InformationsinfrastrukturFIZ Karlsruhe, Germany

Oliver KayserTechnical University Dortmund, Germany

Angelina Kraft, Janna Neumann, Frauke ZiedornTechnische Informationsbibliothek Hannover,Germany

Michael L. NickersonNational Cancer Institute Frederick,USA

Friedrich PaulsenUniversity of Erlangen-Nürnberg, Germany

Jan PotthoffKarlsruher Institut für Technologie KITKarlsruhe, Germany

Ute Wittstock, Technical University Braunschweig, Germany

CompaniesSKW Piesteritz, Wittenberg, Germany

Symrise AG Holzminden, Germany

OntoChem GmbH Halle, Germany

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Three-dimensional molecular structures ofsmall molecules and proteins, and their re -action mechanisms are broadly investi-gated by methods of computational che -m-is try. As source for in silico screening(see RG Screening) structural databasesare used to predict new substrates or in hi -bi tors of plant enzymes or to developdrugs for medicinal or other applications.In ad dition to the application, we developown methods to fill gaps in the computa-tional possibilities or in data handling. Thusa new semiempirical quantum me chanicalme thod is under development, which ex -ceeds other semiempirical methods in ac -cu racy and computational speed. In datahandling we try to develop standards andbest practices as partner of larger consortia.

Protein structures and functions Protein homology models of a wide rangeof enzymes have been created and didessentially guide and support experimen-tal work. This includes predictions of suit-able mutation sites to detect the activesite or substrate localization, or to aid ra -tional protein redesign for biocatalyticapplications. Covered families of enzy mesare prenylating enzymes, surface ac tiveproteins, phospholipases, N-alkyltransfe -rases such as spermidine synthases andputrescine N-methyltransferases, tropi -none like reductases, O-methyltrans-ferases, glucosyltransferases, poly(ADP-ri -bo se)polymerases (PARPs), plant specifierproteins, serine carboxypeptidases andmore. Two specific projects are detailed inthe following:

Plant specifier proteinsAs components of the glucosinolate-my -rosinase system, specifier proteins con-tribute to the diversity of chemical de -fen ses that have evolved in plants of theBrassicales order as a protection againstherbivores and pathogens. Glucosi no- la tes are thioglucosides that are storedseparately from their hydrolytic enzymes,myrosinases, in plant tissue. Upon tissuedisruption, glucosinolates are hydrolyzedby myrosinases yielding instable aglu-co nes that rearrange to form defensive iso - thiocyanates. In the presence of specifier

proteins, other products, namely simplenitriles, epithionitriles and organic thiocy -anates, can be formed instead of isothio-cyanates, depending on the glucosinolateside chain structure and the type of speci -fier protein. The biochemical role of spe-cifier proteins is largely unresolved. Wehave used two thiocyanate forming pro-teins (TFP) and one epithiospecifier pro-tein with different substrate/product spe -cificities to develop molecular models(Fig. 1), which, in conjunction with muta-tional analyses, allow us to propose an ac -ti ve site and docking arrangements withglucosinolate aglucones that may explainsome of the differences in specifier pro-tein specificities. Furthermore, quantum-mechanical calculations support a reac-tion mechanism for benzylthiocyanateformation including a catalytic role of theTFP involved. These results may serve as abasis for further theoretical and experi-mental investigations of the mechanismsof glucosinolate breakdown that will alsohelp to better understand the evolution ofspecifier proteins from ancestral proteinswith functions outside glucosinolate me -ta bolism.

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Computational ChemistryHeads: Wolfgang Brandt & Andrea Porzel

Susanne AustGuest Researcher

Richard Bartelt Master Student

Anne-Kathrin BlumeMaster Student

Frank Broda System Administrator

Michael Dressel Diploma Student

Iris EckertBachelor Student

Daniela Eisenschmidt PhD Student

Anne Finck PhD Student

Juliane Fischer PhD Student

Filipe R.C.D. FurtadoScientific Coworker

Thomas Herberg PhD Student

Peter-Paul Heym PhD Student

Susan GrunerMaster Student

Martin Kopsch Diploma Student

Silke PienknyScientific Coworker

Felix Rausch PhD Student

Jennifer Szczesny Diploma Student

Jördis-Ann Schüler Master Student

Eva Schulze PhD Student

Group Members

Fig. 1: Tertiary structure model of LsTFP with the aglucone of benzylglucosino-late docked.

Fig. 2: Theoretical calculationsand experimental evidence sug-gest that a proton relay involv ingLys157 – Asn181 – Asp228 is es -sential for the methyl transfer incation-dependent O-methyltrans-ferases (CCoAOMTs).

4342

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

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

Wessjohann, L. A., Schneider, A., Kaluđerović, G.N. & Brandt, W. Solid-phase synthesis of re- du ced selenocysteine tetrapeptides and theiroxi di zed analogs containing selenenylsulfideeight-membered rings. Mol. Diversity 17, 537-545.

Westermann, B., Dörner, S., Brauch, S., Schaks,A., Heinke, R., Stark, S., van Delft, F. L. & van Ber -kel, S. S. CuAAC-mediated diversification ofaminoglycoside–arginine conjugate mimics bynon-reducing di- and trisaccharides. Carbohydr.Res. 371, 61-67.

Wils, C. R., Brandt, W., Manke, K. & Vogt, T. A sin-gle amino acid determines position specificityof an Arabidopsis thaliana CCoAOMT-like O-methyltransferase. FEBS Lett. 587, 683-689.

Wouters, A. D., Bessa, A. B., Sachini, M., Wess jo -hann, L. A. & Lüdtke, D.S. Boron-Zinc exchangein the diastereoselective arylation of sugar-ba sed aldehydes: steroselective synthesis of(+)-7-epi goniofurfurone and analogues.Synthesis 45, 2222-2233.

Book Chapter 2013Degenhardt, A., Wittlake, R., Steilwind, S., Liebig,M., Runge, C., Hilmer, J. M., Krammer, G., Gohr,A. & Wessjohann, L. Quantification of importantflavour compounds in beef stocks and correla-tion to sensory results by „Reverse Metabo lo -mics“. In: Flavour Science (Ferreira, V. & Lopez, R.eds.) Elsevier Amsterdam, S. 15-19, ISBN 978-0-12-398549-1.

Wessjohann, L. A., Kaluđerović, G. N., Neves Fil -ho, R. A. W., Morejon, M. C., Lemanski, G. &Ziegler, T. Further components carboxylic acidand amine (Ugi reaction). In: Science of Synthesis:Vol. 2013, 5 Multicomponent Reactions ( Tho -mas, J. & Müller, J. eds.) Thieme-Verlag Stuttgart,S. 415-502, ISBN 978-3-13-166881-3.

Data Base Entries 2013Brandt, W. Protein model of WEI9-1 with IMTH,Protein Model DataBase PMDB (http:// mi. cas -pur.it/PMDB/main.php) id: PM0078312, relatedto Jakub Kopycki, Biochem. J. 2013; 450(1):37-46.

Brandt, W. Protein Model of Stearolysin, Protein Model DataBase PMDB (http://mi.caspur.it/PMDB/main.php) id: PM0079201, related to Jo -hanna Mansfeld: in: Handbook of ProteolyticEnzymes, in press.

Fischer, J. & Brandt, W. Protein Model of DsPMT,Protein Model DataBase PMDB (http://mi. ca -spur.it/PMDB/main.php) id: PM0078552 relatedto Yvonne Sichhart, et al. Plant Metabolism andChemodiversity, in press.

Fischer, J. & Brandt, W. Protein Model of AtSPDS,Protein Model DataBase PMDB (http://mi.ca -spur.it/PMDB/main.php) id: PM0078550, relatedto Yvonne Sichhart, et al. Plant Metabolism andChemodiversity, in press.

Fischer, J. & Brandt, W. Protein Model of DsSPDS,Protein Model DataBase PMDB (http://mi.ca -spur.it/PMDB/main.php) id: PM0078555, relatedto Yvonne Sichhart, et al. Plant Metabolism andChemodiversity, in press.

Bachelor Thesis 2013Eckert, Iris: Tertiärstrukturmodellierung einerSperminsynthase und einer Thermo spermin -syn thase aus Arapidopsis thaliana. Martin-Lu -ther-Universität Halle-Wittenberg, Institut fürInformatik, 8/10/ 2013.

Master Thesis 2013Schöne, Pia: Untersuchung enzymatischer Re -aktionen mittels NMR-Spektroskopie. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut fürBiochemie und Biotechnologie, 29/10/ 2013.

Diploma Theses 2013Dammann, Alexandra: Fungizide Pilzinhalts stof -fe. Martin-Luther-Universität Halle-Witten berg,Institut für Chemie, Lebensmittelchemie undUmweltchemie, 25/4/2013.

Greff, Anne: Pigmente aus chilenischen Pilzender Gattung Cortinarius. Martin-Luther-Univer -sität Halle-Wittenberg, Institut für Chemie,Le bensmittelchemie und Umweltchemie,25/4/2013.

Köhler, Kati: Afrikanische Heilpflanzen mit zy -to toxischen Eigenschaften. Martin-Luther-Uni -versität Halle-Wittenberg, Institut für Chemie,Lebensmittelchemie und Umweltchemie,25/4/2013.

Lehmann, Henriette: Pigmente aus chilenischenPilzfruchtkörpern. Martin-Luther-UniversitätHalle-Wittenberg, Institut für Chemie, Lebens -mittelchemie und Umweltchemie, 25/4/2013.

Straube, Claudia: Zum Vorkommen von VitaminD-Derivaten in Pflanzen und Pilzen. Martin-Lu -ther-Universität Halle-Wittenberg, Institut fürChemie, Lebensmittelchemie und Umwelt che -mie, 25/4/2013.

Doctoral Theses 2013Geißler, Torsten: Entwicklung von Assays zurUntersuchung chemisch-induzierter Trocken -stresstoleranz. Martin-Luther-Universität Hal -le-Wittenberg, Institut für Chemie, 10/4/2013.

da Silveira Rampon, Daniel: Novos materiaismoleculares funcionais derivados de cal cao -geno ésters e calcogenofenos: Síntese e ca rac -terização. Universidade Federal do Rio Grandedo Sul, Instituto de Química, Porto Alegre, Bra -zil, 1/10/2013.

Wouters, Ana Dioneia: Carbohydrates as star-ting materials for the preparation of chiral sub-strates: applications in enantioselective and dia -stereoselective processes. Sandwich promotionUniversidade de Sao Paulo, Brazil, 7/1/2013.

Publications 2014Ali, A., Correa, A. G., Alves, D., Schpector, J. Z.,Westermann, B., Ferreira, M. A. B. & Paixao, M.W. An efficient one-pot strategy for the highlyregioselective metal-free synthesis of 1,4-di -sub stituted-1,2,3-triazoles. Chem. Commun. 50,11926-11929.

Ali, N. A. A., Sharopov, F. S., Al-Kaf, A. G., Hill, G.M., Arnold, N., Al-Sokari, S. S., Setzer, W. N. &Wessjohann; L. A. Composition of essential oilfrom Tagetes minuta and its cytotoxic, antioxi-dant and antimicrobial activities. Nat. Prod. Com -mun. 9, 265-268.

Ali, N. A. A., Wurster, M., Denkert, A., Al-Sokari,S. S., Lindequist, U. & Wessjohann, L. A. Cyto to -xic and antiphytofungal activity of the essentialoils from two artemisia species. World J.Pharmac. Res. 3., 1350-1354.

Balbín, A., Gaballo, F., Ceballos-Torres, J., Pra -shar, S., Fajardo, M., Kaluđerović, G. N. & Gó -mez-Ruiz, G. Dual application of pd nanopartic -les supported on mesoporous silica SBA-15and MSU-2: supported catalysts for C–C cou-pling reactions and cytotoxic agents against hu -man cancer cell lines. RSC Adv. 4, 54775-54787.

Barretto, A. F. S., Vercillo, O. E., Wessjohann, L. A.& Andrade, C. K. Z. Consecutive isocyanide-ba sed multicomponent reactions: synthesis ofcy clic pentadepsipeptoids. Beilstein J. Org. Chem.10, 1017-1022.

Publications 2013Ali, N. A. A., Al-Fatimi, M. A., Crouch, R. A., Den -kert, A., Setzer, W. N. & Wessjohann, L. A. An ti -microbial, antioxidant, and cytotoxic activitiesof the essential oil of Tarchonanthus camphora-tus. Nat. Prod. Commun. 8, 683-686.

Berger, R., Bornscheuer, U., Liese, A., Schwa ne -berg, U., Syldatk, C. & Wessjohann, L. A. Bio tech -nologie von morgen. Biospektrum 19, 208-210.

Bette, M., Kluge, T., Schmidt, J. & Steinborn, D.Diacetylplatinum(II)-complexes with coordi-nated tris(pyridyl)methanol and tris(py ri dyl) -methyl ether ligands: structural insight into theligand dynamics in solution. Organometallics 32,2216-2227.

Bette, M., Schmidt, J. & Steinborn, D. Di a ce tyl -platinum(II) and -platinum(IV) com ple xes bea r -ing 2- and 3-coordinated tris(pyrazo lyl) me -thane ligands: Investigations on the syn the sis,fluxionality, and reactivity in relation to the sub -sti tution pattern of the ligands. Eur. J. Inorg. Chem.,2395-2410.

Brandt, W., Backenköhler, A., Schulze, E., Plock,A., Herberg, R., Roese, E. & Wittstock, U. Mo le -cular models and mutational analyses of plantspecifier proteins suggest active site residuesand reaction mechanism. Plant Mol. Biol., er schie -nen: Vol. 84 (2014) 173-188.

Brauch, S., van Berkel, S. S. & Westermann, B. Hi -gher-order multicomponent reactions: beyondfour reactants. Chem. Soc. Rev. 42, 4948-4962.

Chaudhuri, S. R., Kaluđerović, G. N., Bette, M.,Schmidt, J., Schmidt, H., Paschke, R. & Steinborn,D. Synthesis, characterization and cytotoxicitystudies of platinum(II) complexes with aminoacid ligands in various coordination modes. In -org. Chim. Acta 394, 472-480.

Farag, M. A., Mahrous, E. A., Lübken, T., Porzel, A.& Wessjohann, L. A. Classification of commer-cial cultivars of Humulus lupulus L. (hop) by che -mo metric pixel analysis of two dimensionalnuclear magnetic resonance spectra. Meta bo lo -mics, erschienen: Vol. 10 (2014) 21-32.

Farag, M. A., Sherweit, H., E.-A., Elian, F. S. &Wessjohann, L, A. Metabolomics driven analysisof artichoke leaf and its commercial productsvia UHPLC–q-TOF-MS and chemometrics. Phy -tochemistry 95, 177-187.

Farag, M. A., Weigend, M., Luebert, F., Brokamp,G. & Wessjohann, L. A Phytochemical, phyloge -ne tic, and anti-inflammatory evaluation of 43 Ur -tica accessions (stinging nettle) based onUPLC -Q-TOF-MS metabolomic profiles. Phyto -chemistry 96, 170-183.

Farag, M. A., Gad, H. A., Heiss, A. G. & Wess jo -hann, L. A. Metabolomics driven analysis of sixNigella species seeds via UPLC-qTOF-MS andGC-MS coupled to chemometrics. Food Chem. ,erschienen: Vol. 151 (2014) 333-342.

Frick, S., Nagel, R., Schmidt, A., Bodemann, R. R.,Rahfeld, P., Pauls, G., Brandt, W., Gershenzon, J.,Boland, W. & Burse, A. Metal ions control pro-duct specificity of isoprenyl diphosphate syn -tha ses in the insect terpenoid pathway. PNAS110, 4194-4199.

Güttler, B. H. O., Cynis, H., Seifert, F., Ludwig, H.H., Porzel, A. & Schilling, S. A quantitative analy-sis of spontaneous isoaspartate formation fromN-terminal asparaginyl and aspartyl residues.Amino Acids 44, 1205-1214.

Gulyas-Fekete, G., Boluda, C. J., Westermann, B.& Wessjohann, L. A. Anti-Friedel-Crafts-typesubstitution to form biaryl linkages. Synthesis45, 3038-3043.

Heinke, R., Schöne, P., Arnold, N., Wessjohann,L. A. & Schmidt, J. Metabolite profiling and fin-gerprinting of Suillus species (Basidiomycetes)by electrospray mass spectrometry. Eur. J. MassSpectrom., erschienen: Vol. 20 (2014) 85-97.

Jockovi, N., Fischer, W., Brandsch, M., Brandt, W.& Dräger, B. Inhibition of human intestinal α-glucosidases by calystegines. J. Agr. Food Chem.61, 5550.

Junker, A., Fischer, J., Sichhart, Y., Brandt, W. &Dräger, B. Evolution of a key alkaloid enzymeputrescine N-methyltransferase from spermi-dine synthase. Front. Plant Science 4, Art. 260, 1-11.

Lira, L. M., Vasilev, D., Pilli, R. A. & Wessjohann, L.A. One-pot synthesis of organophosphate mo -noesters from alcohols. Tetrahedron Lett. 54,1690-1692.

Mihály, T., Bette, M., Mihály, B., Schmidt, J.,Schmidt, H. & Steinborn, D. Synthesis, structureand characterization of adenine-based amino -carbene complexes of platinum(II). J. Organo me -tall. Chem. 739, 57-62.

Nguyen, T. H. A., Thuy, T. T., Sung, T. V., Tran, K. D.,Nguyen, B. C., Nguyen, Q., Franke, K., Arnold, N.& Wessjohann, L. A. Phytochemical study on theplants of the antidrug medication Heantos 4.Part 2. Terpenoid- and steroid compounds. TapChi Hoa Hoc (Vietnam. J. Chem.) 51, 189-193.

Nguyen, T. H. A., Thuy, T. T., Sung, T. V., Tran, K. D.,Nguyen, B. C., Nguyen, Q., Franke, K., Arnold, N.& Wessjohann, L. A. Phytochemical study on theplants of the antidrug medication Heantos 4.

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

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

Porzel, A., Farag, M. A., Mülbradt, J. & Wess jo -hann, L. A. Metabolite profiling and fingerprint -ing of Hypericum species: a comparison of MSand NMR metabolomics. Metabolomics, erschie -nen: Vol. 10 (2014) 574-588.

Rivera, D. G., Leon, F., Concepcion, O., Morales,F. E. & Wessjohann, L. A. A multiple multicompo-nent approach to chimeric peptide–peptoidpodands. Chem. Europ. J. 19, 6417-6428.

Schmidts, V., Fredersdorf, M., Lübken, T., Porzel,A., Arnold, N., Wessjohann, L. A. & Thiele, C. M.RDC-based determination of the relative con-figuration of the fungicidal cyclopentenone 4,6-diacetylhygrophorone A. J. Nat. Prod. 76, 839-844.

Simas, N. K., Dellamora, E. D. L., Schripsema, J.,Lage, C. L. S., de Oliveira, A. M., Wessjohann, L.A., Porzel, A. & Kuster, R. M. Acetylenic 2-phe -nylethylamides and new isobutylamides fromAcmella oleracea (L.) R. K. Jansen, a Brazilian spi ce with larvicidal activity on Aedes aegypti.Phy tochem. Lett. 6, 67-72.

Solé, M., Brandt, W. & Arnold, U. Striking stabi-lization of Rana catesbeiana ribonuclease 3 byguanidine hydrochloride. FEBS Lett. 587, 737-742.

Staniek, A., Bouwmeester, H., Fraser, P.D., Kay -ser, O., Martens, S., Tissier, A., van der Krol, S.,Wessjohann, L. & Warzecha, H. Natural pro-ducts – modifying metabolite pathways inplants. Biotech. J. 8, 1159-1171.

Stehle, F., Götsch, F., Wray, V., Schmidt, J. Strack,D. & Brandt, W. Snap-shot of serine carboxy -peptidase-like acyltransferase evolution: Theloss of conserved disulphide bridge is respon-sible for the completion of neo-functionaliza-tion. J. Phylogen. Evoluation. Biol. 1, 1-9.

Thuy, T. T., Nguyen, H. A., Sung,T. V., Tran, K. D.,Nguyen, B. C., Nguyen, Q., Franke, K., Arnold,N. & Wessjohann, L. A. Phytochemical study onthe plants of the antidrug medication Heantos4. Part 1. Alkaloids and other nitrogen contain-ing compounds. Tap Chi Hoa Hoc (Vietnam J. ofChem.) 51, 184-188.

Publications and other Activities of the Department of Bioorganic Chemistry

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protein of the lung: three-dimensional struc-ture, characterisation and immune activation.Eur. Respir. J. 44, 447-456.

Staniek, A., Bouwmeester, H., Fraser, P. D., Kay -ser, O. Martens, S., Tissier, A., van der Krol, S.,Wessjohann, L. & Warzecha, H. Natural pro-ducts – learning chemistry from plants. Bio tech -nol. J. 9, 326-336.

Wessjohann, L. A. & Dessoy, M. A. An efficientmethod for the preparation of silyl esters of di -phosphoric, phosphoric, and phosphorous acid.Polyhedron 70, 133-137.

Wessjohann, L. A. Reverse metabolomics - me -tabolomics in drug discovery: connecting meta -bolomic profiles with phylogenetic, medicinaland flavoring properties. 3. International Con fe -rence and Exhibition on Metabolomics and Sys -tems Biology, San Antonio, March 24-26, 2014.Me tabolomics 4, 70.

Wessjohann, L. A., Weigel, B., Keim, J., Ludwig, S.& Weber, R. Terpenoids 2.0 – new ways in thediscovery and synthesis of bioactive com-pounds. Chem. Listy 108, 100.

Zmejkovski, B. B., Savić,A., Poljarević, J., Pantelić,N., Aranđelović, S., Radulović, S., Grgurić-Šipka,S., Kaluđerović, G. N. & Sabo, T. J. Synthesis, cha -racterization and in vitro antitumor activity ofnew palladium(II) complexes with (S,S)-R2edda-type esters. Polyhedron 80, 106–111.

Book Chapter 2014Wessjohann, L. A., Neves Filho, R. A., Puentes, A.A. & Morejon, M. C. Macrocycles from multi -com ponent reactions. In: Multicomponent Reac -tions in Organic Synthesis (Zhu, J., Wang, Q. &Wang, M. eds.) Wiley-VCH Weinheim, S. 231-264, ISBN 978-3-527-33237-3.

Wessjohann, L., Dippe, M., Tengg, M. & Gruber-Khadjawi, M. Methyltranserases in biocatalysis.In: Cascade biocatalysis (Riva, S, & Fessner, W.D.eds.) Wiley-VCH Weinheim, S. 393-426. ISBN978-3-527-33522-0.

Bachelor Theses 2014Gauglitz, Marcel: Eine modulare und stereose-lektive Synthese von Terpenoiden und ihrestrukturelle Analyse mittels NMR-Spek tros ko -pie. Martin-Luther-Universität Halle-Witten -berg, Institut für Biochemie und Biotech no lo -gie, 23/9/2014.

Schneider, Tobias: Untersuchung des biocata ly ti -schen Potentials von Angucyclin-Oxidasen ausder Oviedomycin-Biosynthese. Martin-Luther-

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

Master Theses 2014Bartelt, Richard: In silico Untersuchungen der„cineole cassette“ Monoterpenoid-Synthasender Gattung Nicotiana. Martin-Luther-Uni ver si -tät Halle-Wittenberg, Institut für Biochemieund Biotechnologie, 18/6/2014.

Ristok, Christian: Effects of leaf litter diversityon the decomposition of plant polyphenols.Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg,Institut für Biologie, 4/9/2014.

Diploma Theses 2014Hummel, Johanna: Isolierung bioaktiver Sub s tan -zen aus afrikanischen Heilpflanzen. Martin-Lu -ther-Universität Halle-Wittenberg, Institut fürChemie, Lebensmittelchemie und Umwelt -chemie, 24/4/2014.

Laub, Annegret: Synthese, Strukturaufklärungund Evaluierung von antibiotischen Aib-haltigenPeptiden. Martin-Luther-Universität Halle-Wit -tenberg, Institut für Chemie, Lebensmittel che -mie und Umweltchemie, 24/4/2014.

Schaller, Julia: Sekundärmetabolite aus chile ni -schen Pilzen: Amighinella australis Speg. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institutfür Chemie, Lebensmittelchemie und Umwelt -chemie, 24/4/2014.

Schumann, Anja: Nachweis von Vitamin D inausgesuchten Pflanzensippen und Pilzen. Mar -tin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Insti -tut für Chemie, Lebensmittelchemie und Um -weltchemie, 24/4/2014.

Doctoral Theses 2014Brauch, Sebastian: Novel tools for protein ana -lysis and modification - From chemical probesto new ligation methods. Martin-Luther-Uni -versität Halle-Wittenberg, Institut für Chemie,6/2/2014.

Keim, Jeanette: Biokatalytische Umsetzung vonnatürlichen und artifiziellen Prenyldi phos pha -ten. Martin-Luther-Universität Halle-Witten -berg, Institut für Pharmazie, 6/11/2014.

Klein, Robert: Modellierung von Prenyltrans fe -rasen und Terpensynthasen und Untersu chun -gen zum molekularen Docking von Reaktions -intermediaten. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Chemie, Physik undMathematik, 24/6/2014.

Habilitation 2014Kaluđerović, Goran: Contributions to the de -velopment of anticancer metallotherapeutics -from metal compounds to nanomaterials. Mar -tin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Insti -tut für Chemie, Physik und Mathematik,22/5/2014.

Publications 2014Barroso, S., Coelho, A. M., Gómez-Ruiz, S., Cal -horda, M- J., Zizak, Z., Kaluđerović, G. N. & Mar -tins, A. M. Synthesis, cytotoxic and hydrolyticstudies of titanium complexes anchored by atripodal diamine bis(phenolate) ligand. DaltonTrans. 43, 17422-17433.

Bobach, C., Tennstedt, S., Palberg, K., Denkert,A., Brandt, W., de Meijere, A., Seliger, B. & Wess -johann, L. A. Screening of synthetic and naturalproduct databases: identification of novel andro-gens and antiandrogens. Eur. J. Med. Chem.,gedruckt er schienen: Vol. 90 (2015) 267-279.

Bobach, C., Schurwanz, J., Franke, K., Denkert,A., Sung, T. V., Kuster, R., Mutiso, C. M., Seliger, B.& Wessjohann, L. A. Multiple readout assay forhormonal (androgenic and antiandrogenic) andcytotoxic activity of plant and fungal extractsbased on differential prostate cancer cell linebehavior. J. Ethnopharmacol. 155, 721-730.

Bulatović, M. Z., Maksimović-Ivanić, D., Bensing,C., Gomez-Ruiz, S., Steinborn, D., Schmidt, H.,Mojić, M., Korać, A., Golić, I., Perez-Quintanilla,D., Momćilović, M., Mijatović, S. & Kaluđerović,G. N. Organozinn(IV)-beladenes mesoporösesSiO2 als biokompatible Strategie bei der Krebs -therapie. Angew. Chem. 126, 6092-6097.

Bulatović, M. Z., Maksimović-Ivanić, D., Bensing,C., Gomez-Ruiz, S., Steinborn, D., Schmidt, H.,Mojić, M., Korać, A., Golić, I., Perez-Quintanilla,D., Momćilović, M., Mijatović, S. & Kaluđerović,G. N. Organotin(IV)-loaded mesoporous silicaas a biocompatible strategy in cancer treat-ment Angew. Chem. Int. Ed. 53, 5982 –5987.

Đorđević, M., Jeremić, D., Kaluđerović, G. N.,Gómez-Ruiz, S., Anđelković, B., Radanović, D. &Brčeski, I. Synthesis and spectroscopic proper-ties of large single-crystals of Pb(II), Hg(II) andSr(II) methanesulfonato 1D coordination poly-mers. Polyhedron 80, 282–289.

Eichhorn, T., Hey-Hawkins, E., Maksimović-, Iva -nić, D., Mojić, M., Schmidt, J., Mijatović, S.,Schmidt, H. & Kaluđerović, G. N. Binuclear di -chlorido(η6-p-cymene)ruthenium(II) complexeswith bis(nicotinate)- and bis(isonicotinate)-po -lyethylene glycol ester ligands. Appl. Organomet.Chem., erschienen: Vol. 29 (2015) 20–25.

El Senousy, A. S., Farag, M. A., Al-Mahdy, D. A. &Wessjohann, L. A. Developmental changes inleaf phenolics composition from three arti-cho ke cvs. (Cynara scolymus) as determined viaUHPLC–MS and chemometrics. Phytochemistry108, 67-76.

Farag, M. A., Mohsen, M., Heinke, R. & Wess jo -hann, L. A. Metabolomic fingerprints of 21 date

palm fruit varieties from Egypt using UPLC/PDA/ESI–qTOF-MS and GC–MS analyzed bychemometrics. Food Res. Int. 64, 218–226.

Farag, M. A., Abdelfattah, M. S., Badr, S. E. A. &Wessjohann, L. A. Profiling the chemical contentof Ficus lyrata extracts via UPLC-PDAqTOF-MSand chemometrics. Nat. Prod. Res. 28, 1549-1556.

Farag, M. A., Porzel, A. & Wessjohann, L. A. Un e -quivocal glycyrrhizin isomer determination andcomparative in vitro bioactivities of root ex -tracts in four Glycyrrhiza species. J. Adv. Res.,gedruckt er schienen: Vol. 6 (2015) 99-104.

Fobofou Tanemossu, S. A., Franke, K., Arnold, N.,Schmidt, J., Wabo, H. K., Tane, P. & Wessjohann,L. A. Rare biscoumarin derivatives and flavo n-o ids from Hypericum riparium. Phytochemistry105, 171-177.

Gómez-Ruiz, S., Žižak, Ž. & Kaluđerović, G. N.Structural studies and cytotoxic activity againsthuman cancer cell lines of mono and dinucleartin (IV) complexes with the α,α′-dimercapto-o-xylene ligand. Inorg. Chim. Acta 423 B, 117-122.

Heymann, T., Westphal, L., Wessjohann, L. &Glomb, M. A. Growing and processing condi-tions lead to changes in the carotenoid profileof spinach. J. Agr. Food Chem. 62, 4960-4967.

Kluge, T., Bette, E., Bette, M., Schmidt, J. & Stein -born, D. Hydrazone–diacetyl platinum(II) com-plexes: substituent effect on intramolecularN–H⋯O hydrogen-bond strength. J. Organo -met. Chem. 762, 48-57.

Landgraf, R., Smolka, U., Altmann, S., Eschen-Lippold, L., Senning, M., Sonnewald, S., Weigel, B.,Frolova, N., Strehmel, N., Hause, G., Scheel, D.,Böttcher, C. & Rosahl, S. The ABC transporterABCG1 is required for suberin formation inpo tato tuber periderm. Plant Cell 26, 3403-3415.

Linh, D. T. P., Bui T.T.H., Do D.Q., Duong M.L.,Arnold, N., Schmidt, J., Porzel, A. & Dang N.Q.Cytotoxic constituents from the Vietnamesefungus Xylaria schweinitzii. Nat. Prod. Comm. 9,659-660.

Mansfeld, J., Schöpfel, M., Lorenz, J., Trutschel, T.,Heilmann, I., Brandt, W. & Ulbrich-Hofmann, R.Probing selected structural regions in the se -creted phospholipase A2 from Arabidopsisthaliana for their impact on stability and activi-ty. Biochimie 101C, 60-66.

Monte, I., Hamberg, M., Chini, A., Gimenez-Iba -nez, S., Carcia-Casado, G., Porzel, A., Pazos, F.,Boter, M. & Solano, R. Rational design of a li-gand-based antagonist of jasmonate percep-

tion. Nat. Chem. Biol. 10, 671-676.

Müller, H., Heinke, R., Heinze, M., Schmidt, J. &Roos, W. Self-regulation of phytoalexin produc-tion: a non biosynthetic enzyme controls alka-loid biosynthesis in cultured cells of Esch schol-zia californica. Plant Cell Tiss. Organ. Cult. 119, 661–676.

Nakamura, Y., Paetz, C., Brandt, W., David, A.,Rendón-Anaya, M., Herrera-Estrella, A., Mit hö -fer,A. & Boland, W. Synthesis of 6-substituted 1-oxoindanoyl isoleucine conjugates and mode-ling studies with the COI1-JAZ co-Receptorcomplex of lima bean. J. Chem. Ecol. 40, 687-699.

Otto,A., Porzel,A., Schmidt, J., Wessjohann, L. A.& Arnold, N. Penarines A-F, novel (nor-)sesqui -terpene carboxylic acids from Hygrophorus pe -narius (Basidiomycetes). Phytochemistry 108,229-233.

Pantelić, N., Stanojković, T. P., Zmejkovski, B. B.,Sabo, T. J. & Kaluđerović, G. N. In vitro antican ceractivity of gold(III) complexes with some estersof (S,S)-ethylenediamine-N,N′-di-2-pro panoicacid. Europ. J. Med. Chem., gedruckt er schienen:Vol. 90 (2015) 766–774.

Pantelić, N., Zmejkovski, B. B., Stanojković, T. P.,Jevtić,V. V., Radić, G. P., Trifunović, S. R., Kalu đe -rović, G. N. & Sabo, T. J. Synthesis and high in vitrocytotoxicity of some (S,S)-ethylenediami ne-N,N’-di-2-propanoate dihydrochloride es ters. J.Serb. Chem. Soc. 79, 649–658.

Rampon, D. S., Wessjohann, L. A. & Schneider, P.H. Palladium-catalyzed direct arylation of sele -nophene. J. Org. Chem. 79, 5987-5992.

Rausch, F., Schicht, M., Bräuer, L., Paulsen, F. &Brandt, W. Protein modeling and molecular dy -namics simulation of the two novel surfactantproteins SP-G and SP-H. J. Mol. Model. 20, 2513.

Reinhardt, N., Fischer, J., Coppi, R., Blum, E.,Brandt, W. & Dräger, B. Substrate flexibility andreaction specificity of tropinone reductase-likeshort-chain dehydrogenases. Bioorg. Chem. 53,37-49.

Rivera, D., Vasco, A. V., Echemendía, R., Con cep -ción, O., Pérez, C. S., Gavin, J. A. & Wessjohann,L. A.A Multicomponent conjugation strategy tounique N-steroidal peptides: first evidence ofthe steroidal nucleus as a beta-turn inducer inacyclic peptides. Chem. Eur. J. 20, 13150-13161.

Schicht, M., Rausch, F., Finotto, S., Mathews, M.,Mattil, A., Schubert, M., Koch, B., Traxdorf, M.,Bohr, C., Worlitzsch, D., Brandt, W., Garreis, F.,Sel, S., Paulsen, F. & Bräuer, L. SFTA3, a novel

Publications and other Activities of the Department of Bioorganic Chemistry

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Die pflanzliche Entwicklung ist in genetischen Pro -gram men festgelegt, jedoch durch biotische undabiotische Umweltfaktoren weitgehend modu -

lierbar. Dadurch ist ge währleistet, dass einerseits Ent -wicklungsprozesse langfristig an die jeweiligen Stand -ortbedingungen angepasst werden und an dererseitskurzfristig Schutz- beziehungsweise Anpassungs re ak -tionen in Stresssituationen möglich sind, was bei derzu meist sessilen Lebensweise von Pflanzen von beson-derer Be deutung ist. Voraussetzung für die Einleitungdieser Prozesse ist die Fä hig keit von Pflanzen, Um welt -faktoren und deren Ver änderung spezifisch zu erken-nen und über Signaltrans duk tionsnetzwerke in ent spre -chend modifizierte Genexpressions-, Protein- und Me -tabolitenmuster zu übersetzen. Die Unter su chung dermolekularen Mechanismen dieser Vorgänge steht imMittelpunkt der Forschungsarbeiten der Abteilung. Da -bei liegt der Schwerpunkt im Bereich biotischer Um -weltfaktoren.

Pflanzen sind gegen die meisten Pathogene in ihrerUmgebung resistent. Diese stabile Nichtwirts-Resistenzberuht auf der Ak tivierung einer aus vielen Kom po nen -ten bestehenden Ab wehr reaktion, die nach Rezeptor -vermittelter Erkennung der potentiellen Pathogeneüber komplexe Signalnetzwerke aktiviert wird. Die inder pflanzlichen Plasmamembran lokalisierten Re zep to -ren erkennen typische mikrobielle Strukturen, die fürde ren Biologie wichtig sind, in der Pflanze aber nichtexistieren. Beispiele für diese sogenannten Mikroben-oder Pathogen- as soziierten molekularen Muster(MAMPs oder PAMPs) sind Fragmente des Chitins oderGlukans der pilzlichen Zellwände oder des Flagellinsder bakteriellen Flagellen. Die Nichtwirts-Resistenz wirddeshalb auch als PAMP-vermittelte Immunität bezeich-net.

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

fektoren unterdrüc ken, die sie entweder in den Apo -plasten sekretieren oder sogar in die Pflanzenzelle in ji -zieren, wo sie mit Erkennungs- oder Sig naltrans duk -tions-Vorgängen interferieren und die Pflanze em p -findlich gegenüber dem Pathogen machen. Dieses Phä -nomen ist als Effektor-vermittelte Suszeptibilität be -kannt. Im Laufe der Koevolution mit ihren Pathogenenha ben Pflanzen Mecha nis men entwickelt, die es ihnener möglichen, spezifische Ef fek toren mit Hilfe von Re sis -tenzproteinen zu erkennen und eine sehr effektive Re -sistenzreaktion gegen Pathogene auszulösen, die die -sen Effektor exprimieren. Dadurch kommt es zur Wirts -resistenz, die auch als Effektor-vermittelte Immunitätbezeichnet wird. Mehrere Arbeitsgruppen der Abtei -lung untersuchen Effektoren, Erkennungs-, Sig nal trans -duktions- und Gen ak ti vie rungsprozesse, die bei denverschiedenen Wechselwirkungen von Pflanzen und Pa -thogenen eine Rolle spielen.

Reaktionen von Pflanzen auf Umweltfaktoren drückensich letzt endlich in einem veränderten Muster von Me -taboliten aus. Da rüber hinaus sekretieren Pflan zen wur -zeln eine große Anzahl von Stoffen in die Rhizosphäre.Auch das Muster der se kre tier ten Stoffe ist genetischdeterminiert und wird durch Um welt faktoren moduliert.Es wird vermutet, dass Komponenten die ser sogenann -ten Exsudate an der chemischen Kommunikation zwi-schen verschiedenen Organismen beteiligt sind. Umdie se Ver änderungen detektieren zu können, wurdenMe thoden zur umfassenden Analyse von Metabolitenmittels Massen spek tro metrie etabliert. Diese Methodenwerden darüber hinaus zur biochemischen Phä no ty pi -sierung von Mutanten verwendet. Das umfassende Me -taboliten-Profiling erforderte die Etab lie rung einer Bio -informatik- und Metabolomics-Plattform, die ei ne Er stel -lung von Datenbanken und Anwendungen für eine Ana -lyse und Annotation insbesondere von massenspektro -me trischen Messdaten beinhaltet.

Plant development is in principle genetically de ter -mi ned, but these programs are modulated to cer-tain de gree by abiotic and biotic environmental

factors. Thereby, deve lop mental programs are on along-term basis adapted to speci fic local conditionsand protective as well as defense reactions are rapidlyinitiated during stress situations. This is a particular ad -vantage for the mostly sedentary living plants. A prere -quisite for the initiation of such adaptation and defenseprocesses is the ability of plants to specifically recog-nize environmental factors, as well as their variation andto subsequently activate signal transduction networksthat translate the perceived signal into appropriatelymodified gene expression, protein and me ta bolite pat-terns. The investigation of the molecular mechanismsunderlying these processes is the main research topicof the department, with the focus in the area of bioticinteractions.

Plants are resistant against most pathogens in their en -vironment. This durable nonhost resistance relies onthe activation of a multi-component defense response,which is initiated by receptor-mediated recognition ofpotential pathogens through complex signaling net-works. The plant plasma membrane-lo calized receptorsperceive typical microbial structures that are of impor-tance for microbial biology, but absent from plants. Ex -amples for such microbe- or pathogen-associated mo -lecular patterns (MAMPs or PAMPs) are fragments ofchitin or glucan from fungal cell walls or of flagellinfrom bacterial flagella. The re fore, nonhost resistance isalso called PAMP-triggered immunity.

Successful pathogens are able to suppress PAMP-medi-ated de fense responses by secreting effectors into theplant apoplast or injecting them into plant cells, wherethey affect recognition or signaling processes and the -reby render the plant susceptible to the correspondingpathogen. This phenomenon is cal led effector-trigge red

immunity. During co-evolution with their patho gensplants evolved mechanisms to recognize specific effec-tors by resistance proteins. This perception event initi-ates an efficient defense response against pa tho gensexpressing these effectors, resulting in host resistanceor effector-trigge red immunity. The work of several re -search groups of the de partment focuses on the analy-sis of effectors, as well as of re cognition, signal trans-duction and gene activation processes in plant-pa tho -gen interactions.

Plant responses to environmental factors finally result inal te red patterns of metabolites. Furthermore, plantroots secrete a large number of compounds into therhizosphere. Also the pattern of these secreted com-pounds is genetically determined and modulated byenvironmental factors. In fact, it is believed that exu-date consti tu ents are involved in chemical communica-tion between different organisms. In order to be able todi rectly monitor such alterations, mass spectrometry-ba sed me thods have been established allowing thecomprehensive profiling of metabolites. These methodsare also be ing employed for biochemical phenotypingof mutants. Comprehensive me tabolite profiling re qui redthe establishment of metabolomics and bioinforma ticsplatforms including the development of appropriate da -tabases and tools for analysis and annotation of prima-rily mass spectrometry data.

Department of Stress and Developmental BiologyHead: Professor Dierk ScheelSecretary: Susanne Berlin

Abteilung Stress- und EntwicklungsbiologieLeiter: Professor Dierk ScheelSekretariat: Susanne Berlin

late regarding fungal growth in planta anddisease phenotype.

Besides species-specifically occurringgenes a few genes were found that arespecies-specifically expressed in plantadespite the presence of paralogs in bothR. commune and R. secalis. Future re -search therefore aims at identifying addi-tional genes by RNA sequencing that maycontribute to species specificity based ontheir expression characteristics duringpathogenesis. Furthermore, several of thecandidate effector genes are members ofsmall gene families. Therefore, using theR. commune NIP2 gene family as a casestudy an RNAi system was establishedthat allows functio nal studies of a smallnumber of genes by their simultaneousdown-regulation.

(5) The fungal proteomeIn a pilot experiment, gene expression in

R. commune grown ex planta was ana- ly zed at the protein level by mass spectro-metric techniques (LC-MS/MS) using aprotein database derived from the genemodels. Nearly 3,000 peptide spectrummatches (PSMs) were identified in proteinextracts from fungal mycelia, conidia andculture filtrate. Future experiments aim atanalyzing and quantifying fungal proteinabundance during pathogenesis as an es -sential complement of transcriptomeanalysis.

(6) Fungal secondary metabolismIn addition to proteins, fungal secondarymetabolites may play a role during patho-genesis. The genomes of the Rhyn cho -sporium species contain different num-bers of genes coding for typical key en -zymes of secondary biosynthesis such aspolyketide synthases (PKS, 7-11), non-ribo-somal peptide synthetases (NRPS, 3-5)and hybrid enzymes (PKS-NRPS, 2-3). De -

letion of two of these genes in R. commu -ne led to the identification of a PKS prod-uct. In cooperation with the Departmentof Bioorganic Chemistry LC/MS- and NMR-based techniques are used to establishthe structure of this component as well asto identify products of additional sec-ondary metabolism enzymes.

Für die Gattung Rhynchosporium wurden bisher fünf Pilzarten beschrieben, die mit hoher Wirtsspezifität eine Blattflecken -krankheit auf verschiedenen Grasarten einschließlich der Getreide Gerste, Roggen und Triticale verursachen. Durch phy-logenetische Untersuchungen unter Verwendung der Sequenzen von sechs Genen wurden die Verwandtschafts ver hält -

nisse zwischen diesen Arten ermittelt und die Gattung in das System der Ascomyceten eingeordnet. Hauptziel der Arbeiten istjedoch die Identifizierung der molekularen Faktoren, die der pilzlichen Virulenz und insbesondere der Spezialisierung auf be -stimmte Wirtspflanzenarten zugrunde liegen. Hierzu wurden durch vergleichende Genomanalyse spezifische Effektor-Kan di -datengene identifiziert, die derzeit funktionell charakterisiert werden. Darüber hinaus wird die Rolle von Sekundärstoffen beider Pathogenese untersucht.

CollaboratorsAnna AvrovaThe James Hutton Institute, Dundee,Scotland, UK

Bruce FittUniversity of Hartfordshire, Hatfield, UK

Martin Münsterkötter, Ulrich GüldenerInstitute of Bioinformatics and SystemsBiology, Helmholtz Center, Munich, Germany

Matthias Platzer, Stefan Taudien, Marius FelderLeibniz Institute for Age Research – FritzLipmann Institute, Jena, Germany

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(1) Phytopathogens of the Rhyncho sporium genusFungi of the genus Rhynchosporium arecausal agents of scald on a variety ofgrasses including the cereal species bar-ley, rye and triticale. The five fungal spe -cies described to date differ in their hostspecificity and fall into two groups ba sedon conidiospore morphology (Fig. 1). Thebeaked-conidia group (BCG) comprises R.commune, which is pathogenic to Hor de -um species including cultivated barley (H.vulgare) and brome grass (Bro mus spp.),R. secalis, which is speciali zed to rye (Se -cale cereale) and triticale, and R. agropyri,which is found on couch grass (Agropyronspp.). In contrast, R. or thosporum and R.lolii, which grow on or chard grass (Dac ty -lis glomerata) and on perennial rye grass(Lolium perenne), re spectively, establishthe cylindrical-conidia group (CCG). Eco -nomically important worldwide is the dis-ease caused by R. commune on barley.Yield losses as high as 40% have been re -ported. How ever, yield reductions of 5-10% are probably more common account- ing for economic losses in the order of500 Mio €/a in the EU-27 countries.

(2) Rhynchosporium genomicsIn recent years, comparative genomics ona number of phytopathogenic fila men -tous fungi and oomycetes have un veiledmicrobial genes that play important rolesduring pathogenesis. With the same pur-

pose the genomes of isolates from theRhynchosporium species were sequen ced,assembled (c. 55 Mb) and annotated (c. 12,000 genes) in cooperation with col-leagues at the Leibniz In sti tute for Age Re -search, Jena, at the Uni versity of Hert ford -shire, Hatfield, UK, and at the Helm holtzCenter in Munich.

(3) Phylogenetic analysisTo study the genetic relationship of thefive Rhynchosporium species a phyloge-netic analysis was carried out using multi-locus DNA sequence information. To thisend, the sequences coding for EF1-α andRNA polymerase II subunits RPB1 andRPB2 were extracted from the ge nomedata base. In addition, the rDNA regions(18S rDNA, ITS1-5.8S rDNA-ITS2, 28S rDNA)were obtained by Sanger se quen cing. Theresulting phylogeny confirms the twomajor BCG and CCG branches (Fig. 1). Inthe BCG branch, R. commune and R.agropyri appear to be the closest sisterspecies. In contrast, the intron pattern ofthe rDNA genes suggests a closer rela-tionship between R. commune and R. se -calis. Hence, based on these results therelationship between the three BCG spe -cies cannot be resolved unequivocally.

In addition to analyzing the intra-genusrelationship, the gene sequences wereused to confirm the integration of theRhynchosporium genus into the Leotio -

mycetes clade of the Ascomycota. Finally,using the EF1-α, RPB1 and RPB2 aminoacid sequences the relationship to moredis tantly related fungal species was es -tablished.

(4) Fungal effector proteinsThe phytopathogenic lifestyle of Rhyn -chosporium requires the secretion of ef -fector molecules to adapt to the hostplants and to complete the fungal lifecycle. To identify key genetic elementsthat are relevant for host specificity thegenomes of isolates from the crop plant-infecting species R. commune and of R.secalis were screened for candidate ge nescoding for proteins that satisfy a numberof criteria such as presence of a se cretionsignal, small size, high cysteine contentand species-specific occurrence or spe -cies-specific expression in planta. Fivegenes (RcSP1, RcSP2, RcSP3, RcSP5,RcSP6) in R. commune and only one gene(RsSPa) in R. secalis turned out to matchthese criteria (Fig. 2). The structures ofthese genes as predicted by the annota-tion algorithms were verified based oncDNA sequencing. All five R. communegenes (Fig. 3) as well as the R. secalisgene are expressed during the early stageof pathogenesis, when the fungal myceliaare established in the host tissue. Forfunctional characterization of the genestargeted deletion mutants are being gen -erated and compared to the wild type iso-

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Molecular Communication in Plant-Pathogen InteractionsHead: Wolfgang Knogge

Jenny GraapBachelor Student

Jan HoffmannBachelor Student

Susanne KirstenTechnical Assistant

Andrea LeitnerPhD Student

Daniel PenselinPhD Student

Xiaohang WangMaster Student

Claudia WenzelPhD Student

Group Members

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

Fig. 2. Selection of effector candi-date genes. Number of genes mat -ch ing the different selection crite-ria. TMD, transmembrane domain;AA, number of amino acids; Cys,cysteine content; Rc, R. commune.

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

ulate signaling. At least four MAPKs,MPK3, MPK4, MPK6 and MPK11 are acti-vated after MAMP treatment in Arabi dop -sis. Besides roles in defense, these MAPKsal so regulate growth and developmentpro cesses. The specificity of the appropri-ate response is presumably controlled bypathway-specific substrates. We aim toidentify the MAPK substrates with de -fense-related roles. Metabolomics analy-sis of transgenic plants expressing a con-stitutively-active MAPK-kinase revealedthat activation of MPK3 and/or MPK6 issufficient to trigger the accumulation ofsecondary antimicrobial metabolites suchas camalexins and various indole glucosi-nolates. Phosphoproteomics analysisusing a novel phosphoprotein enrichmentmethod (Lassowskat et al. 2013) has en -abled us to identify putative direct MAPKsubstrates and/or downstream phospho-proteins. Interestingly, this list of putativephosphoproteins includes componentsthat have been previously identified in ge -netic screens to regulate indole glucosi-nolate metabolism in defense against fila-mentous pathogens (Lassowskat et al.2014). Furthermore, some candidateswere found with other previous strategies(e.g. yeast-two hybrid screens or an in vi -tro protein array-based kinase screen) weused to search for MAPK-interacting pro-teins and MAPK substrates. An example isa class of MAPK-targeted VQ-motif-con-taining proteins (MVQs) that interact withspecific members of WRKY transcriptionfactors and regulate MAMP-induced geneexpression (Pecher et al. 2014, Weyhe etal. 2014) (Fig. 2). We postulate that thesecandidates, encompassing putative trans -cription factors, transcription factor-asso-ciated proteins or putative RNA-bindingproteins, play roles in transcriptional andpost-transcriptional regulation of defensegene expression, while in other cases,

phosphorylation of some enzymes maydirectly modulate defense metaboliteproduction/accumulation. Much of ourwork is performed in close collaborationwith our IPB Proteome Analytics groupthat supports in identifying the phospho-rylation sites in the phosphoproteins. Amethod for rapid site-directed mutagene-sis of MAPK sites (Eschen-Lippold et al.2014) was developed to facilitate the vali-dation of the mass spectrometry data andassessment of the impact of phosphoryla-tion on protein function.

In collaboration with several other groups,we aim to understand how pa tho gen ef -fector proteins target plant signaling (e.g.Singer et al. 2013). Ongoing work identi-fied a Pseudomonas effector protein thatspe cifically blocks the activation of MPK4/MPK11 by MAMPs. MPK4/MPK11 are associ-

ated with negative regulation of salicylicacid-mediated defense response and ma -nipulating this pathway could en able fine-tuning of defense control. Taken together,the knowledge gained in our studies maybe used for enhancing disease resistancein crop plants.

Pflanzen sind in der Lage, die Anwesenheit von Mikroorganismen über eine Rezeptor-vermittelte Erkennung von Pa tho -gen-abgeleiteten Signalen wahrzunehmen und dadurch Signaltransduktionswege zu initiieren, die komplexe Ab wehr -reaktionen aktivieren. Zu den daran beteiligten Prozessen zählen eine transiente Erhöhung der zytosolischen Kalzium -

konzentration, die Aktivierung von Ionenkanälen und MAP-Kinasen, die Akkumulation von reaktiven Sauerstoffspezies unddie Expression von Abwehrgenen. Mittels genetischer Mutanten-Screens und der molekularen Charakterisierung von MAPK-Substraten wurden in unserer Arbeitsgruppe Komponenten von Abwehr-Signalwegen identifiziert und funktionell charakte-risiert. Ein Bespiel dafür ist die kürzlich erfolgte Identifizierung des pflanzlichen Lipooligosaccharid-Rezeptors. Diese Er -kenntnisse können langfristig in der Landwirtschaft zur Herstellung von Pflanzen mit erhöhter Krankheitsresistenz oderauch in der medizinischen Biotechnologie angewendet werden.

CollaboratorsUlla Bonas, Gunther ReuterUniversity of Halle, Germany

Gitta CoakerUniversity of California, Davis, USA

Karl-Josef DietzUniversity of Bielefeld, Germany

Magda KrzymowskaInstitute of Biochemistry and Biophysics,Warszawa Poland

David MackeyOhio State University, USA

Stefanie RanfTU Munich, Germany

Alok SinhaNational Institute of Plant Genome Research,New Delhi India

Nese SreenivasuluInternational Rice Research Institute,Philippines

Joachim UhrigUniversity of Göttingen, Germany

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Plants activate a complex multi-compo-nent defense response to restrict patho -gen ingress. One of the first steps in de -fense activation is mediated through therecognition of conserved pathogen-de- ri ved molecules (typically referred to asMi crobe-Associated Molecular Patterns,MAMPs) or pathogen-induced modifica-tions of host molecules. Our research fo -cuses on two early cellular defense signaltransduction pathways in MAMP-trig- ge red immunity, i.e. calcium signalingand mitogen-activated protein kinase(MAPK) signaling, and understanding howpatho gen effectors manipulate cellularsignaling to promote pathogenesis.

Plant receptors and their associated pro-teins mediate MAMP recognition and sub-sequent signal relay into cellular/bioche -mical reactions. One of the earliest de- tec table responses after MAMP percep-tion is the activation of ion channels/pumps at the plasma membrane – includ -ing an in crease in cytosolic calcium (Sey -bold et al. 2014). Calcium is a secondmessenger that controls downstreamresponses, such as MAPK activation, ROS(reactive oxygen species) production anddefense gene expression. Using Arabidop -sis plants expressing the calcium reporter,aequorin, one can detect a rapid increasein cytosolic calcium after MAMP elicita-tion. In a proof-of-principle genetic screenfor mu tants with altered calcium signa-ture, we isolated predominantly mutationsin the receptor and several receptor-asso-ciated components (Ranf et al. 2014). Thishighlights the potential of this calcium

screening system to identify receptors forno vel MAMPs. Towards this end, we isolatedmutants that do not respond to lipo oli go -saccharide (LPS), a major bacterial endo-toxin for animals. These lipooligosaccha-ride-specific reduced elicitation (lore) mu -tants lack several downstream LPS-in- du ced reactions (e.g. MAPK activation, Fig.1). Genetic mapping revealed LORE to en -code a lectin S-domain receptor-like ki -na se. LORE is presumably one plant LPSre ceptor and the difference in the predicted

extracellular domain to that of the animalcounterpart, Toll-Like Receptor 4 (TLR4),suggests convergent evolution betweenplants and animals in LPS perception. Theidentification of LORE may open up theopportunity to use it as a LPS-chelatingagent in human/animal therapy of bacte-rial diseases or confer enhanced LPS sen-sitivities in major crops.

Downstream of calcium, MAMP-activatedMAPKs and their phospho-substrates reg -

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Cellular SignalingHeads: Dierk Scheel & Justin Lee

Manaswita BaruahPhD Student, Erasmus Mundus Fellow

Nicole BauerTechnician

Martina BrodeMaster Student

Lennart Eschen-LippoldPostdoctoral Scientist

Marina HäußlerTechnician

Siska HerklotzBachelor Student

Xiyuan JiangPhD Student

Ines LassowskatPhD Student

Luis Maldonado-BonillaPostdoctoral Scientist

Annekatrin MissalMaster & PhD Student

Pascal PecherPhD Student

Florian RistMaster Student

Arsheed Hussain SheikhPhD Student, DAAD Sandwich Fellow

Sara SopeñaGuest Scientist

Naheed TabassumPhD Student

Fabian TrempelPhD Student

Lore WestphalSenior Scientist

Martin WeyhePhD Student

Group Members

Fig. 1. Four LPS-insensitive (lipooligosaccharide-specific reduced elicitation, lo -re) mutants, defective in an S domain receptor-like kinase, were isolated. (A)Predicted conserved domains and location of lore loss-of-function mutations(Abbreviations: SP, signal peptide; TM, transmembrane; EGF, epidermal growthfactor; PAN, plasminogen-apple-nematode; DUF, domain of unknown func-tion). (B) [Ca2+]cyt elevation triggered by LPS (prepared from Pseudomonasaeruginosa strain H4) is lost in lore-1 seedlings. (C) The lore-1 mutant does notshow LPS-induced MAPK activation (but responds normally to chitin). MAPKactivation is detected by anti-phospho-MPK immunoblot that recognizes acti-vated forms of MAPKs. Amido black staining shows equal protein loading.

Fig. 2: Defense gene transcription may be regulated by the proposed ménage àtrois situation between specific MAPKs, WRKYs and VQ-motif-containing pro-teins (VQPs). The basal tripartite module (highlighted by the yellow triangularshading) consists of MAPK (M), VQP (V) and WRKY (W) or eventually other stillunknown components. Multiple modules of such complexes probably exist inplant cells. Specific examples with roles in defense regulation are the proteincomplexes containing MPK6-MVQ1-WRKY33 or MPK4-MKS1-WRKY33 (shownwithin the dashed circle). Additionally, binary interactions such as WRKY dimersor VQP-WRKY pairs (eg. SIB1-WRKY33), which are not targeted by MAPKs, alsoexist for MAPK-independent regulation. (Abbreviations: MVQ1, MAPK-targetedVQP 1; MKS1, MPK4 substrate 1; SIB1, Sigma factor-binding protein 1).

The oomycete Phytophthora infestans isthe causal agent of late blight disease,economically the most important potatodisease worldwide. To elucidate resis tan cemechanisms against this destructivepathogen, we are analyzing the success-ful induction of enhanced resistance in asusceptible potato cultivar, as well asnonhost resistance of Arabi dop sis thalia -na against P. infestans.

The activation of plant defense respon-ses depends on the recognition of pa -thogen-associated molecular patterns(PAMPs) by plant pattern recognition re -ceptors. The multicomponent defenseresponse acti va ted after PAMP percep-tion is called PAMP-triggered immunity(PTI) and contributes to pathogen resis-tance.

Treatment of the susceptible potato cul-tivar Désirée with the PhytophthoraPAMP Pep-13 results in strong local de -fense res ponses and in an enhanced re -sistance against subsequent infections.To elucida te mechanisms leading to thisenhanced resistance, microarray analy-ses were carried out. More than 700genes are activated in response to Pep-

13 treatment. One of these genes is pre-dicted to en co de an ABC transporter. Itsexpression is also enhanced after woun d -ing and infection with P. infestans. Trans genic plants with reduced expres-sion of the ABC gene show a strikingmorphological phenoty pe. While theaerial parts of the plants ap pear normal,tubers have a rough and cor ky surface.Microscopic analyses revealed that thecells of the tuber skin of ABC-RNAiplants are collapsed and highly disor-ganized (Fig. 1). A defect was also ob -served in the exodermis and the endo-dermis of roots. These tissues are typicalsu berin-containing tissues, suggestingthat formation of this biopolymer isimpaired in the transgenic plants. GC-MS and UPLC- ESI-QTOF-MS analyses ofpotato tuber skin, performed in collabo-ration with the group Meta bo lite Pro fi -ling in Arabidopsis and Crop Plants,indeed revealed reduced levels of su -berin monomers. In accordan ce with thewater barrier function of su be rin, trans-genic tubers are more prone to waterloss than control tubers, losing half theirweight within three weeks of storage(Fig. 2). These results suggest that theABC transporter is required for suberin

5352 5352

formation, possibly by transporting su -berin mo nomers out of the cell.

In contrast to potato, Arabidopsis is nota host plant for P. infestans. This nonhostre sistance is dependent on both pre-and postinvasion resistance mecha-nisms that successfully prevent coloni -zation by P. in festans. A key player in pe -netration resistance is the atypical my ro -sinase PEN2. In dole derivatives pro-du ced by the PEN2 catalytic activity aresupposed to be transported out of thecell by the ABC transporter PEN3. Ge ne -tic data indicate that the presence ofthese secondary me tabolites in the apo -plast inhibits pathogen entry.

To identify additional genes involved innonhost resistance, a genetic screenwas performed based on mutagenizedpen2 plants. Fourteen mutants were iso-lated which display an en han ced re -sponse to P. infestans inoculation (erpmutants). The gene affected in the erp2mutant was identified by whole ge nomeresequencing as EDR1 (enhanced dis-ease resistan ce 1), encoding a putativeMAPKKK. Loss of EDR1 function leads toan enhanced response to P. infestans in -oculation, mediated by in creased sali-cylic acid signaling and callose deposi-tion. We have thus identified EDR1 as anegative re gulator for postinvasive non-host resistance.

Induced Pathogen DefenseHeads: Sabine Rosahl & Dierk Scheel

Melanie DobritzschPhD Student

Katrin GeißlerPhD Student

Marina HäußlerTechnician

Franz HoffmannMaster Student

Nadine KüsterGuest Scientist

Ramona LandgrafPhD Student

Andreas MaternPhD Student

Linda NietzschmannPhD Student

Juliane RauschePhD Student

Paul RungeBachelor Student

Daniel ScheerMaster Student

Ulrike SmolkaTechnician

Lore WestphalSenior Scientist

Wu YangBachelor Student

Group Members

Peter DörmannUniversity of Bonn, Germany

Gerd HauseUniversity of Halle, Germany

Volker LipkaUniversity of Göttingen, Germany

Felix MauchUniversity of Fribourg, Switzerland

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

Sophia SonnewaldUniversity of Erlangen, Germany

Detlef WeigelMax Planck Institute for Developmental Biology,Tübingen, Germany

Collaborators

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

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

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

Fig. 2. Tubers with reduced suberin levels suffer a grea ter water loss during sto-rage than wild type tubers. The weight of control (grey bars) and StABCG-RNAitubers (black bars) was determined at different days after harvesting.

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

Today, mass spectrometry is a key tech-nology for metabolomics research. Due toimmense technological advances in massspectrometry over the last years, theamount and complexity of the data pro-duced has been growing rapidly. We aredeveloping Open Source algorithms, da -tabases and tools, which are required forthe analysis of metabolomics experiments.

For the software development we use dif-ferent methods, such as the statistics en -vironment R and various Bioconductorpackages. Other projects use Java, andthe possibility to add user friendly webbased interfaces. Compute intensive cal-culations are executed on the IPB cluster,which provides a number of local com-pute nodes, but also allows to move tasksinto a public cloud where necessary.

The first step in a metabolomics data pro-cessing pipeline is the processing of sig-nals, to reduce complex chromatographicdata into peak lists, and align several peaklists from different samples into a data ma -trix. We are co-maintaining the successfulBioconductor package XCMS, which isdownloaded about 12,000 times per year.We also created the CAMERA package toannotate ion species typically found inelec trospray ionization mass spectrome-try (ESI-MS). These tools accept raw datafrom almost any mass spectrometer afterconversion to the open XML data formatmzML, or the Excel-compatible mzTab.The specification, examples and imple -men tations were created by the commu-nity, organized in the Proteomics Stan -dards Initiative. The IPB is continuouslycontributing to and promoting the open

standards. The Bioconductor package mzRis the underlying data import layer for se-veral other packages.

Multiple statistical methods can be app -lied to metabolomics – and also multi-omics – data sets, ranging from univariateto multivariate approaches. Together withresearchers from the University of Halle,we have extended canonical correlationanalysis (CCA) to allow the interpretationof multi-omics datasets in the context ofexperimental design. The statistical analy-sis of metabolomics experiments will re -veal a number of interesting metabolites.For any further biological interpretation, itis required to identify their structure.

The processing and analysis of tandemmass spectrometry is a key technologyfor the identification of small molecules.The IPB Halle is member of the MassBankconsortium, the first open database of re -ference spectra. We develop an ecosys-tem of tools and workflows aroundMassBank. The spectral database is animportant resource for metabolomicsresear chers, but also the foundation forthe de velopment of computational massspec tro metry methods. The spectra areused to train and validate computationalmodels.

Since reference spectra are often expen-sive (both in consumables and chemicals,but even more so in manpower) to obtain,reference libraries will never be coveringas many compounds as can be found ingeneral purpose compound databases.Therefore, we are developing the Met Fragsystem. The tool uses the tandem massspectrum and the calculated mass of thecompound as input to search chemicalstructure databases such as KEGG, Pub -Chem or ChemSpider for matching mole-cules. In cooperation with Dr. Brandt andthe computational chemistry group weimprove the chemical feasibility of thepredictions. A user-friendly web applica-tion is accessible at http://msbi.ipb-halle.de/MetFrag/, but we also provide thesource code under an open-source li cen sefor local deployments. MetFusion is astrategy and system to combine the com-pound hypotheses obtained by the com -ple mentary MassBank and MetFrag identi-fication approaches. This strategy com-bi nes the best of both worlds: the identifi-cation using spectral libraries if similarspectra are available, and the huge chemi -cal co verage of the compound databasesque ried by MetFrag. Under certain as -sump tions MetFusion can be expected toidentify 2500 of the KEGG compounds inthe top 10 among all PubChem candidates.

The annotation of interesting metabolitescan also be directly integrated into theme tabolite profiling data analysis. To -ge ther with Dr. Gaquerel from the MPI forchemical ecology in Jena, we created acorrelation network-based app roach,which organises the initial peak lists intorelated clusters. Thus, the in-source frag-mentation peaks can be sent to Met Frag,and the metabolites in the network neigh-bourhood provide further biochemicalevidence.

Since environmental research and me ta -bolomics share many analytical and bioin-formatics challenges, we initiated coope-rations with Eawag, the Swiss Federal In -stitute of Aquatic Science and Tech no lo -gy and the Helmholtz Centre for En vi ron -

mental Research (UFZ), especially in thearea of metabolite and small moleculeidentification in the EU FP7 project SOLU-TIONS (http://www.solutions-project.eu/),which searches for new and improvedtools, models, and methods to supportdecisions in environmental and waterpolicies.

Together with Dr. Schymanski, we startedthe CASMI contest series: the Cri tical As -sessment of Small Molecule Iden tification.We published challenge spectra, and in -vite the community to submit identifica-tion hypotheses for an unbiased com - parison of the available tools. Each CASMIedition is held by a different local organi -za tion team with support by Emma Schy -manski and Steffen Neumann.

In all of the above developments, we havereproducible research and Open Data inmind. The focus on scripted analyses al -lows to easily repeat all or individual steps.We have contributed early feedback andexample data to the ISA (Investigation,Study, Assay) tools and the Metabolightsmetabolomics repository at the EBI. The seefforts continue in the EU project COS-MOS (http://www.cosmos-fp7.eu/) onCOordination of Standards in Meta bO lo -micS, where the IPB leads the work pack-age for Data Standards. The goal is thedevelopment of efficient e-infrastructuresin life sciences, that will help to boost theunderstanding of plants as complex bio-logical systems.

Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit Datenbanken und Anwendungen für die Analyse von Metabolomicsdaten. DieAuswertungen werden in Java und der Statistiksprache R durchgeführt und durchgängig als Open Source zur Ver fü -gung gestellt.

Der erste Schritt in der Verarbeitung von Massenspektrometriedaten ist die Signalverarbeitung, um die Rohdaten in einfa-che Peaklisten zusammenzufassen und zu annotieren. Die ursprünglich für Metabolitenprofile entwickelten Methoden ha -ben wir auf die Verarbeitung von Tandem-Massenspektren (MS/MS) erweitert.

Für die biologische Interpretation ist die Identifikation der Metabolite nötig. Das IPB ist Mitglied im MassBank-Konsortiumund entwickelt die in-sillico-Methode MetFrag für die Fälle, in denen keine Referenzspektren existieren. Das neue Tool Met -Fusion integriert beide Ansätze.

Im EU Projekt COSMOS arbeiten wir mit Partnern an der Etablierung einer effektiven E-Infrastruktur zur Speicherung undAnalyse von Metabolomicsdaten und deren Integration mit weiteren -omics-Datensätzen aus den Lebenswissenschaften.

Collaborators

Masanori AritaNational Institute of Genetics, Mishima, Japan

Sebastian BöckerUniversity of Jena, Germany

Werner BrackHelmholtz Centre for Environmental Research,Leipzig, Germany

Ivo Große, Stefan PoschUniversity of Halle, Germany

Oliver KohlbacherUniversity of Tübingen, Germany

Takaaki NishiokaGraduate School of Agriculture, Kyoto, Japan

Kazuki SaitoRiken Plant Science Center, Yokohama City,Japan

Susanna Sansone, Phillipe Rocca-SerraOxford University, UK

Emma SchymanskiEawag, Dübendorf, Switzerland

Christoph SteinbeckEuropean Bioinformatics Institute, Hinxton,Cambrigde, UK

5554

Bioinformatics & Mass SpectrometryHead: Steffen Neumann

Group MembersMichael GerlichPhD Student

Carsten KuhlPhD Student

Susan MönchgesangPhD Student

Christoph RuttkiesPhD Student

Daniel SchoberPostdoctoral Scientist

Jan StanstrupGuest Scientist

Hendrik TreutlerPhD Student

Diana TrutschelPhD Student

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

After signal processing, networkanalysis clusters peaks intostrongly connected subgraphs,and MetFrag is used to annotatepossible metabolite identifica-tions.

During development and in re sponseto variable environmental conditions,plants exhibit altered metabolite pat-terns. Among those low molecularweight compounds, the number anddiversity of secon dary metabolites isparticularly high. These are known toplay crucial roles in plant develop-ment, adaptation and defense. Forsensitive detection, quantificationand identification of the diversespectrum of metabolites liquid andgas chromatography-coupled massspectrometry (LC-MS and GC-MS) isemployed in mostly non-targetedmanner. In cooperation with the Bio -informatics and Mass Spec tro metrygroup, versatile tools for da ta analy-sis and storage have been developedand made publicly available (see cor-responding report).

Current research focused on biologi-cal objectives on the one hand (Fig. 1,panel A) and technical is sues on theother hand (Fig.1, panel B). One cen-tral research activity was within theinterdisciplinary SAW project Chem i -cal communication in the rhizos-phere. Here, innovative strategies forthe identification of unknown com-pounds from complex metaboliteprofiles were app lied. These targetthe compilation of accurate tandemmass spectro metry data, the applica-tion of on-line H/D exchange chroma -

tography, the hyphenation of orthog-onal analysis platforms such as LC-MS and GC-MS and the setup of anGC/APCI(+)-QTOFMS analysis pipe -line. As a result, more than 90 com-pounds of a representative root exu-date sample of the Arabidopsis ac -cession Col-0 were structurally char-acterized and 42 of them identifiedusing an authenticated standard.With this knowledge, the ge neticvariability of plants’ root exudateswas explored. Com pre hen sive meta -bolite profiling analysis of 19 Arabi -dopsis thaliana accessions showedthat the root exudation pattern is to alarge part genetically determined,which could be proven for selected compounds, such as 1-MeO-13CH2NH2

and didehydro di(coumaroyl)spermi-dine sulfate.

These data furthermore formed thebasis for exploring changes in rootand exudate metabolite patterns inresponse co-cultivation of Ara bi -dopsis plants with Piriformosporaindica or Rhizobium leguminosa rum,as well as the altered root exudationpattern after limited nutrient availabili-ty using iron as an example case. Bothmicroorganisms had a strong influ-ence on the lignan, glucosinolate andcoumarin pathway. Coumarins wereidentified as being essential for Fe(III)mobilization.

Während der Entwicklung und als Reaktion auf wechselnde Umweltbedingungen verändern Pflanzen

das Muster ihrer Metaboliten. Unter diesen niedermolekularen Verbindungen sind insbesondere

Anzahl und Diversität von Sekundärmetaboliten sehr hoch. Sie spielen eine wichtige Rolle in Ent -

wicklungs-, Adaptations- und Abwehrprozessen. Für die sensitive Detektion, Quantifizierung und Identi fi zie -

rung des Spektrums pflanzlicher Metaboliten wird Flüssigkeits- und Gaschromatographie-gekoppelte Mas -

senspektrometrie (LC-MS, GC-MS) zumeist in ungerichteten Ansätzen eingesetzt. In Zusammenarbeit mit der

Forschungsgruppe Bioinformatik und Massenspektrometrie wurden wichtige Werkzeuge zur Datenanalyse

und –speicherung entwickelt und öffentlich verfügbar gemacht.

5756

Metabolite Profiling in Arabidopsis and Crop PlantsHead: Dierk Scheel

Christoph BöttcherPostdoctoral Scientist

Julia GöhrickeTechnician

Siska HerklotzMaster Student

Sylvia KrügerTechnician

Sophie NahrstedtPhD Student

Stephan SchmidtPostdoctoral Scientist

Nadine StrehmelPostdoctoral Scientist

Group Members

Stephan ClemensUniversity of Bayreuth, Germany

Ulf-Ingo Flügge, Tamara GigolashviliUniversity of Cologne, Germany

Erich GlawischnigTechnical University Munich, Germany

Barbara Ann HalkierUniversity of Copenhagen, Denmark

Joachim KopkaMax Planck Institute of Molecular PlantPhysiology, Golm, Germany

Carsten MilkowskiUniversity of Halle, Germany

Silke Ruppel, Katja WitzelLeibniz Institute of Vegetable andOrnamental Crops, Großbeeren, Germany

Paul Schulze-LefertMax Planck Institute for Plant BreedingResearch, Cologne, Germany

Collaborators

A)

B)

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

5958

Lemke, Robert: Interaktive Analyse von Na tur stoffen mitThemenmodellen. Martin-Luther-Universität Halle-Wit -ten berg, Fach be reich In formatik, 22/4/2013.

Müller, Erik: Integrierte Analyse von SNP- und MS-Daten.Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, FachbereichIn formatik, 10/10/2013

Runge, Paul: Charakterisierung und funktionelle Analyseeines ABC-Promotors aus Solanum tu berosum. Hoch schu -le Anhalt, Fachbereich An ge wand te Bio wis sen schaf tenund Prozesstechnik, 18/11/2013.

Yang, Wu: Untersuchung der Aktivität des pa tho gen in -du zier ten StABCG1-Promotors und Deletionsanalyse desStABCG1-Promotors aus Solanum tuberosum. Hoch schu -le Anhalt, Fachbereich An ge wand te Bio wis sen schaf ten undProzesstechnik, 18/11/2013.

Master Theses 2013Scheller, Paul: Implementation eines dynamischen Green-Cloud Systems. Hochschule Mer seburg, 18/1/2013

Xiaohang, Wang: Funktionale Charakterisierung vonPektin me thylesterase-Genen des Ger sten pa thogensRhynchospo rium commune. Martin-Luther-Universität Hal -le-Wittenberg, Fach be reich Biochemie / Biotech nolo gie,18/2/2013.

Doctoral Theses 2013Geißler, Katrin: Charakterisierung der Arabi dop sis tha lia -na-Mutanten pen2erp2 und pen2erp6. Martin-Luther-Uni -versität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biologie, 1/3/2013.

Palm-Forster, Mieder Anthony Thomas: Iden ti fi cat ion andfunctional characterisation of three novel proline richprote ins that are mitogen ac tivated protein kinase sub-strates. Martin-Lu ther-Universität Halle-Wittenberg,Fachbereich Biologie, 26/2/2013.

Publications 2014Böttcher, C., Chapman, A., Fellermeier, F., Choud hary, M.,Scheel, D. & Glawischnig, E. The biosynthetic pathway of Indole-3-carbaldehyde and indole-3-carboxylic acid de -rivatives in Arabi dopsis1[W]. Plant Physiol. 165, 841–853.

Brack, W., Altenburger, R., Schüürmann, G., Krauss, M.,López Herráez, D., van Gils, J., Slo bod nik, J., Munthe, J.,Gawlik, B. M., van Wezel, A., Schriks, M., Hollender, J.,Tollefsen, K. E., Me kenyan, O., Dimitrov, S., Bunke, D.,

Cousins, I., Posthuma, L., van den Brink, P.- J., López de Al -da, M., Barceló, D., Faust, M., Kortenkamp, A., Scromshaw,M., Ignatova, S., Engelen, G., Mass mann, G., Lemkine, G.,Teodorovic, I., Walz, K.-H., Dulio, V., Jonker, M. T. O., Jäger,F., Chipman, K., Falciani, F., Liska, I., Rooke, D., Zhang, X.,Hollert, H., Vrana, B., Hilscherova, K., Kramer, K., Neu -mann, S., Hammerbacher, R., Backhaus, T., Mack, J., Segner,H., Escher, B. & de Aragão Umbuzeiro, G. The solutionsproject: challenges and responses for present and futureemerging pollutants in land and water resources manage-ment. Sci. total Environm. erschienen: Vol. 503-504(2015) 22-31.

Broeckling, C. D., Afsar, F. A., Neumann, S., Ben-Hur, A. &Pren ni, J. E. RAMClust: a novel feature clustering methodenables spectral-matching-based annotation for metabo -lomics data. Ana lyt. Chem. 86, 6812-6817.

Carrasco, J. L., Castelló, M. J., Naumann, K., Las sowskat, I.,Navarrete-Gómez, M., Scheel, D. & Vera, P. Arabidopsisprotein phosphatase DBP1 nucleates a protein networkwith a role in re gu lating plant defense. PloS One. 9, e90734.

Creek, D. J., Dunn, W. B., Fiehn, O., Griffin, J. L., Hall, R. D.,Lei, Z., Mistrik, R., Neumann, S., Schymanski, E. L., Sumner,W. L., Trengove, R. & Wolfender, J.-L. Metabolite identifica-tion: are you sure? And how do your peers gauge yourconfidence? Metabolomics 10, 350-353.

Geissler, K., Eschen-Lippold, L., Naumann, K., Schnee -berger, K., Weigel, D., Scheel, D., Rosahl, S. & Westphal, L.Mutations in enhanced disease resistance1 (EDR1) alterthe response of Arabi dopsis thaliana to Phytophthora infes-tans and the bacterial PAMPs, flg22 and elf18. Mol. PlantMicrobe. Interact., erschienen: Vol. 28 (2015) 122-133.

González-Beltrá, A., Neumann, S., Maguire, E., Sansone, S.-A. & Rocca-Serra, P. The Risa R/Bio conductor package:integrative data analysis from experimental metadata andback again. BMC Bioinformatics 15, (Suppl. 1), S11.

Griss, J., Jones, A. R., Sachsenberg, T., Walzer, M., Gatto, L.,Hartler, J., Thallinger, G. G., Salek, R. M., Steinbeck, C.,Neuhauser, N., Cox, J., Neumann, S., Fan, J., Reisinger, F.,Xu, Q.-W., del Toro, N., Oerez-Riverol, Y., Ghali, F.,Bandeira, N., Xe na rios, I., Kohlbacher, O., Vizcaino, J. A. &Herm ja kob, H. The mzTab data exchange format: com-municating MS-based proteomics and metabo lomics ex -perimental results to a wider audience. Mol. Cell. Prot. 13,2765-2775.

Hawkins, N. J., Cools, H. J., Sierotzki, H., Shaw, M. W.,Knogge, W., Kelly, D. E. & Fraaije, B. A. Para logue re-emer-gence: a novel, historically-con tin gent mechanism in theevolution of anti-mi crobial resistance. Mol. Biol. Evol. 31,1793-1802.

Publications 2013Frolov, A., Henning, A., Böttcher, C., Tissier, A. & Strack, D.An UPLC-MS/MS method for the si multaneous identifi-cation and quantitation of cell wall phenolics in Brassicanapus seeds J. Ag ricult. Food Chem. 61, 1219-1227.

Gaquerel, E., Kuhl, C. & Neumann, S. Com puta tional an -notation of plant metabolomics profiles via a novel net-work-assis ted approach. Me tabolomics 9, 904-918.

Gerlich, M. & Neumann, S. MetFusion: integration of com-pound identification strategies. J. Mass Spectrom. 48, 291-298.

Haug, K., Salek, R.M., Conesa, P., Hastings, J., de Matos, P.,Rijn beek, M., Mahendraker, T., Wil liams, M., Neumann, S.,Philippe Rocca-Serra, P., Maguire, E., González-Beltrán, A.,Sansone, S.-A., Griffin, J.L. & Steinbeck, C. MetaboLights -an open-access general-purpose repository for meta bo -lomics studies and as sociated metada ta. Nucl. Acids Res.41, D781-D786.

Kathagen, A., Schulte, A., Balcke, G., Phillips, H. S.,Martens, T., Matschke, J., Günther, H. S., So ria no, R.,Modrusan, Z., Sand mann, T., Kuhl, C., Tissier, A., Holz, M.,Krawinkel, L. A., Glatzel, M., Westphal, M. & Lamszus, K.Hypoxia and oxygenation in duce a metabolic switchbetween pen tose phosphate pathway and glycolysis inglioma stem-like cells. Acta Neuropathol. 126, 763-780.

Kopischke, M., Westphal, L., Schneeberger, K., Clark, R.,Os sowski, S., Wewer, V., Fuchs, R., Landtag, J., Hause, G.,Dör mann, P., Lipka, V., Weigel, D., Schulze-Lefert, P.,Scheel, D. & Ro sahl, S. Impaired sterol ester synthesisalters the response of Arabidopsis thaliana to Phy toph -thora infestans. Plant J. 73, 456-468.

Lassowskat, I., Naumann, K., Lee, J. & Scheel, D. PAPE(prefractionation-assisted phosphopro te in enrichment):a novel approach for phos pho pro teomic analysis ofgreen tissues from plants. Proteomes 1, 254-274.

Mittasch, J., Böttcher, C., Frolov, A., Strack, D. & Mil -kows ki, C. Reprogramming the phenylpro panoid meta-bolism in seeds of oilseed rape by suppressing theorthologs of REDUCED EPIDERMAL FLUORES-CENCE1 Plant Phy siol. 161, 1656-1669.

Navarro-Quezada, A., Schumann, N. & Quint, M. Plant F-box protein evolution is determined by lineage-specifictiming of major gene family ex pansion waves. PLoS One8, e68672.

Ruttkies, C., Gerlich, M. &, Neumann, S. Tackling CASMI 2012: solutions from MetFrag and Met Fu sion. Meta -bolites 3, 623-636.

Schymanski E. L. & Neumann, S. The critical as sessment ofsmall molecule identification (CA SMI): challenges and so -lutions. Metabilotes 3, 517-538.

Schymanski E. L. & Neumann, S. CASMI: and the winneris… Metabolites 3, 412-439.

Singer, A.U., Schulze, S., Skarina, T., Xu, X., Cui, H., Eschen-Lippold, L., Egler, M., Srikumar, T., Raught, B., Lee, J., Scheel,D., Savchenko, A. & Bo nas, U. A pathogen type III effectorwith a novel E3 ubiquitin ligase architecture PLoS Pathog.9, e1003121.

Stanstrup, J., Gerlich, M., Dragsted, L.O. & Neu mann, S.Metabolite profiling and beyond: approaches for the rapidprocessing and annotation of human blood serum massspectrome try data. Anal. Bioanal. Chem. 405, 5037-5048.

Stegmann, M., Anderson, R. G., Westphal, L., Ro sahl, S.,McDowell, J. K. & Trujillo, M. The exocyst subunitExo70B1 is involved in the immune re sponse of Arabi dop -sis thaliana to different pa thogens and cell death. Plant Sig -nal. Behav. 8, e27421.

Strehmel, C., Zhang, Z., Strehmel, N. & Lensen, M. Cellphenotypic changes of mouse connective tissue fibro-blasts (L-929) to poly(ethylene glycol)-based gels. Bioma -te rials Science 1, 850- 859.

Book Chapter 2013Hummel, J., Strehmel, N., Bölling, C. Schmidt, S., WaltherD. & Kopka, J., Mass spectral search and analysis using theGolm Metabolome Database. In: The handbook of plantmetabo lomics. (Weck werth, W. & Kahl, G. eds.) Wiley-Blackwell Wein heim, S. 321-343, ISBN 978-3-527-32777-5.

Neumann, S., Rasche, F., Wolf, S. & Böcker, S. Me ta boliteidentification and computational mass spectrometry. In:The handbook of plant meta bo lomics (Weck werth, W. &Kahl, G. eds.)Wiley-Blackwell Weinheim, S. 289-303,ISBN: 978-3-527-32777-5. Sign.: A/1231.

Bachelor Theses 2013Graap, Jenny: Quantifizierung der Expression von Effek -tor ge nen des Pilzes Rhynchosporium secalis. HochschuleAnhalt, Fachbereich Angewandte Biowissenschaften undProzesstechnik, 25/3/2013.

Herklotz, Siska: Die Bedeutung des VQ-Motivs für In ter -ak tio nen zwischen VQ-Proteinen und WRKY-Trans krip - tionsfaktoren. Hochschule Anhalt, Fachbereich An ge wand -te Bio wis sen schaf ten und Prozesstechnik. 25/3/2013.

Publications and other Activities of the Department ofStress and Developmental Biology

6160 6160

Torriani, S. F. F., Penselin, D., Knogge, W., Felder, M.,Taudien, S., Platzer, M., McDonald, B.A. & Brunner, P. C.Com parative ana lysis of mitochondrial genomes fromclosely related Rhyn cho sporium species reveals extensiveintron in vasion. Fungal Genet. Biol. 62, 34-42.

Vogel, M. O., Moore, M., Konig, K., Pecher, P., Alsharafa, K.,Lee, J. & Dietz, K. J. Fast retrograde signaling in responseto high light involves me tabolite export, MITOGEN-ACTIVATED PROTEIN KINASE6, and AP2/ERF trans -cription factors in Arabidopsis. Plant Cell 26, 1151-1165.

Weyhe, M., Eschen-Lippold, L., Pecher, P., Scheel, D. & Lee,J. Ménage à trois: The complex relationships betweenmitogen-activated protein kinases, WRKY transcriptionfactors and VQ-motif-containing proteins. Plant Signal.Behav. 9, e29519,

Book Chapter 2014Eschen-Lippold, L., Bauer, N., Löhr, J., Palm-For ster, M. A.& Lee, J. Rapid mutagenesis-based analysis of phosphory-lation sites in mitogen-ac tivated protein kinase sub-strates. In: Plant MAP kinase (Komis, G. & Šamaj, J. eds.)Humana Press, New York (Methods Mol. Biol., 1171) S.183-192, ISBN 978-1-4939-0921-6.

Bachelor Theses 2014Erbe, Stephan: Identifikation und Quantifikation von gela-belten Proteinen aus LC/MS Messun gen. Martin-Luther-Univer sität Halle-Witten berg, Fachbereich Informatik,30/9/2014.

Wolschewski, Anastasia: Prozessierung von Meta bolom -da ten aus SWATH Massenspek tren. Martin-Luther-Uni -versität Hal le-Witten berg, Fachbereich Informatik,18/8/2014.

Master Theses 2014Brode, Martina: Analyse der Proteinstabilität und dieIden ti fi kation von putativen RNA-Bin dungsdomäneneines Ara bidop sis thaliana Tan dem-Zinkfingerproteins.Martin-Luther-Uni ver si tät Halle-Wittenberg, Fach be -reich Biologie, 26/3/2014.

Missal, Annekatrin: Analyse zum Einfluss eines PHD-Do -mä nen-Proteins auf die abwehrrelevante Genexpressionin Ara bidopsis thaliana. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biochemie /Biotechnologie7/8/2014.

Scheer, Daniel: Untersuchung von Pathogen-re levantenMe ta boliten von Solanum tuberosum und Arabidopsis tha -liana. Mar tin-Luther-Uni ver sität Halle-Wittenberg, Fach -bereich Bio lo gie, 28/4/2014.

Doctoral Theses 2014Lassowskat, Ines: Catch me if you can – Iden ti fikationneuer Substrate Mitogen-aktivierter Proteinkinasen (3/6)in Ara bi dopsis thaliana mittels eines Phos phopro teomics-basierten An satzes. Martin-Luther-Universität Halle-Wit -tenberg, Fach bereich Biologie, 21/5/2014.

Wenzel, Claudia: Identifizierung und Cha rak te risierungvon putativen Virulenzfaktoren des GerstenpathogensRhyncho sporium commune. Martin-Luther-Universität Hal -le-Wit ten berg, Fachbereich Biologie, 3/3/2014.

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

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

Landgraf, R., Smolka, U., Altmann, S., Eschen-Lippold, L.,Senning, M., Sonnewald, S., Weigel, B., Frolova, N., Streh -mel, N., Hause, G., Scheel, D., Böttcher, C. & Rosahl, S.TheABC transporter ABCG1 is required for suberin forma-tion in po tato tuber periderm. Plant Cell 26, 3403-3415.

Lassowskat, I., Böttcher, C., Eschen-Lippold, L., Scheel, D.& Lee, J. Sustained mitogen-activated protein kinase acti-vation reprograms defense metabolism and phosphopro-tein profile in Ara bidopsis thaliana. Front. Plant Sci. 5, 554.

Majovsky, P., Naumann, C., Lee, C.-W., Las sows kat, I.,Trujillo, M., Dissmeyer, N. & Hoehen war ter, W. Targetedproteomics analysis of protein degradation in plant sig-naling on an LTQ-Or bi trap mass spectrometer. J. Pro te -ome Res. 13, 4246–4258.

Maldonado-Bonilla, L.D., Eschen-Lippold, L., Ga go Za -chert, S., Tabassum, N., Bauer, N., Scheel, D. & Lee, J. Thearabidopsis tandem zinc finger 9 protein binds RNA andmediates pa tho gen-associated molecular pattern-trig-gered im mune responses. Plant Cell Physiol. 55, 412-425.

Pecher, P., Eschen-Lippold, L., Herklotz, S., Kuh le, K., Nau -mann, K., Bethke, G., Uhrig, J., Weyhe, M., Scheel, D. & Lee,J. The Arabidopsis thaliana mitogen-activated protein ki na -ses MPK3 and MPK6 target a subclass of 'VQ-motif'-con-taining proteins to regulate immune responses. New Phy -tol. 203, 592– 606.

Ranf, S., Eschen-Lippold, L., Fröhlich, K., West phal, L.,Scheel, D. & Lee, J. Microbe-associated molecular pattern-induced calcium signaling re quires the receptor-like cyto-plasmic kinases, PBL1 and BIK1. BMC Plant Biol. 14, 374.

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

Schenke, D., Cai, D. & Scheel, D. Suppression of UV-B stressresponses by flg22 is regulated at the chromatin le vel viahistone modification. Plant Cell Environ. 37, 1716– 1721.

Schmid, N. B., Giehl, R. F. H., Döll, S., Mock, H.-P., Strehmel,N., Scheel, D., Kong, X., Hider, R. C. & von Wiren, N. Fe -ruloyl-CoA 6’-hydro xy la se1-dependent coumarins me -diate iron ac quisition from alkaline substrates in Arabi -dopsis. Plant Physiol. 164, 160-172.

Schmidt, H., Günther, C., Weber, M., Spörlein, C., Loscher,S., Böttcher, C., Schobert, R. & Cle mens, C. Metabolomeanalysis of Arabidopsis thaliana roots identifies a key meta-bolic pathways for iron acquisition. PloS One 9, e102444.

Schober, D., Wilson, M., Jacob, D., Moing, A., Mayer, G.,Eisenacher, M., Salek, R. M. & Neu mann, S. Ontology usagein omics standards initiatives: pros and cons of enrichingXML data formats with controlled vocabulary terms. In:Ontologies and Data in Life Sciences (ODLS2014), Freiburgim Breisgau, October 7-8, 2014 IMISE-REPORT 1/2014, G1-6 (36-42).

Schymanski, E. L., Gerlich, M., Ruttkies, C. & Neu mann, S.Solving CASMI 2013 with metFrag, metFusion and mol-gen-MS/MS. Mass Spec tro metry 3, S0036.

Seiler, C., Harshavardhan, V.T., Reddy, P.S., Hensel, G., Kum -lehn, J., Eschen-Lippold, L., Rajesh, K., Korzun, V., Wobus,U., Lee, J., Selvaraj, G. & Sreenivasulu, N. Abscisic acid fluxaltera tions result in differential ABA signaling re s ponsesand impact assi milation efficiency in barley under termi-nal drought stress. Plant Phy siol. 164, 1677-1696.

Seybold, H., Trempel, F., Ranf, S., Scheel, D., Romeis, T. & Lee,J. Ca2+ signaling in plant im mu ne response: from patternrecognition receptors to Ca2+ decoding mechanisms. NewPhytol. 204, 782–790.

Sheikh, A. H., Raghuram, B., Eschen-Lippold, L., Scheel, D.,Lee, J. & Sinha, A. K. Agroinfiltration by cytokinin-produc-ing Agro bacterium sp. strain GV3101 primes defense re -sponses in Nico tiana tabacum. Mol. Plant Microbe Interact.27, 1175-1185.

Siersleben, S., Penselin, D., Wenzel, C., Albert, S. & Knogge,W. PFP1, a gene encoding an Epc-N domain-containingprotein, is essential for pa thogenicity of the barley pa tho -gen Rhyn cho spo rium commune. Eukaryot. Cell 3, 1026-1035.

Strehmel, N., Kopka, J., Scheel, D. & Böttcher, C. An no -tating unknown components from GC/EI-MS-based me -tabolite profiling experiments using GC/APCI(+)-QTOFMS. Metabo lo mics 10, 324-336.

Strehmel, N., Böttcher, C., Schmidt, S. & Scheel, D. Pro -filing of secondary metabolites in root exudates of Ara -bidopsis thalia na. Phytochemistry 108, 35-46.

Publications and other Activities of the Department ofStress and Developmental Biology

6362

Wie werden spezifische Metabolite produziert? Wie istihre Biosynthese reguliert? Welche Rolle spielen sie inder Reaktion der Pflanze auf ihre Umwelt? Dies sind

grundlegende Fragen, die in unserer Abteilung beantwortet wer-den sollen, wobei insbesondere spezifische Organe, Gewebeoder Zelltypen und/oder die Interaktion von Pflanzen mit Mikro -organismen im Mittelpunkt stehen. Pflanzliche Metabolite – obsie nun als Abwehr- oder Signalstoffe fungieren – werden an spe -zifischen Orten und zu bestimmten Zeiten produziert, um ihreFunktion zu erfüllen. Diese räumlich und zeitlich kontrollierte Bio -synthese und Freisetzung spezialisierter Metabolite wird anhandeiniger Modell-Systeme untersucht.

Ein solches System, das in der AG Glanduläre Trichome & Iso -prenoidbiosynthese (A. Tissier) untersucht wird, besteht ausden sekretorischen Zellen glandulärer Trichome. Diese speziali -sierten Strukturen, die sich auf der Oberfläche der oberirdischenTeile vieler Pflanzen befinden, können große Mengen verschie -dener Substanzen auf die Blattoberfläche abgeben, was bis zu15% der Blattbiomasse ausmachen kann und gleichzeitig die er -ste Verteidigung einer Pflanze gegenüber Pathogenen und her-bivoren Insekten darstellt. Da hierbei vollständige Biosynthese -wege in einzelnen Zellen zu finden sind, stellen die glandulärenTrichome ein gutes System dar, komplette Biosynthesen aufzu-klären. Ausgehend von der Herstellung von EST (Expressed Se -quenced Tags)-Kollektionen werden diese nach Kandi daten ge -nen anhand von Ähnlichkeiten zu bekannten Enzymklassendurchsucht. Dieser Ansatz wurde bereits erfolgreich zur Auf klä -rung der Biosynthese von sesquiterpenoiden und diterpenoidenVerbindungen in Tomate bzw. Tabak genutzt. Wie die sekreto ri -schen Zellen der Trichome solch eine hohe Produktivität errei -chen, ist ein anderer Fokus dieser Gruppe, wobei die Verbindungzwischen Primär- und Sekundärstoffwechsel untersucht wird.

In der AG Phenylpropanoidstoffwechsel und Proteinbiochemie(T. Vogt) stehen Biosynthese und Funktion von Konjugaten derPhenylpropanoide im Vordergrund. Charakteristische Vertreterdieser Stoffe werden im Tapetum, einem anderen hochspeziali -sier ten Gewebe, synthetisiert und auf die Oberfläche reifenderPollen abgegeben. Dort sind sie in löslicher, aber auch in ge bun -de ner Form zu finden. Ihr Vorhandensein in allen höheren Pflan -zen lässt auf eine wichtige, jedoch noch unbekannte Funktion inder Pflanze schließen, die aufgeklärt werden soll.

Ebenfalls hochspezialisierte Zellstrukturen sind die Arbuskelnvon Mykorrhizapilzen, die innerhalb der Pflanzenwurzel gebildetwerden und das wichtigste Organ für den Austausch von Mine -ral- und Nährstoffen zwischen Pflanze und Pilz in dieser mutua-listischen Symbiose darstellen. In der AG Jasmonatfunktion &Mykorrhiza (B. Hause) werden hierbei im Rahmen des von derLeibniz-Gemeinschaft geförderten PAKT-Projekts ChemischeKommunikation in der Rhizosphäre die frühen Ereignisse der In -teraktion mittels Transcriptomics und Metabolomics-Ansätzenuntersucht. Es sollen spezifische Metabolite einschließlich derdazugehörigen Stoffwechselwege identifiziert werden, die diePflanze in Reaktion auf die Anwesenheit vom Pilz produziert. Inder anderen Gruppe, die AG Carotenoid-Metabolismus & My -korrhiza (M. Walter und A. Tissier) stehen Biosynthese und Funk -tion von Carotinoid-Spaltungsprodukten, hierbei insbesonderedie der Alpha-Ionon-Derivate im Fokus. Sie werden in Arbuskel-haltigen Zellen der Wurzel gebildet und spielen wahrscheinlicheine Rolle im Turn-Over der Arbuskeln, die selbst nur kurzlebigeStruk turen mit einer Lebenszeit von nur wenigen Tagen sind. Wiekleine Moleküle Entwicklung und Differenzierung von Pflan zen or -ganen, -geweben und -zellen steuern, ist eine Frage, die ebenfallsvon der AG Jasmonatfunktion & Mykorrhiza beantwortet wer-den soll. Jasmonate sind bekannt für ihre Rolle in der Induktionvon pflanzlichen Abwehrprozessen, sie haben aber auch eineFunktion in der Pflanzenentwicklung, wie z.B. der Entwicklungvon Blüten. Vergleichende Transkriptom- und Metabolom-Ana ly -sen von Blütenorganen unterschiedlicher Entwicklungsstadienvon Wildtyp-Pflanzen und einer Jasmonat-insensitiven Mutantehaben Unterschiede aufgezeigt, die die Basis für ein neues Mo -dell der Blütenorganentwicklung in Tomate darstellen.

Die Rekonstitution von komplexen Biosynthese-Wegen spezifi-scher Metabolite ist nicht nur hilfreich für das bessere Ver ständ -nis dieser Wege, sondern ermöglicht auch die Entwicklung neu -er, alternativer Produktionssysteme für wertvolle Substanzen inPflanzen oder Mikroorganismen. Um das zu erreichen, sindhocheffiziente Klonierungssysteme notwendig. Solch eine Tech -nologie ist die Golden-Gate-Technik, die von S. Marillonnet (AGSynthetische Biologie) entwickelt wurde. Die modulare Klonie -rungstechnik ermöglicht es uns, neue Wege zu gehen, um meta -bolische Wege und Signalketten zu konstruieren, was bereits zuKooperationsprojekten innerhalb der Abteilung, aber auch inner-halb des IPB führte.

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How specific metabolites are produced, how their biosyn-thesis is regulated, and what roles they play in the re -spon ses of plants to their environment are fundamental

questions that our Department is trying to answer. These are ad -dressed in the context of specific organs, tissues or cell typesand/or in the context of plant-microorganisms interactions. Me -tabolites, whether they are defense or signaling compounds, aredelivered at specific places and times to fulfill their function.Within our Department, this space and time controlled biosyn-thesis and delivery of specialized metabolites is being investi-gated in the context of a few model systems.

One such system, studied in the Research group GlandularTrichomes & Isoprenoid Biosynthesis (A. Tissier), is the secretorycells of the glandular trichomes. These specialized structures,located on the surface of the aerial parts of many plant speciesare able to deliver onto the leaf surface massive amounts of com -pounds which may represent up to 15% of the leaf biomass andrepresent a first line of defense against pathogens of herbivores.Because complete pathways are exclusively localized to thesecells, they constitute a good system to elucidate their biosynthe-sis. This is done primarily by assembling collections of ESTs (Ex -pressed Sequenced Tags) and mining through those for candi-date genes potentially involved in the pathways of interest on thebasis of similarity to known enzyme classes. This approach hasbeen used to elucidate sesquiterpenoid and diterpenoid path-ways in tomato and tobacco, respectively. How these cells achie ve such a high productivity is also a major focus of thegroup, by investigating the connections between primary andspecialized metabolism.

In the research group Phenylpropanoid metabolism & ProteinBiochemistry (T. Vogt), the biosynthesis and function of phenyl-propanoids is being investigated in flower organs. Specific phe-nolamides and flavonoid glycosides are synthesized in the tape-tum, another highly specialized tissue, and delivered onto thesurface of maturing pollen grains, where they occur both in sol-uble and insoluble forms. Although their function is still elusive,their occurrence across all higher plant species suggests an im -portant fundamental role which is actively being searched for.

Mycorrhizal arbuscules are other highly specialized cellularstructures, which are formed in the symbiotic interaction be-t ween mycorrhizal fungi and the roots of higher plants. They

constitute the major interaction point and are key to the ex -change of minerals and nutrients between the plant and the fun-gus. This interaction is studied in two research groups, Jas mo -nate Func tion & Mycorrhiza (B. Hause) and Carotenoid Me -tabolism & Mycorrhiza (M. Walter and A. Tissier). In the firstgroup, this is done in the frame of a PAKT-project funded by theLeibniz Asso cia tion entitled Chemical Communication in theRhizosphere. Here, the focus is on the early events of the inter-action. Trans criptomic and metabolomic approaches are imple-mented to identify specific molecules and associated pathways,which are induced in the plant root as it encounters the fungus.In the second group, the biosynthesis and function of carotenoidcleavage products, particularly alpha-ionone derivatives, whichare specifically synthesized and accumulate in the arbusculatedcells, are being studied. It is speculated that these compoundsplay a role in the turn-over of arbuscules, which are relativelyshort-lived structures with a life span of only a few days. Howsmall molecules can control the development and differentiationof or gans, tissues and cell types is also a major interest of the re -search group Jasmonate Function & Mycorrhiza. The jasmo- na tes are well known for their role in the induction of defensepro cesses, but they also have an important function in plantdevelopment, in particular for the differentiation of flower or -gans. Comparative transcriptomics and metabolomics of floweror gans of wild type and jasmonate-insensitive mutants of toma-to at different stages of development has revealed significantdiffe rences, which form the basis of a new model of flower organdifferentiation.

Reconstituting complex biosynthesis pathways of specializedmetabolites can be very helpful, not only to better understandthem, but also to develop alternative production systems forhigh-value compounds either in plants or in microorganisms. Toachieve this, highly efficient cloning strategies are required. Gol -den Gate is one such technology, which was developed by S.Ma rillonnet, leader of the research group Synthetic Bio logy.This modular cloning technology allows us to contemplate novelapproaches for metabolic and signaling pathway engineeringand this is already translated into collaborative projects bothwithin the Department and the Institute.

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Department of Cell and Metabolic BiologyHead: Professor Alain TissierSecretary: Ildikó Birkás

Abteilung Stoffwechsel- und ZellbiologieLeiter: Professor Alain TissierSekretariat: Ildikó Birkás

In addition, one of our objectives is to un -der stand how the specialized secretorycells of the glandular trichomes achievetheir massive metabolic productivity. Inparticular, we would like to uncover therelationships between central metabolismand the isoprenoid specialized pathways.For this, we performed a comparative ana -lysis between leaves and glandular tricho -mes using transcriptomics, metabo lo -mics, 13C-labeling and proteomics. Thesedata are being analyzed and will be usedto build a metabolic model of the glandu-lar trichomes.

In a project funded by the DFG, we arealso investigating the development anddifferentiation of type VI glandular trich-o mes. Based on fluorescence and trans-mission electron microscopy we coulddefine five distinct stages of late develop-ment and differentiation of the trichome

head (Fig. 3). Using fluorescence acti-vated cell sorting (FACS) these stagescould be grouped into three fractions,which are now being used for RNA-se -quencing which will provide stage-speci-fic transcriptome data.

Homeostasis of Isoprenoids (H.I.P) is acooperative ERA-CAPS (www.eracaps.org)3-year project (2014-2016) funded by theDFG where we are investigating the sub-cellular localization of isoprenoid pathwayenzymes in plants, potential interactionbetween proteins of the pathways, andtransport of isoprenoid metabolites with-in and outside the cell.

In TERPMED (www.terpmed.eu), a projectfinanced by the European Commission(2011-2013), we have been investigatingthe biosynthesis of phenolic diterpenessuch as carnosic acid (CA) and carnosol(COL) in rosemary (Rosmarinus officina lis)and Greek sage (Salvia fruticosa). Thesecompounds have high antioxidant activi-ties and have been shown to elicit anti-oxidative pathways in neuron cells, mak-ing them potential candidates for thetreatment of neurodegenerative disor-ders. The diterpene synthases requiredfor the production of the miltiradiene pre-cursor were identified and we have begun

to characterize subsequent steps. SeveralP450 monooxygenases could thus identi-fied, which when expressed in yeast leadto the production of carnosaldehyde andcarnosic acid. These results make it nowpossible to develop biotechnology-basedprocesses for the production of theseantioxidant metabolites.

Glanduläre Trichome sind spezialisierte Organe auf der Oberfläche oberirdischer Teile vieler Landpflanzen. In ihrenmetabolisch aktiven, sekretorischen Zellen produzieren sie Sekundärstoffe, die eine chemische Barriere gegenüberSchädlingen darstellen. In Solanaceen, die unsere Modellpflanzen zur Untersuchung der Biosynthese und Ent wick -

lung von glandulären Trichomen ausmachen, sind Terpenoide die dominanten Produkte. In Tomaten wurde die Biosynthesevon Sesquiterpen-Carboxysäuren sowie die Entwicklung und die Differenzierung von glandulären Trichomen untersucht. Dieda durch gewonnenen Kenntnisse könnten zur Züchtung neuer Tomatensorten, die eine erhöhte Resistenz gegen herbivore In - sekten tragen, verwendet werden. Außerdem ist die Analyse des metabolischen Netzwerks dieser Zellfabriken von großemInteresse, insbesondere, um die Verbindungen zwischen primärem und sekundärem Metabolismus aufzuklären. Dies könnte diePflanzen- oder Mikroorganismen-basierte Herstellung von Naturstoffen durch Metabolic Engineering deutlich verbessern.

Ulla Bonas, Gerd HauseUniversity of Halle, Germany

Albert Boronat, Albert FerrerUniversity of Barcelona, Spain

Marc BoutryUniversité Catholique de Louvain, Belgium

Harro BouwmeesterUniversity of Wageningen, the Netherlands

Ric de VosPlant Research International, Wageningen, the Netherlands

Jonathan GershenzonMax Planck Institute of Chemical Ecology, Jena, Germany

Armin HanselUniversity of Innsbruck, Austria

Angelos KanellisUniversity of Thessaloniki, Greece

Ulrich SchaffrathUniversity of Aachen, Germany

Rob SchuurinkUniversity of Amsterdam, the Netherlands

Ana SimonovicUniversity of Belgrade, Serbia

CompaniesYoram EyalVolcani Center, Bet Dagan, Israel

Michael HahnElektrochemie Halle, Germany

Klaus PellengahrOrganobalance GmbH, Berlin, Germany

Thomas StölzelAB Sciex, Darmstadt, Germany

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Glandular trichomes are specialized or -gans protruding at the surface of manyplant species that are typically made ofone or several stalk cells surmounted byone or several secretory cells. The secre-tory cells can produced large amounts ofa variety of compounds, which can bevolatile, such as phenylpropanoid deriva-tives, mono- or sesquiterpenes, or non-vo -latiles, such as sugar esters or diterpenes.Glandular trichomes have attracted theattention of plant biochemists for a num-ber of years for several reasons: the secre-tion of glandular trichomes has beenshown in many instances to confer a pro-tection against herbivore pests; in addi-tion, the specialized biosynthetic path-ways leading to the final products are of -ten exclusively expressed in the glandularcells, facilitating their identification andcharacterization; finally, their high pro-ductivity makes them an interesting tar-get for metabolic engineering. Due to ex -tensive genetic and genomic resources,Solanaceae species such as tomato (So la -num lycopersicum and related wild spe -cies) and tobacco (Nicotiana sp.) consti-tute a good model for the study of glan-dular trichomes.

In its type VI glandular trichomes, the wildtomato species S. habrochaites producesa variety of sesquiterpenoids that conferresistance against herbivore pests. Someaccessions, like LA1777, produce santale -noic and bergamotenoic acids, while oth -ers (LA2167) produce derivatives of zin-giberene. The sesquiterpene synthaseswere identified previously and we have

now made progress in elucidating the sub-sequent steps of these pathways. A P450monooxygenase from LA2167 could beshown to oxidize zingiberene to zingi be re -nol and epoxy-zingiberenol, while a dehy-drogenase from LA1777 was shown to oxi-dize santalenal to santalenoic acid (Fig. 1).Other candidates are being characterizedfor the oxidation of santalene to santale-nal.

In addition to qualitative differences in itsterpene profile with S. lycopersicum, S.habrochaites accumulates much largerquantities (mg/g fresh weight) of trichomederived compounds, a feature which con-

tributes to an enhanced protection to -wards insects. One important aspect is thearchitecture of the type VI glandular tri-chomes, where the terpe noids are pro-duced. We found that in S. habrochaitesthe four glandular cells are surrounded byan extracellular envelope, giving it the ap -pearance of a ball, and furthermore thatan intercellular cavity has developed be-t ween those cells, allowing the storage oflarge quantities of secreted compounds(Fig. 2). We designed a trichome score toconvert this phenotype into a quantitativetrait, which is now being genetically dis-sected using backcross populations be-t ween S. lycopersicum and S. habrochaites.

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Glandular Trichome and Isoprenoid BiosynthesisHead: Alain Tissier

Mareike AsmerBachelor Student

Benedikt AthmerBioinformatics Scientist

Gerd BalckePostdoctoral Scientist

Stefan BennewitzPostdoctoral Scientist

Nick BergauMaster Student & PhD Student

Carolin BernholzPhD Student

Kathleen BrücknerPostdoctoral Scientist

Sabrina GensichenBachelor Student

Anja HenningTechnician

Anna KulmaGuest Scientist

Felix LangeBachelor Student

Swanhild LohsePostdoctoral Scientist

Franziska PröhlMaster Student

Humberto Ramírez-MedinaPostdoctoral Scientist

Petra SchäferTechnician

Ulschan SchelerMaster Student & PhD Student

Eleni SpyropoulouGuest Scientist

Romy TöpferPhD Student

Sebastian ZabelPhD Student

Group Members

Fig. 1: Biosynthesis of cisoid sesquiterpenoids in two accessions of the wild toma-to Solanum habrochaites. Cisoid sesquiterpenoids are de rived from Z,Z-farnesyldiphosphate (Z,Z-FPP). In accession LA1777, the sesquiterpene synthase SBSmakes (+)-α-santalene and (+)-endo-β-bergamotene as main products (Sallaud etal., 2009). These are then oxidized to santalenoic and bergamotenoic acid. Analdehyde dehydrogenase which converts the aldehydes to the carboxylic acidswas identified and characterized. Identification of the missing oxidation steps isin progress. In accession LA2167, the sesquiterpene synthase ZIS makes 7-epizin-giberene (Bleeker et al., 2012). A single cytochrome P450 oxygenase was shownto oxidize zingiberene at 2 positions to make 4-hydroxy-zingiberene and 2,3-epoxy-4-hydroxy-zingiberene.

Fig. 2: Type VI glandular trichomesof the cultivated (Solanum lycoper-sicum) and wild tomato (S. habro-chaites), viewed under fluorescencemi croscopy (top row) or electronmi croscopy. In the cultivated toma-to the four glandular cells can beclearly distinguished in a four-leafclover shape, whereas the trich-omes of the wild species are roundand contain a large cavity wheremetabolites can be secreted.

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

Collaborators

truncatula based on their unique expres-sion in AM (MtUGT1, MtUGT2) as deducedfrom the Medicago Gene Expression At las.The genes were expressed in E. coli andMtUGT1 recombinant protein was identi-fied. However, assays with recombinantenzymes using synthetic C13 blumenol C

aglycon provided by Bernhard Wester -mann (Department NWC) have so farbeen unsuccessful in showing activityand a glycosylated product.

Approaching C13/C14 apocarotenoid func-tion from a different angle involved the

use of the mtpt4 mutant unable to deliverphosphate through the periarbuscularmembrane of arbuscules. The premature-arbuscule-degradation phenotype of thismutant might be brought about at least inpart by overproducing C13/C14 apoca ro te -noids in arbusculated cells. Despite opti-mizing root colonization of the mutant,we were unable to find differences to wildtype mycorrhizal roots in terms of C13/C14

apocarotenoid accumulation. One expla-nation may be the fact that no uniform ar -buscule degradation could be obtained inthe mutant, which always had a variablenumber of residual mature arbuscules.However, we could show by immunoloca -lization that degrading arbuscules of themutant contain high levels of DXR, anC13/C14 biosynthetic enzyme of the MEPpathway (Fig. 3) as do wild type degrad -ing arbuscules (not shown). This impliesthat premature activity of a natural path-way of arbuscule degradation bringsabout the mtpt4 phenotype.

Carotinoide sind weitverbreitete C40-Verbindungen, aus denen enzymatisch spezifische Spaltungsprodukte (Apo caro -tinoide) entstehen können. Zu den Apocarotinoiden gehören die Phytohormone ABA (C15) und Strigolactone (C19)sowie Sekundärstoffe, die in mykorrhizierten Wurzeln akkumulieren (C13 α-Ionol-Glycoside und C14 Mycorradicin). Die

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

Collaborators

Salim Al-BabiliKing Abdullah University of Science &Technology, Thuwal, Saudi-Arabia

Maria J. HarrisonBoyce Thompson Institute for PlantResearch, Ithaca, USA

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

Ralph WelschUniversity of Freiburg, Germany

CompanyAlan BlowersBall Horticultural, Chicago, USA

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Carotenoids are 40-carbon molecules as -sembled from C5 units, which can be tai-lored by oxidative enzymes to generatespecific carotenoid cleavage products(apocarotenoids) with a variety of func-tions. Two phytohormones, abscisic acid(ABA) and strigolactones (SLs), derive fromcarotenoids after a single or a sequentialdouble cleavage of their carotenoid pre-cursors, respectively (Fig. 1). SLs are stresshormones exuded from roots upon nutri-ent starvation to promote the symbiosiswith arbuscular mycorrhizal (AM) fungi.The key interest of the group is in the elu-cidation of apocarotenoid pathways, theirinterconnections, the biological functionof their products, their evolution and howtheir biosynthesis is affected by a regula-ted carotenoid precursor supply. Themain focus is on glycosylated C13 α-ionol(formerly cyclohexenone) derivatives andC14 mycorradicin presumably derived fromzeaxanthin (Fig. 1). These compounds areinduced in root cells hosting fungal arbus-cules. Arbuscules are dynamic entities,which undergo constant degradation undre-emergence but the reason for theirtransient nature is not understood. Thedynamics of arbuscules is investigatedwith a focus on a still hypothetical role ofC13 apocarotenoids in a plant-controlleddegradation of arbuscules with poor mi-neral nutrient delivery to roots. Novelsteps in C13/C14 and SL apocarotenoid bio -synthesis are to be elucidated (Fig. 1) tofind new, more specific targets for path-way tracking and manipulation.

A novel isoform of phytoene synthase(PSY3) encoding a key step of caroteno-genesis has been identified from tomatoand Medicago truncatula. Its transcriptle vels are exclusively up-regulated by

phosphate starvation and AM arguing fortheir involvement in a regulated caro te -noid pre cursor supply to either C13/C14 orSL bio synthesis or both. PSY3 geneknock-down in mycorrhizal hairy roots ofM. truncatula correlated with reducedC13/C14 levels de monstrating an in vivofunction in caro te noid precursor supplyto this branch pathway. However, tomatoPSY3 enzyme ac ti vity in vitro or in hete ro -logous hosts is still under study. In te res t -ingly, genes encoding PSY3-type iso-forms can be identified in most dicot ge nomes, but are absent from monocots.The dicot PSY3s form a no vel, previouslyunrecognized ancient clade of PSY geneswith orthologous members. Other PSYisogenes, differentially expres sed infruits and leaves and in monocot rootsare paralogs, which evolved more recently(Fig. 2). Stress-inducible isoforms like thedicot PSY3 co-regulated with down-stream catabolic steps might be compo-nents of multi-enzyme complexes com-mitted to apocarotenoid rather than tocarotenoid formation.

The modification of the C13 cleavage pro d uct is still elusive. AM-induciblegenes with sequence similarity to ABA2from ABA biosynthesis (Fig. 1) have beenidentified guided by the hypothesis thattheir gene products might, in analogy toABA2, convert a C13 product of zeaxanthinclea vage having a β-ionone ring configu-ration, to the α-ionone ring found in C13

apoca ro tenoids. A tomato ABA2-like genewas clo ned and expressed in zeaxanthinproducing E. coli strains supplementedby CCD1. Only when the ABA2-like se -quence was inserted, the expected 3-oxo-α-ionol compound was identified by LC-MS. Moreover, mycorrhizal roots of trans-genic tomato suppressed for ABA2-likeexpression exhibited reduced levels of C13

apocarotenoids, whereas C14 levels wereunaltered compatible with the proposedbiochemical function of this enzyme.

The final step to C13 apocarotenoid glyco-sides is predicted to be catalyzed by UDP-glycose-dependent glycosyltransferases.Two distinct UGTs were cloned from M.

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Carotenoid Metabolism & MycorrhizaHeads: Alain Tissier & Michael H. Walter

Claudia HornTechnician

Artem KamaevMaster Student

Kathrin KowarschikPhD Student

Ron StauderPhD Student

Group Members

Fig. 1: Plant root apocarotenoid pathways starting from β-carotene and zea-xanthin. Current enzyme targets are indicated in yellow. Dedicated carote-noid precursor formation appears to be managed through isoforms of caro-tenogenic enzymes, e.g. PSY3.

Fig. 2: Sequence si -mi larity tree of phy-toene synthase(PSY) isoforms high-lighting a novel,phosphate starva-tion- and AM-in-duced PSY3 cladeof dicots (orangebackground). Thegreen branch con-tains various PSYparalogs includingthe drought-in-duced PSY3 classof monocots in-volved in ABA bio-synthesis (bluebackground).

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

lated metabolites than wild type stamenand showed an enhanced expression ofethylene-regulated genes. Additionally,jai1 stamen exhibited a premature rise ofthe ethylene precursor ACC starting atthat developmental stage when highest JAlevel occurred in the wild type. All thesedata suggest a dual role of JA in stamendevelopment: (i) a positive regulation ofpollen nutrition at early development and(ii) at later stages, an inhibition of a pre-mature function of ethylene, which itselfis a regulator of anther dehiscence andpollen release.

Beside altered flower development, jai1plants are affected in the formation ofglandular trichomes indicated by signifi-cantly reduced number of type-VI glandu-lar trichomes on the leaf surface. In colla -borative work with RG Tissier, we are in te r -ested to identify and characterize genesinvolved in JA-regulated induction ofglandular trichomes. We used a transcrip-tomic approach via RNA-seq (collabora-

tion with J. J. Giovannoni, Boyce Thomp -son Institute Ithaca, USA) and comparedthe expression profiles from developingleaves (Fig. 3) of the JA-treated wild type(enhanced trichome number) with that of jai1 (reduced trichome number). Amongthe differentially regulated genes, severalputative transcription factors were identi-fied and are now under functional charac-terization by transgenic approaches.

Another project focuses on tissue- andcell-specific localization of JAs by develop - ing a non-invasive detection method. Inthe first approach, we used promoters ofthe highly JA-responsive genes of A. tha -liana to select JA-specific cis-elements forthe construction of a synthetic, JA-speci-fic promoter. In the second approach, anew system utilizing artificial TAL effec-tors in combination with syntheticpromo ter-reporter systems is under inves-tigation (in collaboration with RG Tissier).Ac tivity and specificity of both systems ismonitored through GFP fluorescence intransient (Arabidopsis protoplasts, leavesof Nicotiana benthamiana) and stable(Arabidopsis) transformation systems.

Finally, a collaborative project with W.Weschke and U. Conrad (IPK Gatersleben)was finished. Here, our experience in im -munological detection of phytohormonesled to new insights into the putative func-tion of abscisic acid (ABA) in endospermcellularization: ABA is abundant in earlynon-elongated, but not in differentiatedcells of the nucellar projection. This is incontrast to the maternally affected shrun k -en endosperm mutant seg8, where thesecells did not elongate and ABA remainedabundant. Additionally, bioactive forms ofgibberellins (GAs, kindly measured by M.Strnad, Olomouc) were strongly and tran-siently increased in wild type caryopses.This led to the conclusion that differentia-tion of the barley nucellar projectionmight be driven by a distinct in crease inthe ratio of GA to ABA, which is deregu-lated in seg8.

Pflanzen müssen auf verschiedenste Umweltfaktoren reagieren. Negative Auswirkungen haben z.B. der Befall durch Pa -thogene, während z.B. die arbuskuläre Mykorrhiza, eine mutualistische Symbiose mit Pilzen positiv auf die Pflanzewirkt. Ein Schwerpunkt unserer Arbeiten ist die Analyse der Reaktion von Wurzeln von Medicago truncatula auf den

Kontakt mit Mikroorganismen des Bodens. Die Charakterisierung von Exsudat- und Transkriptmustern soll Aufschluss ge -ben, wie die Pflanze ein Pathogen vom Symbiont unterscheiden kann. Außerdem analysieren wir mittels zytologischer, bio-chemischer und molekularer Methoden die Rolle des Pflanzenhormons Jasmonsäure, das viele der pflanzlichen Antwortenauf biotische und abiotische Faktoren vermittelt, aber auch Entwicklungsprozesse wie die Blüten- und Trichom-Entwicklungreguliert. Komplementiert werden diese Ansätze durch die Entwicklung von Methoden, die eine zell- und gewebespezifischeDetektion von Jasmonsäure und Abscisinsäure ermöglichen.

CollaboratorsUdo Conrad, Winfried WeschkeLeibniz Institute of PlantGenetics and Crop PlantResearch, Gatersleben,Germany

Philipp FrankenInstitute of Vegetable andOrnamental Crops,Großbeeren/Erfurt,Germany

James J. GiovannoniCornell University, Ithaca,USA

Peter GresshoffUniversity of Queensland,Australia

Gerd HauseUniversity of Halle, Germany

Joachim KopkaMax Planck Institute ofMolecular Plant Physiology,Potsdam-Golm, Germany

Miroslav StrnadPalacký UniversityOlomouc, Czech Republic

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In nature, plants interact with numerousmicroorganisms. Among them are benefi-cial fungi as well as pathogenic oo-my ce tes. Our work is focused on the ana -lysis of early responses of the model leg -ume Me dicago truncatula to a symbiont(spores of the arbuscular mycorrhizal fun-gus [AMF] Rhizophagus irregularis) and toa patho gen (zoospores of the causalagent of root rot, Aphanomyces euteich-es). We aim to identify symbiosis-specificchanges in root exudates and root vola t -iles, but also in transcripts compared tothat during co-cultivation with the patho -gen. To analyze metabolic changes, M.truncatula plants were grown in an aero-ponic cultivation system provided by theIGZ in Groß bee ren, and then treated witheither spores of the two microorganismsfor 12 hours. LC-MS analyses of root exu-dates showed more than 90 and 70 sub-stances exuded at significantly higher lev-els upon treatment with the AMF and thepathogen, re spectively (Fig. 1). To gaindeeper insights into the response of ma-t ure root systems and to compare meta -bolite pattern with transcriptional chan -ges, the roots were additionally proces -sed for transcript profiling. The analysis ofthese data sets will allow a comprehensivecharacterization of the early responses ofM. truncatula roots to symbiotic or patho-genic soil-born mi croorganisms.

Jasmonates (JAs) are ubiquitously occur-ring plant signaling compounds formed inresponse to biotic and abiotic stress aswell as during development. Phenotypicanalyses of JA-insensitive mutants indi-ca ted the involvement of JA in flower de -velopment. In contrast to the male sterile

phenotype of the corresponding Ara bi -dopsis mutant, the tomato mutant jasmo -nate-insensitive1 (jai1) is female sterile. Toget deeper insights into the role of JAs intomato flower development, JA-relatedgene expression and metabolite accumu-lation in female and male reproductive tis-sues was monitored. Among genes diffe-rentially expressed in ovules of all deve-lopmental stages were defense-relatedgenes such as those encoding proteaseinhibitors (PIs). Among the PIs, PI-2 is thebest characterized one. Its expression wasnot detectable in ovules of jai1 plants sug-gesting a role of PI-2 in female fertility oftomato. To answer this question we com-pared developing ovules of wild type andjai1 plants in respect to programmed celldeath and expression of ovule-specific se r -ine proteases by cytological methods and

gene expression studies, respectively. Asfunctional proof, jai1 plants were trans-formed with the cDNA encoding PI-2 un -der the control of an ovule-specific pro-moter. Here, at least a partial rescue ofseed formation in jai1 plants points to anessential role of PIs and/or proteases intomato female gametophyte develop-ment.

To investigate JA-function in tomato sta-men development, six developmental sta -ges of wild type and jai1 stamen werecompared starting with small flower budsup to open flowers (Fig. 2). Phenotypic ana -lyses of jai1 showed disturbed pollen de ve -lopment accompanied by increased sta-men desiccation at later developmentalstages. jai1 stamen of these stages accu-mulated higher levels of desiccation-re -

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Jasmonate Function & MycorrhizaHead: Bettina Hause

Monika D. ArnoldMaster Student

Chandan ChinigaKemparaju PhD Student

Julian DindasMaster Student

Susanne FornerPhD Student

Franziska GroschBachelor Student

Ulrike Huth Technician

Dorothée KlemannPhD Student

Yulong Li PhD Student, CSC Fellow

Juliane Lößner Bachelor Student

Kati MielkePhD Student

Tamás MonostoriGuest Scientist

Maria PogodaBachelor Student

Ramona Schubert Master Student & PhDStudent

Hagen Stellmach Technician

Diana WeierPostdoctoral Scientist

Theresa WießnerMaster Student

Heena Yadav PhD Student, ErasmusMundus Fellow

Group Members

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

Figure 2: Schematic model of therole of jasmonates in stamendevelopment of tomato. In develo-ping stamen of early stages,increasing JA le vels promote pol-len nutrition and development.Later on, JAs in hibit prematurerise of ethylene, which it self regu-lates positively anther de hiscenceand pollen release.

Figure 3: Glandulartrichomes of thesurface of a deve-loping tomato leaf. A. Two-weeks-oldtomato seedling; B. The young estleaf of about 3 mmlength used foranalyses; C. Scanning elec-tron micrograph ofthe youngest leaf showing differentdevelopmental stages of glandulartrichomes.

The second project of the group is re-lated to enzymology of O-methyltrans-ferases (OMTs) and in this case the func-tional characterization of CCoAOMT-likeen zymes, specifically the well-establishedand crystallized PFOMT from Mes em bry -anthemum crystallinum. In collaborationwith the modeling group of WolfgangBrandt (Dept. NWC) we have established anew reaction mechanism for this type ofcation-dependent en zymes and de-scri bed a previously undetected and high-ly conserved catalytic triade Lys157-Asn181-Asp228 required for enzymatic activity.Quantum mechanical calculations andmodeling data were confirmed by site-directed mutagenesis, replacing eachamino acid by alanine, which resulted incatalytic efficiencies three orders of mag-nitude lower. Sequence comparisons re -vealed that this triad is conserved amongsubstrate specific and promiscuous plant

cation-dependent OMTs and can also beidentified with only minor mo difications inthe microbial and mamma lian counter-parts (Fig. 2). Mutation of the critical ly sine157 to an alanine changed the catalytictriad to a dyad. This resulted in a completeloss of enzyme activity to wards the usualcatechol-like substructures of phenyl-propanoids and flavon oids, with the ex -ception of a 5,6,7-tris-hy dro x ylated A-ringsystem of the flavonol querce ta getin, thenative substrate of PFOMT in M. crystal -linum. In this case, in stead of the usual fivedifferent products, a single, un usual 5-O-methylated flavonol was de tec ted, charac-terized by a yellow fluorescence under UV-A radiation. Be sides the efficient formationof an interesting natural product, this ex -ample illustrates po tential evolutionaryconsequences of a re sidual flexibility with-in a structurally se ve rely constrained me -tal-dependent en zyme type. Even when

one of the essential amino acids for a con-served proton relay is eliminated, PFOMTcan overcome this impaired activity byswitching to or maintaining an alternativereaction me cha nism at the expense of a li mited, more specific product formation.Under natural condition this altered chem otype could lead to a potentiallymodified response in the interaction of theorganism with its biotic or abiotic environ-ments.

Die Arbeiten zur Biosynthese und Funktion der Hydroxyzimtsäure-Spermidinkonjugate (HCCAs) in Antheren und Pollenvon Arabidopsis thaliana wurden um einen weiteren Phenylpropanbiosyntheseweg ergänzt. Arabidopsis-Antheren syn-thetisieren und Pollen akkumulieren auf ihrer Oberfläche neben den HCAAs eine Klasse spezifischer und ungewöhnli-

cher Phenylpropane, Flavonol α-1,2-verknüpfte 3-O-diglucoside, sogenannte Sophoroside. Diese werden sequentiell durchzwei spezifische Glucosyltransferasen synthetisiert, eine Flavonol 3-O-glucosyltransferase und eine pollenspezifische Flavo -nol-3-O-glucosid:UDP-glucose-1,2-glucosyltransferase. Beide Gene wurden identifiziert und durch heterologe Expres sion inBakterien und Pflanzen hinsichtlich ihrer Substratspezifität funktionell eindeutig charakterisiert. Neben einem Bei trag derkovalent gebundenen HCAAs zur Festigkeit der Pollenwand sind weitere Funktionen sowohl für die HCAAs als auch für die So -phoroside als UV-Schutz oder als potentielle Antioxidantien denkbar, konnten aber experimentell noch nicht verifi ziert werden.

In einem zweiten Projekt haben enzymatische Arbeiten zur Funktion von Methyltransferasen in Zusammenarbeit mit der Ab -teilung NWC zur Identifizierung eines allgemein gültigen, neuen Reaktionsmechanismus, einer katalytischen Triade, im Fallepflanzlicher kationabhängiger Methyltransferasen geführt. Theoretische Berechnungen wurden am Beispiel des gut charak-terisierten Enzyms PFOMT aus M. crystallinum durch positionsspezifische Mutationen und mittels Sequenzvergleichen be legt.

CollaboratorsMohammed Ali-ShtayehBERC Research Center, Til, Nablus, Palestine

Fernando Cotinguiba da SilvaUniversity of Rio de Janeiro, Brazil

Andrej FrolovUniversity of Leipzig, Germany

Mwafaq IbdahNewe Yaar Research Center, Ramat Yishay,Israel

Matthias MenzelFraunhofer Institute for Mechanics ofMaterials, Halle, Germany

Bernd UlberUniversity of Göttingen, Germany

Danièle WerckCentre national de la recherche scientifique,Strasbourg, France

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Previous work established the tapetum-specific biosynthesis of tris-hydroxycin-namoyl spermidine conjugates (HCAAs)resulting in the accumulation of thesecompounds in the tryphine of Arabi dop sisthaliana pollen grains. Promoter-GFP fu -sions confirm the presence of the ta pe -tum-specific hydroxycinnamoyltranferaseand the decorationg methyltranferase tobe expressed in early stages of tapetumdevelopment. A reduction or completeloss of HCAAs is observed in knockoutmutants of enzymes related to the phe -nylpropanoid part as well as to the poly -amine part of the pathway. Since HCAA-bound spermidine makes up about 80%of the total polyamine (PA) level and theselevels are virtually identical in variousHCAA-knockout and knockdown lines,polyamine homeostasis appears to becontrolled at the translation rather than atthe transcription level. Recent evidenceconfirmed that HCAAs are also incorpo-rated and covalently bound to the pollenwall, preferentially by alkaline hydroly s -ab le ester bonds, rather than by etherbonds. Since the overall aromatic compo-sition of the pollen wall is also modified inHCAA-knockout plants, it remains to beseen how much the HCAAs essentiallycontribute to the rigidity and mechanicalstrength of the exine. These data are be -ing quantified in collaboration with theFraunhofer Institute for Mechanics of Ma -terials (Halle).

Besides the HCAA-biosynthetic pathway,a second pathway resulting in the forma-

tion of pollen specific flavonol α-1,2-lin -ked 3-O-glucosides (sophorosides) hasbeen elucidated. Two critical UDP-depen -dent glucosyltransferases that result inthe formation of pollen specific kaempfe-rol and quercetion 3-O-sophorosideshave been identified. The genes havebeen clo ned and the corresponding en -zymes functionally expressed in microbialsystems. The sequential formation of theso phorosides was observed when eitherquercetin or quercetin 3-O-glucoside, re -spectively, were used as substrates. For -mation of flavonol sophorosides was alsoobserved in Nicotiana benthamiana intransient expression studies after clo ningunder a constitutive promoter and subse-quent transformation of the plants withAgrobacterium tumefaciens. Arabi dopsis

plants carrying a 3-O-glucosyltransferaseknockout were selected and tested for fla -vonol sophoroside accumulation on theexine of purified pollen grains. The result -ing data showed that pollen of this lineshowed a drastic, yet not complete loss ofthis type of flavo nols in the pollen try -phine. Two indepen dent phenylpropa -noid pathways can now be attributed tothe tapetum cells, synthesizing the pollenexine: HCAAs and flavonol sophoroside(Fig. 1). Although the biosynthesis of bothclasses of compounds has been clarified,some questions are still unresolved. Forexample, what kind of molecular signa-tures determine the specific role of bothtypes of compounds and why are thesecompounds universally distributed amongangiosperms?

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Phenylpropanoid Metabolism & Protein BiochemistryHead: Thomas Vogt

Dominic BrauchGuest Scientist

Christin FellenbergPhD Student & Postdoctoral Scientist

Christian GörnerBachelor Student

Stephan GrunewaldMaster Student

Kerstin MankeTechnician

Markus SchmidtBachelor Student

Group Members

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

Fig. 2: Conservedamino acids Lys157,Asn181, and Asp228

in plant cation-dependent OMTs

(CCoAOMT-likeOMTs) contributing

to the catalytic triadare marked with an

arrow. From: Brandt,Manke, Vogt,

Phytochemistry,doi:10.1016/j.phyto-

chem.2014.12.018.

coli and Ag robacterium (Fig. 2). Vectorswith lower copy number should facilitatecloning and maintenance of large con-structs in both bacterial hosts. MoClo vec-tors are not only restricted to plant expres-sion vectors. We are in fact continuouslydeveloping cloning vectors for expressionin other hosts, including for example E.coli and yeast (in collaboration with thegroup of Alain Tissier in the Department).

The library of basic parts forms the baseof a standardized DNA assembly system.Parts can be be shared and exchangedbetween all users of the cloning system.At the same time, all users can also becontributors to the library of parts. Basicparts must follow defined specifications.For the MoClo system, parts should beflanked by two BsaI restriction sites in op -posite orientation, and not contains re -striction sites for the enzymes BsaI, BpiI,and (optionally) BsmBI. Parts must be se -quenced and characterized functionally.An example of parts made recently andtested functionally in Nicotiana benthami-ana leaves is shown in Fig. 3.

Synchronized expression of multiple ge nesof a biosynthetic pathway requires ha ving

libraries of promoters for coordinated ex -pression of the various genes. These li -braries should provide a wide ran ge of ex -pression levels to obtain an ap propriatelevel of expression for each gene of thepathway. These promoters should alsoshare minimal homology bet ween differ-ent members of the library to avoid re -combination between different promot-ers within the same construct. To achievethis goal, we are currently develo ping li -braries of promoters based on the TAL ef -fectors (in collaboration with the group ofAlain Tissier in the Department). Such li -braries of level 0 modules will allow syn-chronized and orthogonal expression ofall genes of a biosynthetic pathway.

Reconstitution of biosynthetic pathways inheterologous hostsWe are interested in identifying genes in -volved in plant biosynthetic pathways ofinterest, and in assembling the completebiosynthetic pathways in heterologoushosts. One example is the biosynthesis ofbetanin, a widely used natural food colo -rant extracted from red beet. Betanin is amember of the betalains, a class of com-pounds that are found in members of theCaryophillales. Three of the genes requi red

for betanin biosynthetic pathway havepreviously been identified by researchgroups from different institutions, includ -ing the IPB. Coexpression of all threegenes (a glucosyl transferase, a dioxyge-nase and a cytochrome p450) leads tohigh level of biosynthesis of betanin in Ni -cotiana leaves. These three genes are ne -vertheless not sufficient for biosynthesisin heterologous hosts such as yeast. Weare currently trying to identify the lastmissing gene of the pathway (coding foran an enzyme that is thought to converttyrosine to L-Dopa) in order to transfer theentire pathway to heterologous hosts likeyeast.

Im Fokus der Arbeitsgruppe steht die Entwicklung von Werkzeugen und Technologien für die Synthetische Biologie sowiederen Anwendung auf dem Gebiet des Metabolic Engineering in Pflanzen und Mikroorganismen. Grundlage unsererArbeiten ist ein von uns entwickeltes DNA-Montagesystem, das den Zusammenbau von Multigenkonstrukten aus stan-

dardisierten DNA-Abschnitten einer DNA-Bibliothek erlaubt. Durch die Konstruktion von Expressionsvektoren in verschiede-nen Organismen, wie Pflanzen, Hefen und Bakterien, wird dieses DNA-Assemblierungssystem von uns stetig weiterentwi-ckelt und optimiert. Darüber hinaus kreieren wir Bibliotheken mit einer Vielzahl von regulatorischen Sequenzen, wie Promo -toren und Terminatoren, für die koordinierte Expression von verschiedenen Genen. Ziel dieses Verfahrens ist die Wie der her -stellung von kompletten Biosynthesewegen in verschiedenen Organismen. So arbeiten wir zurzeit an der Entwicklung vonModell-Biosynthesen von Betalainen und Carotinoiden.

73

Plants are source of a large number ofproducts useful to mankind, includingfood, feed, fuel, building materials, andmedicinal substances. Current agriculturalpractices needed to produce these arehowever largely dependent on non-re -newable fossil fuel-based agrochemicals.Plant synthetic biology has great potentialto improve agriculture by producingplants that will require fewer fossil fuel-ba -sed agrochemicals for maximal growthand productivity. Synthetic biology couldalso be useful to generate plants that areable to produce a wider range of chemi-cal compounds that may serve as a sour ceof a renewable feedstock for industry orfor energy production. Synthetic biologymay also be useful for engineering micro-bial strains for production of some plantsecondary metabolites that cannot beproduced economically in their nativehosts.

Our group has two main interests: (1) de -velop tools to enable and facilitate plantsynthetic biology, and (2) use of thesetools to reconstitute model biosyntheticpathways in plants or microorganisms, orto develop artificial biosynthetic path-ways for biosynthesis of novel chemicalsubstances.

Development of tools for synthetic biologyWe have earlier developed a method toefficiently assemble multiple DNA frag-

ments using a one-pot one-step assemblyreaction. This method, called Golden Ga -te cloning, does not require complicatedprocedures such as gel extraction, and istherefore easily automatable. An impor-tant feature of synthetic biology is the useof standard biological parts, DNA frag-ments with a defined standard structureand with associated performance charac-teristics. Standardized DNA parts are use-ful to facilitate reuse of the parts in diffe-rent constructs, for sharing of parts bet ween users, and for predicting the be -havi our when several parts are assembledin a larger construct. A DNA cloning sys-tem for assembly of multigene constructsfrom standard parts was developed ear-lier based on Golden Gate cloning. Thismodular cloning system (MoClo) allows auser to assemble any multigene constructof choice using a series of one-pot assem-bly steps, starting from a library of se -quenced and characterized basic parts(level 0 parts, Fig. 1).

MoClo is designed for assembly of multi-gene constructs for plants. While sets ofvectors for expression in plants are al -rea dy available, it is useful to continue tode velop new vectors that have differentspe cifications. For example, a series ofbinary vectors for Agrobacterium-medi-ated de livery to plant cells were maderecently; these vectors differ by the ori-gins of replications for maintenance in E.

72

Synthetic BiologyHead: Sylvestre Marillonnet

Fig. 1: Basic biological parts cloned aslevel 0 modules are assembled in multi-gene constructs in several cloning steps.Each cloning step is based on GoldenGate cloning, a method that allows one-pot DNA assembly of multiple DNA frag-ments. A first cloning step result inassembly of functional transcriptionalunits in level 1 constructs. Several tran-scriptional units can be further assem-bled in level 2, M or P multigene con-structs, with constructs becoming pro-gressively larger with each cloning step.Successive cloning steps are performedusing different type IIS restriction enzy-mes and selectable markers.

Fig. 3: Test of basic parts encoding 5'-untranslated se -quences and N-terminal coding sequences fragments.The modules were cloned between the 35S promoterand the GFP gene in binary vectors, and transiently ex -pressed in Nicotiana benthamiana cells by Agro bac te -rium-mediated delivery. The tested modules target theGFP protein to the chloroplast (1 and 2), the apoplast(3), the nucleus (4), the mitochondria (7), or simply adda fusion tag to the cy tosolically located protein (5,6). U,tobacco mosaic virus 5'-untranslated sequence; chlo-ro, chloroplast transit peptide; His, His tag; Amy SP,rice amylase signal peptide; SV40, nuclear localizationsignal; EK, enterokinase cleaving site sequence;CoxIV, yeast CoxIV gene mitochondrial transit peptide.

Fig. 2: Test of binary vectors bytransient expression in Nicotianabenthamiana leaves. A GFP con-struct under control of the 35Spromoter was subcloned in 5 dif-ferent binary vectors that replica-te at different levels in E. coli andAgro bac terium. 1, level 2 vector,high co py in E. coli (ColEI ori),medium copy in Agrobacterium(PVS1 ori); 2, level M vector, highcopy in E. coli (ColEI ori), mediumcopy in Ag robacterium (RK2 ori);3, level P vec tor, medium copy inE. coli (p15a ori), medium copy inAgro bacterium (RK2 ori); 4, level Pvec tor, single copy in E. coli (F1ori), single copy in Agro bac terium(RiA4 ori); 5, Level 2 vector, F1RiA4, single copy in E. coli (F1 ori),single copy in Agrobacterium(RiA4 ori).

Ramona Grützner Technician

Kristin KönigMaster Student

Group Members

CollaboratorsNicola Patron, Jonathan JonesSainsbury Lab, John Innes Institute, Norwich, UK

Werner RoosUniversity of Halle, Germany

7574

Druege, U., Franken, P., Lischewski, S., Ahkami,A. H., Zerche, S., Hause, B. & Hajirezaei, M.-R.Transcriptomic analysis reveals ethylene as sti -mulator and auxin as regulator of adventitiousroot formation in petunia cuttings. Front. PlantSci. 5.

Engler, C., Youles, M., Gruetzner, R., Ehnert, T.-M., Werner, S., Jones, J. D. G., Patron, N. J. & Ma -rillonnet, S.A golden gate modular cloning tool-box for plants. ACS Synth. Biol.3, 839-843.

Krajinski, F., Courty, P. E., Sieh, D., Franken, P.,Zhang, H., Bucher, M., Gerlach, N., Kryvo ruch -ko, I., Zoeller, D., Udvardi, M. & Hause, B. TheH+-ATPase HA1 of Medicago truncatula is es -sential for phosphate transport and plantgrowth during arbuscular mycorrhizal symbio-sis. Plant Cell 26, 1808-1817.

Meesters, C., Mönig, T., Oeljeklaus, J., Krahn, D.,Westfall, C. S., Hause, B., Jez, J. M., Kaiser, M. &Kombrink, E. A. Chemical inhibitor of jasmo na tesignaling targets JAR1 in Arabidopsis thaliana.Nat. Chem. Biol. 10, 830-836.

Phan, H. T., Hause, B., Hause, G., Arcalis, E., Sto -ger, E., Maresch, D., Altmann, F., Joensuu, J. &Conrad, U. Influence of elastin-like polypeptideand hydrophobin on recombinant hemaggluti -nin accumulations in transgenic tobacco plants.PLoS ONE 9, e99347.

Staniek, A., Bouwmeester, H., Fraser, P. D. Kay -ser, O. Martens, S., Tissier, A., van der Krol, S.,Wess johann, L. A. & Warzecha, H. Natural prod-ucts – learning chemistry from plants. Bio tech -nol. J. 9, 326-336.

Wasternack, C. & Hause, B. Blütenduft, Abwehr,Entwicklung: Jasmonsäure – ein universellesPflan zenhormon. Biologie in unserer Zeit, 44, 164-171.

Weier, D., Thiel, J., Kohl, S., Tarkowská, D., Strnad,M., Schaarschmidt, S., Weschke, W., Weber, H. &Hause, B. Gibberellin-to-abscisic acid balancesgovern development and differentiation of thenucellar projection of barley grains. J. Exp. Bot.65, 5291-5304.

Book Chapter 2014Balcke, G. U., Bennewitz, S., Zabel, S. & Tissier, A.Isoprenoid and metabolite profiling of plant tri-chomes. In: Plant Isoprenoids (M. R. Concep cióned.) Humana Press New York (Methods Mol.Biol., 1153) S. 189-202, ISBN 978-1-4939-06055.

Engler, C. & Marillonnet, S. Golden gate cloning.In: DNA cloning and assembly methods (S. Valla &R. Lale eds.) Humana Press New York (Me -thods in Molecular Biology, 1116) S. 119-131,ISBN 978-1-62703-763-1.

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

Thieme, F. & Marillonnet, S. Quick and cleancloning. In: DNA cloning and assembly methods(S.Valla & R. Lale eds.) Humana Press New York(Methods in Molecular Biology, 1116) S. 119-131, ISBN 978-1-62703-763-1.

Tissier, A., Ziegler, J. & Vogt T. Specialized plantmetabolites: diversity and biosynthesis In: Eco lo -gical biochemistry – environmental and interspe - cies interactions (G.-J. Krauß & D. H. Nies, eds.)Wiley-VCH Weinheim, S. 15-38, ISBN 978-3-527-31650-2.

Bachelor Theses 2014Asmer, Mareike: Untersuchungen einer Al de -hyddehydrogenase im Sesquiterpen meta bo lis -mus in Tomaten. Martin-Luther-UniversitätHalle-Wittenberg, Institut für Biochemie undBiotechnologie, 18/09/2014.

Gensichen, Sabrina: Charakterisierung einerIsoprenylsynthase aus Arabidopsis thaliana. Mar -tin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Insti tutfür Biochemie und Biotechnologie, 14/11/2014.

Görner, Christian: Nachweis, Klonierung undExpression spezifischer Glycosyltransferasenaus Arabidopsis thaliana. Martin-Luther-Uni ver -sität Halle-Wittenberg, Institut für Biochemieund Biotechnologie, 01/09/2014.

Grosch, Franziska: Studien zur in vivo Interak -tion von COI1 und JAZ1 im transienten Ex -pressionssystem (Nicotiana benthamiana). Mar -tin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Insti tutfür Biochemie und Biotechnologie, 06/10/2014.

Lößner, Juliane: Rolle von Jasmonaten in derfrühen Fruchtentwicklung der Tomate. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institutfür Biochemie und Biotechnologie, 06/10/2014.

Schmidt, Markus: Vergleich konventionellerLichttechnik und LED-Beleuchtungstechnik be -zogen auf das Wachstum der ModellpflanzeArabidopsis thaliana. Martin-Luther-UniversitätHalle-Wittenberg, Institut für Biochemie undBio technologie, 24/10/2014.

Master Theses 2014Arnold, Monika Dorothea: Identifizierung frü -her OPDA responsiver Gene in Arabidopsis tha -liana. Martin-Luther-Universität Halle-Witten -berg, Institut für Biochemie und Biotechno -logie, 16/10/2014.

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

Kamaev, Artem: Untersuchung mykorrhizaspe -zi fischer Glycosyltransferasen. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Bio -chemie und Biotechnologie, 29/09/2014.

König, Kristin: Engineering of the anthocyaninbiosynthetic pathway in Nicotiana benthamiana.Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg,In stitut für Biochemie und Biotechnologie,14/11/2014.

Wießner, Theresa: Interaction of Medicago trun-catula with Rhizophagus irregularis and Aphano -myces euteiches – Identification and characteri-zation of early-inducible genes of the root.Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg,Institut für Biochemie und Biotechnologie,27/11/2014.

Doctoral Thesis 2014Mielke, Kati: Zell- und gewebespezifische De -tektion von Jasmonaten. Martin-Luther-Uni ver -sität Halle-Wittenberg, Institut für Biologie,22/01/2014.

Publications 2013Brückner, K. & Tissier, A. High-level diterpeneproduction by transient expression in Nicotianabenthamiana. Plant Meth. 9, 46.

Frolov, A., Henning, A., Böttcher, C., Tissier, A. &Strack, D. An UPLC-MS/MS method for the si -multaneous identification and quantitation ofcell wall phenolics in Brassica napus seeds. J. Ag.Food Chem. 61, 1219-1227.

Hilou, A., Zhang, H., Franken, P. & Hause, B. Dojasmonates play a role in arbuscular mycorrhi -za-induced local bioprotection of Medicagotruncatula against root rot disease caused byAphanomyces euteiches? Mycorrhiza 24, 45-54.

Ischebeck, T., Werner, S., Krishnamoorthy, P.,Lerche, J., Meijón, M., Stenzel, I., Löfke, C.,Wiessner, T., Im, Y. J., Perera, I. Y., Iven, T.,Feussner, I., Busch, W., Boss, W. F., Teichmann, T.,Hause, B., Persson, S. & Heilmann, I. Phos pha ti -dylinositol 4,5-bisphosphate influences PINpolarization by controlling clathrin-mediatedmembrane trafficking in Arabidopsis. Plant Cell25, 4894-4911.

Kathagen, A., Schulte, A., Balcke, G., Phillips, H.S., Martens, T., Matschke, J., Günther, H. S., So -riano, R., Modrusan, Z., Sandmann, T., Kuhl, C.,Tissier, A., Holz, M., Krawinkel, L. A., Glatzel, M.,Westphal, M. & Lamszus, K. Hypoxia and oxyge -nation induce a metabolic switch between pen-tose phosphate pathway and glycolysis in glio -ma stem like cells. Acta Neuropathol. 126, 763-780.

Matsuba, Y., Nguyen, T. T.H., Wiegert, K., Falara,V., Gonzales-Vigil, E., Leong, B., Schäfer, P., Ku d -rna, D., Wing, R. A., Bolger, A. M., Usadel, B.,Tissier, A., Fernie, A. R., Barry, C. S. & Pichersky,E. Evolution of a complex locus for terpenebiosynthesis in Solanum. Plant Cell 25, 2022-2036.

Mittasch, J., Böttcher, C., Frolov, A., Strack, D. &Milkowski, C. Reprogramming the phenylpro -panoid metabolism in seeds of oilseed rape bysuppressing the orthologs of reduced epider-mal fluorescence1. Plant Physiol. 161, 1656-1669.

Nahar, K., Kyndt, T., Hause, B., Höfte, M. & Ghey -sen, G. Brassinosteroids suppress rice defenseagainst root-knot nematodes through antago-nism with the jasmonate pathway. Mol. PlantMicrobe Int. 26, 106-115.

Schaarschmidt, S., Gresshoff, P. M. & Hause, B.Analyzing the soybean transcriptome duringautoregulation of mycorrhization identifies thetranscription factors GmNF-YA1a/b as positiveregulators of arbuscular mycorrhization. Ge -nome Biol. 14, R62.

Staniek, A., Bouwmeester, H., Fraser, P.D., Kay -ser, O., Martens, S., Tissier, A., van der Krol, S.,Wessjohann, L. & Warzecha, H. Natural pro-ducts –modifying metabolite pathways in plants.Biotech. J. 8, 1159-1171.

Stehle, F., Götsch, F., Wray, V., Schmidt, J. Strack,D. & Brandt, W. Snap-shot of serine carboxy -peptidase-like acyltransferase evolution: Theloss of conserved disulphide bridge is respon-sible for the completion of neo-functionaliza-tion. J. Phylogen. Evolution Biol. 1, 1-9.

Wasternack, C. & Hause, B. Jasmonates: biosyn-thesis, perception, signal transduction and ac -tion in plant stress response, growth and deve-lopment. An update to the 2007 review inAnnals of Botany. Ann. Bot. 111, 1021-1058.

Wils, C. R., Brandt, W., Manke, K. & Vogt, T. A sin-gle amino acid determines position specificityof an Arabidopsis thaliana CCoAOMT-like O-methyltransferase. FEBS Lett. 587, 683-689.

Book Chapter 2013Engler, C. & Marillonnet, S. Combinatorial DNAassembly using Golden Gate cloning. In: Syn the -tic biology (K. M. Polizzi, ed.) Humana Press NewYork (Methods in Molecular Biology, 1073) S.141-156, ISBN 978-1-62703-624-5.

Hause, B., Mielke, K. & Forner, S. Cell-specificdetection of jasmonates by means of immuno-cytological approach. In: Jasmonate signaling (A.Goossens & L. Pauwels, eds.) Humana PressNew York (Methods in Molecular. Biology,1011) S. 135-144, ISBN 978-1-62703-413-5.

Wasternack, C. & Hause, B. Benno Parthier unddie Jasmonatforschung in Halle. In: Nova ActaLeopoldina, NF Supplementum 28, S. 29-38,ISBN 978-3-8047-3209-4.

Bachelor Theses 2013Lange, Felix: Stable Isotope Labelling glandulä-rer Trichome von Solanum habrochaites. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institutfür Biochemie und Biotechnologie, 30/09/2013.

Pogoda, Maria: Entwicklung der Staubblätter inTomate: Pharmakologische Bestätigung der ne -gativen Regulation von Ethylen durch Jasmo na -te. Martin-Luther-Universität Halle-Witten berg,Institut für Biochemie und Biotechnologie,24/09/2013.

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

(Solanum habrochaites) und kultivierten Toma -ten (Solanum lycopersicum). Martin-Luther-Uni -versität Halle-Wittenberg, Institut für Bio -chemie und Biotechnologie, 30/09/2013.

Dindas, Julian: Analysis of jasmonate-regulatedethylene and auxin actions during tomato flo -wer development. Universität Göttingen,05/03/2013.

Scheler, Ulschan: Investigations on the role ofP450 enzymes in the carnosic acid pathway ofRosmarinus officinalis. Martin-Luther-UniversitätHalle-Wittenberg, Institut für Biochemie undBiotechnologie, 18/11/2013.

Schubert, Ramona: Rolle von Oxylipinen in derRegulation der Mykorrhizierung nach Blattver -wundung in Solanum lycopersicum. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institutfür Biologie, 04/06/2013.

Doctoral Thesis 2013Fellenberg, Christin: Biosynthesis and functionof hydroxycinnamic acid amides in flowers ofArabidopsis thaliana. Martin-Luther-UniversitätHalle-Wittenberg, Institut für Biochemie undBiotechnologie, 14/03/2013.

Publications 2014Bosch, M., Wright, L. P., Gershenzon, J., Was -ternack, C., Hause, B., Schaller, A. & Stintzi, A.Jasmonic acid and its precursor 12-oxophyto-dienoic acid control different aspects of consti-tutive and induced herbivore defenses in toma-to. Plant Physiol. 166, 396-410.

Brückner, K., Bozic, D., Manzano, D., Papa eft hi -miou, D., Pateraki, I., Scheler, U., Ferrer, A., deVos, R. C. H., Kanellis, A. K. & Tissier, A. Cha rac -terization of two genes for the biosynthesis ofabietane-type diterpenes in rosemary (Ros mari -nus officinalis) glandular trichomes. Phytoche m-is try 101, 52-64.

Bucher, M., Hause, B., Krajinski, F. & Küster, H.Through the doors of perception to function inarbuscular mycorrhizal symbioses. New Phytol.204, 833-840.

Dey, S., Wenig, M., Langen, G., Sharma, S., Kugler,K. G., Knappe, C., Hause, B., Bichlmeier, M., Ba -baeizad, V., Imani, J., Janzik, I., Stempfl, T.,Hückelhoven, R., Kogel, K.-H., Mayer, K. F. X. &Vlot, A. C. Bacteria-triggered systemic immuni-ty in barley is associated with WRKY and ethy -lene responsive factors but not with salicylicacid1. Plant Physiol. 166, 2133-2151.

Publications and other Activities of the Department of Cell and Metabolic Biology

The overarching interest of our research isto elucidate the molecular basis of ubiqui-tination and its function during plant-mi -crobe interactions. Plants are able to sen seenvironmental cues and respond to themrapidly and efficiently. Moreover, they arein constant interaction with mi crobes.Cellular signaling triggered by the per-ception of pathogens requires the coordi-nation of a myriad of processes which cul-minate in an appropriate activation ofimmunity. Posttranslational modificationsallow plants to rapidly respond topathogen infection and altered environ-mental conditions. The attachment of ubi -quitin moieties, known as ubiquitination, isa key player in the orchestration of cellularresponses and general plant physiology.

Plants are constantly being challenged bya wide array of pathogens, which can leadto yield losses in the case of infection.Consequently, survival depends on theplant’s ability to react as quickly and ef -fectively as possible against the invadingpathogen. Plants perceive an infection bymeans of plasma membrane localized re -ceptors. After the perception of a patho -gen, a cascade of signaling events is trig-gered to activate an immune response.These signaling cascades must be tightlyregulated and ubiquitination is deeplyembedded in this process.

Ubiquitination is involved in most aspectsof the regulation of immune responses.Depending on the way that the ubiquitinmoieties are linked to each other, taggedproteins are destined to one of severalpossible fates, which include proteolysis,endocytosis or changes in activity (Fig.1A). Ubiquitination is best known for me -dia ting the degradation of proteins via the26S proteasome.

Our group identified a set of plant U-boxtype E3 ubiquitin ligases (PUBs) that con-tribute to the attenuation of the immuneresponse after pathogen perception. Ourwork has highlighted for the first time theimportance of negative regulation in im -munity. This process is pivotal to maintainthe physiological homeostasis of plantsand avoid growth disadvantages due tometabolic trade-offs and energetic penal-ties.

In order to understand the underlyingmechanism of immune regulation, andhow ubiquitination contributes to this re -gulation, we are aiming to identify E3 ubi -

quitin ligase substrates. Up to now wehave performed several large-scale high-throughput yeast two-hybrid screensusing different PUBs as bait. In prior work,we were able to identify Exo70B2, a sub-unit of the exocyst complex, which medi-ates vesicle tethering during exocytosis,as a target of PUB22. This study showedhow ubiquitination of a component of thevesicular traffic machinery impacts on im -mune signaling in plants. Novel identifiedtargets include central components ofthe endomembrane vesicle traffickingwhich underline the unique position ofPUB ligases in the regulation of plantadaption to stresses.

Even though E3s are known to be respon-sible for the specificity of ubiquitination,many questions remain unanswe red re -garding the basis of ubiquitination, suchas the mechanisms responsible for themodulation of the E3 activity. We discov -ered that upon activation of immunity,

PUB22 became stabilized within minutes.Further analysis showed that PUB22 ishighly unstable and mediates its own ubi -quitination. As a result, it is efficiently de -graded by the 26S proteasome. We haveidentified different types of kinases, whichinteract with and phosphorylate PUB22during the immune response. The charac-terization of these phosphorylation eventssupport a novel regulatory mechanism,which relies on changes in auto ubi qui ti -nation activity.

The study of ubiquitinated proteins facesmany challenges. Some of these are: lowstoichiometry of ubiquitin, degradation ofmodified proteins, as well as a rapid deu-biquitination. These problems are classi-cally addressed by the use of inhibitorsfor the 26S proteasome or deubiquitina-ting enzymes. However, caveats of theiruse include the accumulation of highlyprocessive substrates and the depletionof the cellular ubiquitin pool. Hence, tocircumvent these limitations, we havestarted with the reconstitution of the ubi -quitination cascade in prokaryotic sys-tems which lack ubiquitin and thereforealso all other enzymes involved in its me -tabolism. To reconstitute ubiquitinationwe are employing a synthetic biology ap -proach. Through the use of the GoldenGate cloning method, we have generatedlarge recombinant bacterial operons toexpress all components of the ubiquitina-tion cascade (Fig. 1B). This approach al -lows us to overcome several critical bot-

tlenecks that obstruct the analysis of E3function and substrate modification.

In contrast to the classical in vitro ap -pro ach to characterize E3 activity that on -ly leads to spurious amounts of the modi-fied proteins, the reconstituted ubiquiti-

nation cascade in bacteria is amenablefor easy up-scaling. This will render ubiq-uitinated products accessible for mass-spectrometry or NMR analysis. Our aim isto develop a synthetic biology toolbox,which will enable our group and the sci-entific community to easily assay E3 ac ti -vity and substrate ubiquitination. Butmost importantly, it will be instrumental inthe engineering of custom made E3 lig-ases paving the way for biotechnologicalapplications. Moreover, in a parallel ap -proach we have engineered ubiquitin pro-teins that are resistant to deubiquitinatingenzymes and therefore accumulate onsubstrates. By including different tags,these modified ubiquitins will facilitatethe mass spectrometric analysis of theubiquitin proteome (Fig. 2).

Pflanzen befinden sich in ständiger Interaktion mit Mikroorganismen wie z.B. Bakterien, Pilzen und Viren. Um sich vorKrankheitserregern zu schützen, haben Pflanzen Rezeptoren entwickelt, die diese erkennen und durch die Weiter lei-tung entsprechender Signale ins Innere der Zelle, diverse Abwehr- und metabolische Anpassungsmechanismen der

Pflanze aktivieren. Die Ubiquitinierung spielt bei diesen Prozessen eine zentrale regulatorische Rolle. Durch die Verknüp -fung des Ubiquitins mit bestimmten Zielproteinen werden diese innerhalb der Zelle ihrer weiteren Bestimmung zugeführt.

Unsere Gruppe befasst sich mit der Untersuchung der Ubiquitinierung in der Immunantwort mit Augenmerk auf deren regu-latorischen Funktionen. Unsere Forschungen ergaben, dass spezifische Ligasen Komponenten des intrazellulären Vesikel -transports ansteuern und diese durch Ubiquitinierung regulieren. Darüber hinaus wird die weitere detaillierte Untersuchungder molekularen Mechanismen des Ubiquitinierungsprozesses durch Methoden der synthetischen Biologie angestrebt. DieErforschung dieser Prozesse eröffnet die Möglichkeit, resistentere Sorten zu entwickeln und damit einen Beitrag zu leistenzur Erhöhung der Erträge und zur Sicherung der Nahrungsmittelqualität.

7776

Giulia FurlanPhD Student

Jörn KlinkenbergPostdoctoral Scientist

Kathrin KowarschickTechnical Assistant

Roman LassigPostdoctoral Scientist

Chil-Woo LeeResearch Associate

Cecilia MartinezBachelor Student

Nadine TischerMaster Student

Marco ZietzMaster Student

Group Members

Fig. 2: Engineering of a deubiqui-tination resistant ubiquitin.Ubiquitin (Ub) and the ubiquitindeubiquitination resistant (UbDR)variant were expressed in plantcells. The resilience of UbDR againstcleavage can be observed as anincrease in the total amount of ubi-quitinated proteins.

CollaboratorsJiri FrimlInstitute of Science and Technology, Austria

Ingo HeilmannUniversity of Halle, Germany

Stefan HothUniversity of Hamburg, Germany

John McDowel Virginia Tech, USA

Hirofumi Nakagami, Ken Shirasu RIKEN Center for Sustainable ResourceScience, Japan

Patrick SchweizerLeibniz Institute of Plant Genetics and CropPlant Research, Gatersleben, Germany

Cyril ZipfelThe Sainsbury Laboratory, UK

Independent Junior Research Group

Ubiquitination in ImmunityHead: Marco Trujillo

Fig. 1: Ubiquitination cascade and its reconstitution by synthetic biology. A) Ubiquitination of a target protein (T) involves a sequential cascade ofenzymatic activities. The ubiquitin-activating enzyme (E1) forms a thioesterlinkage with the ubiquitin (red). Next, ubiquitin is passed to a ubiquitin-con-jugating enzyme (E2) again through a thioester linkage. The E2 carries theactivated ubiquitin to the ubiquitin ligase (E3), which facilitates the transferof the ubiquitin from the E2 to a lysine residue in the target protein. B)Generation of re com binant operons for the reconstitution of the ubiquitina-tion cascade in bac teria.

model system, we are using Arabidopsisthaliana, currently the best-understoodplant organism, by combining genetics,cell biology and state-of-the-art bioche-mistry.

N-end rule pathwayThe NERD is a proteolytic system target -ing substrate proteins with respect totheir N-terminal residue and influencestheir in vivo half-life. N-terminal basic, bul -ky or hydrophobic side chains are recog-nized by so-called E3 Ub-ligases followedby ubiquitination (attachment of chains ofthe small protein modifier ubiquitin) andeventually by proteasomal degradation.NERD has a multitude of functions in ani-mals and yeast but only few substrateshave been discovered. In plants, NERD iseven less understood and solely a smallclass of transcription factors has beenidentified as substrates with an importantrole in hypoxia response. In studied mo -del systems, NERD functions include thecontrol of chromosome segregation, DNArepair, apoptosis, meiosis, and diverse de -velopmental processes. In Arabidopsis,NERD is associated with seed ripening, li -pid breakdown and germination. More -o ver, plant NERD regulates leaf and shoot

development, flower induction, hypoxiaresponse, possibly plant-pathogen inter-action, and cell division. Most of these fac-tors are highly important traits in agricul-ture. To date, the underlying molecularwiring remained obscure.

RationalePlant PQC is particularly interesting withrespect to e.g. stabilization or breakdownof protein storage reserves in seeds and itsinvolvement in other aspects of plantgrowth and development. These enableseeds to germinate, grow and establish aseedling. Noteworthy, the presence offunctional plant proteins becomes in crea -singly relevant from a bioeconomical pointof view as one of the premier storage unitsfor energy and one hallmark of plant envi-ronmental stress tolerance. Plant proteinsconstitute the primary source of food forhumans and feed for livestock and in formof phytonutrients and renewable plant-based sources of energy. Besides that,correct protein function is an importantdeterminant for genetical engineering andthe production of proteins of medicalinterest is emerging in plant biotechnol-ogy and mastering protein stability can im -prove faithful protein production in plants.

A long-term goal is to understand the bio-logical significance of plant PQC in thecontext of development and biotechno-logy by elucidating protein quality check-points and proteostatic control with astrong focus on the plant N-end rulepathway.

Pflanzliche Proteinqualitätskontrolle – Grundlagen der Erkennung und des Abbaus von Proteinen

Wir erforschen einen Aspekt grundlegender molekularer Mechanismen der Erkennung und des Abbaus pflanzlicher Eiweiß -stoffe (Proteine). Proteine zählen zu den wichtigsten Bestandteilen aller lebenden Zellen und übernehmen verschiedensteessentielle Aufgaben, die von zellulären Bau- und Botenstoffen über Energiespeicher bis hin zu biochemischen Kataly sa to -ren (Enzyme) reichen. Für die jeweiligen Funktionen sind vor allem die Menge und Konzentration der Proteine entscheidendsowie deren dreidimensionale Form, ihre sogenannte Faltung. Nur, wenn diese Parameter genauestens kontrolliert und re -guliert werden, können die zellulären Stoffwechselwege und weitere Funktionen korrekt ablaufen.

Daher untersuchen wir die molekularen Wege, die dafür sorgen, dass fehlerhafte oder anderweitig zum Abbau bestimmteProteine erkannt und degradiert werden und wollen die komplexen Netzwerke der pflanzlichen Proteinqualitätskontrollefunktionell analysieren. Das bedeutet herauszufinden, welche biologischen Funktionen sie letztendlich ausüben und mitwelchen Problemen bei Fehlern (Mutationen) in denselben zu rechnen ist.

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Molecular and functional analysis ofprotein recognition and degradation inplantsProteins belong to the fundamentalequipment of each organism’s cell andplay crucial roles in numerous biochemi-cal and cell biological contexts. They areonly able to function properly if theirabundance and shape are correct. Proteinfolding is one of the major determinantsof their stability and it is vital to know me -chanisms of recognition and degradationof proteins that need to be destructedand how intracellular protein abundanceis controlled. Biotic and abiotic stress sti -muli like drought, salinity, extreme tem-peratures, heavy metals, pathogen infec-tion and chemicals lead to osmotic andoxidative stresses. This may irreversiblyda mage proteins by misfolding duringformation and thus compromise the en -tire cell. Abiotic stress is considered to bethe primary cause for adverse protein fol d ing in plants and leads to a reductionof the average yields for major crop plantsby more than 50% worldwide. Therefore,it represents a serious threat to agricul-tu re and also the environment.

Our research aims to describe the biolo-gical integration of complex plant proteinquality control (PQC), i.e. posttranslatio-nal networks ensuring proper proteinfunctionality. Separated into two majorproject cores, we aim to identify, charac-terize and functionally analyze novel en -zymatic components and their physiolo-

gical substrates on a cellular and molecu-lar level. Special emphasis lies on onefield of PQC, namely the N-end rule path-way of targeted protein degradation(NERD) which is a part of the ubiquitin (Ub)proteasome system (UPS). PQC is neces-sary to respond to endogenous physiolo -gical cues and to environmentally harshconditions. In plants, only little is knownabout the portfolio of biological functionof PQC, although mutations in NERD orprotein misfolding pathway componentscause abnormalities through altered pro-tein turnover and erroneous folding. Theyare associated with physiological mal-functions, lead to severe diseases in mam-mals, improper responses to biotic andabiotic stress in plants, and adversely in -fluence cell proliferation, organ growth,and seed germination.

State of the artThe proteome must be precisely guardedto function properly. This takes place onthe level of protein abundance (pro-te o s tasis) and by specialized PQC check-point systems, e.g. NERD, which has thecapaci ty of targeted recognition and re -moval of proteins that harbor specificdestruction signals, so-called degrons.Despite their clear involvement in cardinalcellular functions, only few roles of plantNERD have been identified but this path-way comprises a hierarchical cascade ofprotein modifiers with multiple possiblelevels of regulation.

We have developed a transgenic in vivoprotein stability reporter system as a mo -lecular tool that allows screening for mu -tants defective in PQC. As experimental

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Frederik FadenPhD Student

Anne KindBachelor Student

Maria KleckerPhD Student

Dieter LangeMaster Student

Carolin MaiMaster Student

Elisabeth MaluckMaster Student

Stefan MielkeMaster Student

Augustin Catalin MotPostdoctoral Scientist

Christin NaumannPhD Student

Pavel ReichmanPhD Student

Michaela ReißlandResearch Assistant

Florian SperlingBachelor Student

Group Members

Independent Junior Research Group

Protein Recognition and DegradationHead: Nico Dissmeyer

The overall proteinfold is a de terminant

for proper proteinfunc tion. Cellular

protein quality con-trol mechanisms

ensure the disposalof erroneous pro-

teins or candidateswhich are „used up“.

Picture taken fromDissmeyer &

Schnittger, The ageof protein kinases,Methods Mol Biol.

2011;779: 7-52.

Fig. 4: Our tools: artificial proteolytic substrates, which cause gradual decreasing levels of the pro tein of interest and eventuallylead to conditional phenotypes.

Phenotypes of Arabidopsis mutantplants compromised in protein qua-lity control.

The importance of post translational mo-dification (PTM) cannot be overempha-si zed. Reversible, multi-site PTM has asmuch an impact on protein function astranslation of the nascent polypeptide it -self. Mass spectrometry is the ideal tech-nique for analysis of PTM because of themass shift incurred by covalent attach-ment of a chemical moiety and MS/MSpeptide sequencing allows precise locali -zation and quantification of site-specficPTM.

We have developed a quantitative twostep procedure combining 15N metabolic

labeling, aluminum hydroxide metal oxideaffinity chromatography (MOAC) enrich-ment of phosphorylated proteins, trypsindigestion and titanium dioxide MOAC en -richment of phosphorylated peptidesfrom the phosphoprotein enriched frac-tion called Tandem MOAC. It was used todetect and quantify phosphorylation of invivo mitogen-associated protein kinase(MPK) substrates upon MPK activation andsalicylic acid treatment in Arabi dop sis. Al sowe mapped in vitro and in vivo phosphory-lation sites on diverse proteins involved insignaling such as tethering complexes, ki -nases and transcription factors following

functional or interaction studies such as invitro kinase assays or co-immunoprecipi-tation experiments. The same holds truefor ubiquitylation. In a collaborative effortit was possible to map ubiquitylation onsubstrates relevant to hormone sensingand work is ongoing to enrich and meas-ure site-specific ubiquitylation in vivo.

Die Arbeitsgruppe Proteomanalytik vereint modernste Proteomwissenschaft und Pflanzenforschung. Die hochauflö-sende Massenspektrometrie ist die zur Proteinidentifizierung und Quantifizierung angewandte Kerntechnologie derArbeitsgruppe.

Im Wesentlichen sind Proteine die funktionalen Endprodukte der Genexpression. Somit ist die quantitative Erfassung derVeränderungen einer größtmöglichen Menge zellulärer Proteine in Folge genetischer oder umweltbedingter Störungen diebedeutendste Anwendung der funktionalen Genomik. Wir entwickeln Technologien, um die Abundanz vieler tausenderPflanzenproteine auf einmal zu messen. Als Pendant dazu wurden Targeted-Proteomik-Ansätze zur gerichteten Quan tifi zie -rung ausgewählter Proteine mit der höchsten Sensitivität, Genauigkeit und Wiederholbarkeit etabliert. In Zusammenarbeitmit Kollegen werden Techniken zur quantitativen Lokalisierung posttranslationaler Modifikationen an Proteinen entwickeltund eingesetzt. So untersucht die Arbeitsgruppe die zentralen Fragenstellungen des IPB aus der Perspektive der Verände -rungen der zellulären Proteine als Ganzes.

CollaboratorsSacha Baginsky, Ingo Heilmann, Christian SchmelzerUniversity of Halle, Germany

Gerold BeckersUniversity of Aachen,Germany

Yanmei ChenChina AgriculturalUniversity, Beijing, China

Suayib ÜstünInstitute of Vege table andOrnamental Crops,Großbeeren, Germany

Wolfram WeckwerthUniversity of Vienna, Austria

Katja Witzel Leibniz Institute of PlantGenetics and Crop PlantResearch, Gatersleben,Germany

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The Proteome Analytics research groupbrings state of the art proteomics tech-nology to plant research. The abundance,activity and interactions of thousands ofproteins are constantly changing. This is aprimary determinant of the plant pheno-type. It is our goal to describe these intri-cate molecular dynamics in accuratedetail and thereby understand plant pro-teome biology.

The Proteome Analytics research groupconducts a wide range of mass spectro-metry-based proteomics applications to -gether with scientists from in- and outsideof the IPB. The group collaborates closelywith colleagues on all aspects of phytolo -gical studies from design to experimenta-tion, data analysis and interpretation ofthe results. Thus the group investigatesthe institute’s central research themesfrom the perspective of conditional chan ges in the state of the totality of cel-lular proteins at one time.Liquid chromatography (LC) on-line withhigh resolution accurate mass (HR/AM)mass spectrometry (MS) is the researchgroup’s core technology used to identifyand quantify peptides and proteins. Thegroup currently employs an Orbitrap Ve -los Pro mass spectrometer and the acqui-sition of a QExactive Plus mass spectro-meter is planned in 2015 (Fig. 1). This in -strumentation complemented with thebest qualitative and quantitative analysissoftware puts us in an excellent positionto operate at the cutting edge of prote -ome science.

Because proteins are the functional endproducts of gene expression, measure-

ment of cell wide changes in proteinabundance in response to genetic and/orenvironmental perturbations are poten-tially the most powerful implementationof functional genomics. We have con-duc ted a series of large scale discoveryproteomics studies in an effort to under-stand the genetic basis of the mechanismun derlying soil phosphate sensing in theroot. The total root protein extract of oneweek old lpr1lpr2, pdr2 and pdr3 null mu -tant Arabidopsis seedlings was repeat-edly measured and quantified using labelfree quantification techniques followingphosphate deprivation. The observed re -modeling of the proteome together withquantitative transcript profiling points to -wards a complex interplay between soil Picontent and iron availability in fine-tuninglocal root growth in response to limitedphosphate supply (Fig. 2). A similar in te -grative -omics study was conducted onthe leaf and trichome tissue of two toma-to cultivars to better understand the mo -lecular mechanisms and function of tri-chomes in light of primary metabolism.

These studies identified around 5,000proteins each. Only recently it has be -come possible to quantify nearly the en -tire cellular proteome down to a copynumber of less than 500 per cell from asingle sample in human cell lines. This isthe Proteome Analytics research group’sultimate goal. We are currently workingon establishing multi-dimensional proteinidentification technology optimized forplant tissue combined with 15N metabolic

labeling (Fig. 3). Quantification of manythousands of proteins from a single sam-ple in a reasonable time frame is a majorstep to realize the full potential of prote -ome research at the IPB.

Recently, targeted proteomics has re- cei ved much attention because it allowsre searchers to selectively determine theabundance of sets of proteins with thehighest accuracy, repeatability and sensi-tivity. We have optimized targets proteinanalysis using inclusion lists and retentiontime scheduled parallel reaction monitor -ing (PRM) on the Orbitrap Velos Pro. Mea -surements of protein abundance were lin -ear over three orders of magnitude with alimit of quantification of 100 amol in 1 µgof Arabidosis thaliana total protein ex -tract. This led to a collaborative study see king to shed light on the identity ofpossible substrates of the N-end rule(NERD) pathway of protein degradation.Protein degradation via NERD in plants islargely unexplored but it was shown to becentral to oxygen sensing and may alsoplay a major role in ethylene signaling.Proteins bearing an N-terminal degrada-tion signal called an N-degron were quan-tified in NERD enzyme null mutant geno-types to detect degradation putativelydownstream of NERD. Additionally, theabundance of the flagellin receptor FLS2,the most well characterized pathogen as -sociated molecular pattern (PAMP) recep-tor in plant innate immunity was mea-sured and it’s degradation following flg22treatment confirmed.

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MHD Rami Al ShweikiMaster Student

Annegret LaubResearch Assistant

Petra MajovskyTechnician

Domenika ThiemeTechnician

Group Members

Interdepartmental Research Group

Proteome AnalyticsHead: Wolfgang Hoehenwarter

Fig. 1: Cuttingedge massspectrometryis used toidentify pep-tides and pro-teins.

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

Fig: 3. Multidimensional separationof proteins and peptides to achievedeeper coverage of the plant pro-teome.

8382 8382

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

Egelhofer, V., Hoehenwarter, W., Lyon, D., Weckwerth, W.& Wienkoop, S. Using ProtMAX to create high-mass-accuracy precursor alignments from label-free quantita-tive mass spectrometry data generated in shotgun pro-teomics experiments. Nat. Protoc. 8, 595-601.

Hoehenwarter, W., Thomas, M., Nukarinen, E., Egelhofer,V., Röhrig, H., Weckwerth, W., Conrath, U. & Beckers, G.J.Identification of novel in vivo MAP kinase substrates inArabidopsis thaliana through use of tandem metal oxideaffinity chromatography. Mol. Cell. Proteomics 12, 369-80.

Publications 2014Grimmer, J., Rödiger, A., Hoehenwarter, W., Helm, S. & Ba -ginsky, S. The RNA-binding protein RNP29 is an unusualToc159 transport substrate. Front. Plant Sci. 5, 258.

Majovsky, P., Naumann, C., Lee, C.-W., Lassowskat, I., Tru -jillo, M., Dissmeyer, N. & Hoehenwarter, W. Targeted pro-teomics analysis of protein degradation in plant signalingon an LTQ-Orbitrap mass spectrometer. J. Proteome Res.13, 4246–4258.

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

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

Publications 2013 /2014Stegmann, M., Anderson, R. G., Westphal, L., Rosahl, S.,McDowell, J. K. & Trujillo, M. The exocyst subunit Exo 70B1 is involved in the immune response of Arabi dopsisthaliana to different pathogens and cell death. Plant Signal.Behav. 8, e27421 (2013)

Dörmann, P., Kim, H., Ott, T., Schulze-Lefert, P., Trujillo, M.,Wewer, V. & Hückelhoven, R. Cell-autonomous defense,re-organization and trafficking of membranes in plant-microbe interactions. New Phytol. 204, 815-22 (2014)

Majovsky, P., Naumann, C., Lee, C.-W., Lassowskat, I.,Trujillo, M., Dissmeyer, N. & Hoehenwarter, W. Targetedproteomics analysis of protein degradation in plant sig-

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

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

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

Publications 2013 / 2014Harashima, H., Dissmeyer, N. & Schnittger, A. Cell cyclecontrol kingdom. Trends Cell Biol. 23. 345-356 (2013)

Faden F., Mielke S., Lange D. & Dissmeyer N. Generictools for conditionally altering protein abundance andphenotypes on demand. Biol. Chem. 395, 737-762 (2014)

Majovsky, P., Naumann, C., Lee, C.-W., Lassowskat, I.,Trujillo, M., Dissmeyer, N. & Hoehenwarter, W. Targetedproteomics analysis of protein degradation in plant sig-na l ing on an LTQ-Orbitrap mass spectrometer. J. Pro-te ome Res. 13, 4246–4258 (2014)

Bachelor Theses 2013 /2014Kind, Anne: Charakterisierung der N-terminalen Ami da -sen NTAN1 und NTAQ1 in Arabidopsis thaliana. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Bio -chemie und Biotechnologie, 08/28/2013.

Reißland, Michaela: Analyzing conditional expression ofCDKA1 mutants in Arabidopsis thaliana. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biochemieund Biotechnologie, 11/20/2014.

Sperling, Florian: Etablierung eines ex vivo -Testsystemszum funktionellen Screening von Protein stabili täts re por -tern in Protoplasten. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biochemie und Biotechnologie,09/24/2013.

Master Theses 2013/2014Lange, Dieter: Analysis and application of the tempera-tu re-sensitive N-degron in Arabidopsis thaliana. Martin-Lu ther-Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Bio -che mie und Biotechnologie, 10/30/2014.

Mai, Carolin: Stabilitätsuntersuchung des RPM1-INTER-ACTING PROTEIN 4 (RIN4) als bona fide-Substrat derN-Ende-Regel in Arabidopsis. Martin-Luther-UniversitätHalle-Wittenberg, Fachbereich Biochemie und Bio tech -nologie, 02/07/2014.

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

Publications and other Activities of the Junior Research Groups

Publications of the Interdepartmental Research Group

RG Ubiquitiniation in Immunity RG Proteome Analytics

RG Protein Recognition and Degradation

AusbildungDas Institut bildet seit vielen Jahren Bürokaufleute, Fach in for ma -ti ker, Chemielaborantinnen und -laboranten sowie Gärtnerinnenund Gärtner für Zierpflanzenbau aus. Nach Abschluss der Aus bil -dung bietet das Institut mindestens einen einjährigen Arbeits -vertrag an; etlichen Auszubildenden konnte auch ein festerArbeitsplatz angeboten werden. Ein Mitarbeiter, der im Institutausgebildet wurde, leitet heute eine Arbeitsgruppe im BereichAdministration und Infrastruktur.

Ausbau der Forschungsinfrastruktur des IPBDen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern und Koopera -tionspartnern des Instituts steht eine hervorragende For -schungsinfrastruktur zur Verfügung. Im Berichtszeitraum konn -ten ein UHPLC-gekoppeltes Hochleistungsmassenspektrome ter,ein GC-Triple Quadrupole MS, ein Massenspektrometer QTrap,ein GC-Massenspektrometer, ein Phosphorimager, diver seHPLC- und UPLC-Systeme und Fluoreszenzkameras für die Mi -kroskopie erworben werden. Die Investitionen wurden teilweisedurch EFRE-Mittel unterstützt.

Sonstige RessourcenBeim wirtschaftlichen Einsatz der Sachressourcen des Institutsspielen, neben dem Energieverbrauch, das Bibliotheksbudget, derChemikalienverbrauch und die Bewirtschaftung der An zucht flä -chen eine wichtige Rolle.

Im Berichtszeitraum wurde für den Bezug eher selten nachge-fragter Online-Zeitschriften ein Prepaid-System eingeführt, dasim Vergleich zum Vollabonnement den kostengünstigeren Ein -zel bezug von Zeitschriften ermöglicht.

Nicht mehr benötigte Chemikalien des Instituts werden in einerChemikalienbörse für die Wiederverwendung vorgehalten.Durch eine bauliche Umstrukturierung der Lagerflächen des In -stituts konnten die Flächen der Chemikalienbörse erweitert wer-den und gleichzeitig eine höhere Sicherheit für die Lagerung vonchemischen Standardprodukten erreicht werden.

Der wachsenden Nachfrage nach Anzuchtflächen im Rahmengrößerer Forschungsprojekte wurde durch eine veränderte Be -wirtschaftung der Flächen begegnet. So wurden bisher getrenntbewirtschaftete Gewächshausflächen zusammengelegt und

eine Personalrotation eingeführt. Durch diese Maßnahmen konn -ten viele Arbeitsabläufe optimiert und der Service in der Gärt ne -rei erhöht werden.

Hochwasser 2013Vor eine geradezu abenteuerliche Herausforderung hat dasHochwasser der Saale das Institut im Frühsommer 2013 gestellt.Die fast 150 Jahre alte Steinwand, die das IPB-Gelände zur Saalehin abstützt, wurde stark geschädigt. Was anfänglich nur nacheinem größeren Reparaturvorhaben aussah, hat sich später alspolitischer Balanceakt unter Einbeziehung einer Vielzahl von Äm -tern der Stadt Halle entpuppt. Bis zum Sommer 2015 wird dieStützwand mit 1,4 Mio Euro aus dem Hochwasserfonds des Bun -des saniert. Anschließend wird die Stadt Halle den Saale rad wan -derweg sanieren.

20 Prozent weniger Stromverbrauch

Durch vereinte An stren gung aller Mitarbeiterinnen und Mit ar bei -ter des Instituts ist es in den Jahren 2013 – 2014 gelungen, denStrom ver brauch um 20 Prozent (ent spricht circa 200 T€ Ein spa -rung p.a.) zu senken. Dabei spielt die Modernisierung der Käl te -anlage zur Versorgung der Phy to kammern eine herausragendeRolle. Durch die Modernisierung der Kälte an la ge wird die Be -triebssicherheit der Phyto kammern erhöht und gleichzeitig derEnergie ver brauch gesenkt. Versuche mit energiesparender LED-Be leuch tung bei der Pflanzenanzucht haben bereits zu ei nerBache lor ar beit in der Abteilung Stoff wechsel- und Zellbiologiegeführt. Der zeit wird überlegt, einen Drittmittelantrag zur Wech -selwirkung zwischen verschiedenen Spektren der LED-Be leuch -tung und dem Wachstum von Versuchspflanzen zu stel len.

Förderung der Beteiligung an EU-DrittmittelprojektenIm 7. Forschungsrahmenprogramm wurden bzw. werden am IPBvier Projekte durch die EU gefördert. Erfolgreich abge schlossensind TERPMED (SZB) und BIONEXGEN (NWC), zurzeit laufen Be tei -li gungen an den Projekten COSMOS und SOLUTION (beide Bi o -informatik). Für das Programm Horizon 2020 liegen bereits An trä -ge für PhenoMenAl (Bioinformatik) und NaProSiNano (NWC) vor.Bei der Be antragung und Abwicklung der Projekte arbeiten dieWissenschaftlerinnen und Wissen schaftler des Instituts eng mitentsprechenden An sprech partnern im administrativen Be reichzusammen. Seit An fang 2014 wird die Zusammenarbeit zu sätz lichdurch eine Referentin für For schungsförderung unterstützt.

Zentrale Sicherung der ForschungsprimärdatenZur Umsetzung der Regeln der DFG zur Sicherung guter wissen -schaftlicher Praxis, wonach Forschungsdaten mindestens übereinen Zeitraum von zehn Jahren nach ihrer Veröffentlichung auf -zubewahren sind, wurde ein zentraler Datenspeicher einge rich -tet, auf dem die Forschungs pri märdaten des Instituts gespei -chert werden. Die Forschungsprimärdaten stehen damit lang fris -tig zur Überprüfung, aber auch für weitere Arbeiten interneroder externer Wissenschaftlerinnen und Wis sen schaftler zur Ver -fügung.

Führungskompetenz des wissenschaftlichen und administra-tiven NachwuchsesZur Förderung und Vernetzung junger Wissenschaftlerinnenwurde in Koo pe ra tion mit den anderen Leibniz-Instituten am

Standort Halle eine Workshopreihe zur Führungskompetenz insLeben gerufen. Die Resonanz war so positiv, dass in Folge ähn-liche Workshops für den Führungs nachwuchs auch IPB-internangeboten werden. Dabei lernen junge Füh rungs kräfte aus demwissenschaftlichen und administrativen Bereich nicht nur Füh -rungs verhalten, sie erfahren auch von ein ander über die unter-schiedlichen Anfor derungen im wissenschaftlichen und ad mi ni -strativen Bereich.

Besonders gefreut haben wir uns darüber, dass sich in denJahren 2013 und 2014 in Folge jeweils eine Nach wuchs wissen -schaftlerin des IPB für das Mentoring-Programm der Leibniz-Ge -meinschaft qualifizieren konnte. Eine weitere Wissen schaft lerinwurde in das Young Leaders in Science - Programm der ScheringStiftung aufgenommen.

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Abteilung Administration und InfrastrukturLeiterin: Christiane CyronSekretariat: Caroline Stolzenbach

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Schwere Maschinen werden zur Sanierung der alten Stützmauer

aufgefahren. Mit riesigen Verpresspfahlankern wird das alte

Gestein im dahinter liegenden Porphyr befestigt.

8786

Mitarbeiter der Abteilung Administration undInfrastruktur 2013 / 2014

Personalübersicht des IPB 2013 / 2014

PersonalLeiterin: Kerstin BalkenhohlAnne-Kathrin EkelmannClaudia HaferungMarco Lindemann (bis Juli 2013)René Pietzner (bis Oktober 2014)Caroline Stolzenbach

FinanzenLeiterin: Barbara WolfAnja Bahr (bis Oktober 2013)Maike LanglhoferTanja PareisElisabeth Sens (bis Juni 2014)Andrea Walter

EinkaufLeiterin: Rosemarie Strassner (bis Dezember 2014)Alexandra BurwigMelanie RaschClemens Schinke

Information und DokumentationLeiter: Christoph KupiecAndrea Piskol

ChemikalienlagerLeiter: Martin C. N. Brauer

Geräteservice und ITLeiter: Tino KörnerHolger BartzRobert Cremer (bis Juni 2013)Ronald Scheller

GärtnereiProjektleiterin Innen: Petra Jansen, Projektleiterin Außen: Dagmar MartinAlexander Bergter (bis Juli 2013)Alice Bühring (bis August 2014)Thomas FranzAileen Jedemann (bis Juli 2013)Christian MüllerFrank NoackPhilipp PlatoCaroline Schwenzer (bis Mai 2014)Sabine Voigt

Gebäude und LiegenschaftenLeiterin: Heike BöhmCarsten KothMichael KrägeFelix ÖlkeKlaus-Peter SchneiderCatrin TimpelEberhard Warkus

AuszubildendeTobias Abe / FachinformatikerNadine Dally / Bürokauffrau (bis Januar 2013)Frances Hintsche / BürokauffrauElisabeth Lenart / Bürokauffrau (bis Juni 2013)Juliane Mewes / Chemielaborantin (bis Januar2013)Max Mittelstädt / BürokaufmannNils Mosch / GärtnerTanja Pareis / Bürokauffrau (bis Juni 2013)Lucas Teschner / GärtnerKevin Vollmann / GärtnerChristin Wenke / Gärtnerin

2013 2014

Anzahl der Mitarbeiter/innen zum Stichtag 31.12. 186 178

Wissenschaftler/innendavon Frauen

11345

10437

Anteil der Vollbeschäftigten in % 55 56

Anteil der Teilzeitbeschäftigten in % 45 44

Anzahl der Planstellen 91 91

Beschäftigungspositionen Haushalt 29 32

Über Drittmittel finanzierte Positionen 45 33

Anteil der weiblichen Beschäftigten insgesamt in % 52 51

Fluktuationsrate in % 23 19

Durchschnittsalter der Beschäftigten in Jahren 36 36

Berufsausbildungim kaufmännischen Bereichin der Gärtnereiim Bereich der Systemadministration

7241

6231

Erfolgreiche Berufsabschlüsse 3 0

Anzahl der Gastwissenschaftler (inkl. Stipendiaten)im Jahresdurchschnitt 18 28

Anzahl der studentischen und wissenschaftlichenHilfskräfte im Jahresdurchschnitt 45 36

8988

Budget 2013 / 2014 Drittmittel 2013 / 2014

Das IPB wurde im Jahr 2014 aus

der Bund-/Länderfinanzierung

mit Zuwendungen in Höhe von

14.047 TEUR gefördert (2013:

13.414 TEUR). Drittmittel wur-

den für das Jahr 2014 im

Umfang von 2.300 TEUR einge-

worben (2013: 2.247 TEUR).

Zusätzlich standen 2014 sonsti-

ge Einnahmen (Vermietungen,

Lizenzen, u.a.) in Höhe von 65

TEUR (2013: 85 TEUR) sowie

Kassenreste aus dem Vorjahr

zur Verfügung.

Ausgaben2013 TEUR

2014 TEUR

Grundfinanzierung

Personalausgaben 6.251 6.424

Sachausgaben 3.654 3.428

Zuweisungen/ Zuschüsse 656 569

Investionendavon EFRE-Mittel

2.822549

2.092113

Zwischensumme 13.383 12.513

Drittmittelfinanzierung

Personalausgaben 1.460 1.463

Sachausgaben 301 306

Investionen 30 238

Zwischensumme 1.791 2.007

Sonstige Mittel

Personalausgaben 107 143

Sachausgaben 177 39

Investionen 9 5

Zwischensumme 293 187

Gesamtsumme 15.467 14.707

Investitionen2013 TEUR

2014 TEUR

Geräteinvestitionen gesamtdavon institutionell

davon EFRE-Mitteldavon sonstige Mittel

2.4562.447

4119

1.8051.800

795

Bauinvestitionen gesamtdavon institutionell

davon EFRE-Mitteldavon Fluthilfefonds

40537513830

53029234

238

Summe 2.861 2.335

Einnahmen nach Zuwendungsgeber2013 TEUR %

2014 TEUR %

Bund

DFG/ NV

DFG/ SFB

DFG/ SPP

DFG/ Era Net

EU

Land

Leibniz-Wettbewerb

Sonstige (DAAD, Stadt Halle, Mitgliedsbeiträge)

Stiftungen

Wirtschaft

74

298

308

143

0

286

210

440

69

74

345

3

13

14

6

0

13

9

20

3

3

15

54

378

368

239

48

122

656

56

112

132

135

2

16

16

10

2

5

29

2

5

6

6

Zwischensumme

Kassenbestand Vorjahr

2.247

504

100 2.300

455

100

Gesamtsumme 2.751 2.755

DAAD Deutscher Akademischer AustauschdienstDFG/ NV Normalverfahren der DFGDFG/ SFB Sonderforschungsbereich der DFGDFG/ SPP Schwerpunktprogramm der DFGDFG/ Era Net Zusammenarbeit zwischen nationalen und regionalen

Forschungsförderorganisationen bzw. ProgrammagenturenEU Europäische UnionLand Bundesland Sachsen-Anhalt

91

Folgende drittmittelfinanzierte For schungsverbundprojektewerden vom IPB koordiniert oder wurden vom IPB mit gegrün-det.

1. Leibniz-ProjekteLeibniz Research Cluster (LRC): Bio-/Synthetische multifunk-tionale Mik ro-Produktionseinheiten - Neuartige We ge zurWirkstoffentwicklung

In diesem Leibniz Research Cluster fin-den sich Wis sen schaftler aus fünf Leib -niz-Instituten zusammen, um ihre Exper -tise zu bündeln und an bio technolo -

gischen Methoden für die Pro duktion von Wirkstoffen zu for -schen. Der LRC wird bis 2020 vom Bundes mi nis te ri um fürBildung und Forschung im Rah men der Initiative NächsteGeneration bio tech no lo gischer Verfahren - Biotechno lo gie 2020+mit 5,5 Millionen Euro geför dert, dem ein analoger Beitrag derLeib niz-Institute gegenübersteht. Beteiligt am Verbund projektsind neben dem IPB das Leibniz-Institut für Naturstoff-For -schung und In fektionsbiologie (HKI) als Sprecher des LRC, dasLeibniz-Institut für Analytische Wissenschaften (ISAS) inDortmund, das Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden(IPF) und das Leibniz-Institut für Neue Materialien (INM) inSaarbrücken. Ansprechpartner: Prof. Ludger Wess jo hann undDanilo Meyer

Johanniskraut gegen Alzheimer – Be gegnung einergesellschaftlichen He raus forderung durch neue Wege in derIdentifizierung, Gewinnung und An wen dung von NaturstoffenDas Ziel dieses Projekts ist die Un ter su chung der Wirkung vonJohan niskraut auf Alzheimer-Demenz und andere neurodege-nerative Alterserkrankungen. Das Projekt wird im Rahmen desLeibniz-Wettbewerbs von der Leibniz-Ge mein schaft für 3 Jahregefördert. IPB-NWC ist Hauptantragsteller und Koordinator desProjekts. Die Partner sind die Universität Oslo, das IPK Gaters -leben, die TU Braun schweig und die Universität Halle-Wit ten -berg. Ansprechpartner: Dr. Katrin Fran ke und Prof. LudgerWessjohann

2. ERA-Net-Projekte der EUERA-SynBio: SmartPlant - Entwicklung von synthetischen re-gulatorischen Netzwerken in Pflanzen

Das Ziel des SmartPlant-Kon sor -tiums unter der Koordination von

Prof. Alain Tissier ist die Entwicklung von Pflanzen mit ver bes -serter Stressresis tenz oder einer erhöhten Produktion vonhochwertigen und schützenden Verbin dun gen. Da bei kommendie Deregu lie rung von Biosynthesewegen und weitere Stra te -gien des Metabolic Engineering zum Ein satz. Die Partner indiesem ERA-Net -Pro jekt sind das IPB (Koordinator), das Sains -

bury Laboratory, Cambridge Uni ver sity (Großbrittanien) und dieLatvia University of Agri cul ture (Jelgava, Litauen).

ERA-CAPS: H.I.P. - Homöostase von Iso prenoiden in Pflan zenLokalisation und Transport von Iso pre noi denin verschiedenen Zell kom par ti men ten ste-hen im Fokus dieses Ver bun des. Die Erfor -schung der Iso pre noide er folgt anhand vonglandulären Trichomen aus Kultur-, Modell-

und Wildpflanzen. Isoprenoide spielen als Vorläufer der pflanz -lichen Terpenoide nicht nur für die Pflanze eine wichtige Rol le;sie werden auch vom Menschen als Pharmazeutika, Duft- undAromastof fe, Insektizide oder Spezialchemikalien genutzt. Zieldes Projektes ist es, die Pro duktion industriell relevanter Iso -prenoi de innerhalb der Pflanze zu steigern. Die Partner des IPBsind das Volcani Center ARO (Israel), die Université ca tho liquede Louvain (Belgien) und die Universität Amsterdam (Nie der -lande). Ansprech partner: Prof. Alain Tissier

Wichtiger Partner ist das IPB an folgenden drittmittelfi-nanzierten Forschungs verbundprojekten

1. EU-ProjektePhenoMeNal: Eine umfassende und standardisierte E-In fra -struktur für die Analyse von medizinischen Stoffwechsel-Phä -no typdaten

In den nächsten zehn Jah ren wird dieGe nom be stim mung für eine be -trächt li che Anzahl der 500.000.000EU/EWR-Bür ger routinemäßig durch -geführt werden. Verbunden mit derErhe bung von Stoff wechsel-Daten

bildet dies die Basis einer personalisierten Medizin. Die Er he -bung solcher Daten stellt dramatische An for de rungen an dasbiomedizinische Da ten ma nagement und die Rechen ka pa zi tä tenin Eu ro pa. PhenoMeNal wird dafür ei ne da ten schutzkonformeund nachhaltige E-Infrastruktur schaffen. Das Projekt wird vonder Eu ro päischen Kommission im Rahmen von Horizont 2020gefördert und von 13 Part nern aus sieben verschiedenenLändern durch geführt. Koordinator ist das Eu ro pean MolecularBiology La bo ra tory (EMBL-EBI) in Hinxton, UK. Ansprech part neram IPB: Dr. Steffen Neumann

COSMOS: COordination of Standards in MetabOlomicSDas Ziel die ses von der EuropäischenKommission geförderten Projekts istes, den freien und offenen Aus tausch

von Daten im Bereich Metabolomics zu er möglichen. Es werdendie Aktivitäten von 14 Partnern durch das EMBL Eu ro pean Bio in -formatics Institute koordi niert, um gemeinschaftliche Standards

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in diesem Bereich zu setzen und zu fördern. An sprech partner amIPB: Dr. Steffen Neu mann

SOLUTIONS: Solutions for present and future emerging pollu-tants in land and water resources management

SOLUTIONS ist ein EU-Verbund projekt,das mit neuen Methoden, Mo del len und

Instrumenten die Aufstellung von zukünftigen Richtlinien fürWasser und Um welt schutz unterstützen will. Das Ziel ist es, Lö -sungen für den Schutz der europäischen Gewässer vor ge fähr li -chen Che mi kalien zu entwickeln. Das Kon sor ti um besteht aus 39Organisationen aus 17 Ländern und wird vom Helmholtz-Zen t -rum für Umweltforschung (UFZ) koordi niert. Ansprechpartneram IPB: Dr. Steffen Neumann und Christoph Ruttkies

2. BMBF-ProjekteBiohealth: Pflanzliche Biodiversität Indo nesiens und mensch -liche Gesundheit

Ziel des Pro jektes ist es, natürliche Sub -stanzen in indonesischen Pflanzen undPilzen zu finden, deren antiinfektive Wir -kung sie zu potentiellen Kandidaten für

die Entwicklung neuer Arzneimittel macht. Das Projekt wird für3 Jahre vom BMBF gefördert. Kooperations partner und Koor di na -tor ist die Universität Leipzig. In Indonesien erfolgt eine Zusam -menarbeit mit dem Indonesischen Institut für Wissenschaften(LIPI) und der Land wirt schaftlichen Universität Bogor. An sprech -partner IPB: Prof. Ludger Wess jo hann

3. DFG-Projekte Schwerpunktprogramm SPP1374 - Bio di ver sitätsexploratorien:BE LOW – Analyse von Wurzel-Merkmalen zum Testen von Um -weltfiltern und Nischen-Komple men tarität in Grünland-Gesellschaften

Das Projekt BE LOW geht der Frage nach, inwelcher lokalen Nachbarschaft bzw. Pflanzen -

gemeinschaft eine neu ankommende Art am besten wachsenkann. Da für soll die Zusammen set zung von Wur zelexsudatenverschiedener Pflanzen ei nes Standortes analysiert werden.Wur zeln haben die Fähigkeit un ter schied li che Signalstoffe insErdreich ab zu geben, um nützliche Mikroor ganis men anzu zie henund Schädlinge zu ver treiben. Diese in ihrer Summe als Exsudatbezeichneten Substanzen werden qualitativ und quantitativ un -tersucht. Mithilfe dieser Daten soll u.a. getestet werden, ob diestatistische Wahrscheinlichkeit des Miteinander-Vor kommensvon Pflanzenar ten in einem spezifischen Lebensraum vorhersag-bar ist. Die Partner in diesem Projekt sind ne ben dem IPB die MLUHalle-Wittenberg und das Deutsche Zentrum für integrativeBiodiversitätsforschung (iDiv, Halle, Jena, Leipzig). Ansprech -partner am IPB: Prof. Dierk Scheel.

DFG Sonderforschungsbereich 648: Mo le -kulare Mechanismen der Informa tions ver -arbeitung in PflanzenZiel des SFB 648 ist die Auf klä rung des In -forma tions trans fers zwischen Pflan zen undPa tho ge nen. Betei ligt sind die MLU Halle-

Wittenberg, das IPK Gaters leben und das IPB. Mitarbeiter des IPBsind an drei Teilprojekten be tei ligt.

RADAR – Research Data RepositoriumZiel des RADAR- Projekts ist die Entwick -lung und Etablierung einer In fra struktur

für die langfristige und nutzbare Archi vie rung von Forschungs -da ten verschiedener Fachbereiche. Das IPB ist maßgeblich ander Entwicklung eines fachübergreifenden Metadatenschemasbeteiligt und überprüft anhand von eigenen NMR-Daten in Test -läufen die Funk tio nalität des Systems während der ge sam tenEnt wick lung. Neben dem IPB ist die Technische Informa tions bi -bliothek (TIB) Hannover, das Leibniz-Institut für Infor ma tions in -frastruktur (FIZ) Karlsruhe, das Karlsruher In stitut für Technologie(KIT) und die Fa kultät für Chemie und Phar ma zie der Ludwig-Maximilian-Universität in Mün chen am RADAR-Projekt beteiligt.An sprechpartner am IPB: Dr. Filipe Furtado, Dr. Andrea Porzelund Prof. Ludger Wess johann.

DFG Graduiertenkolleg 1591 – Post trans criptional control ofgene expression: mechanisms and role in pathogenesis

Im Rahmen des GRK 1591 erhaltenim Schnitt etwa 12 Sti pen di a ten vonWis sen schaft lern der Mar tin-Luther-Universität und des IPB eine in ter -dis ziplinäre Be treu ung bis zur Pro -mo tion. Die Themen fel der deckenbioche mi sche bis zellbiologischeAspekte von der Krebs- bis zur

Pflanzen forschung ab. Das IPB ist unter Leitung von Dr. SelmaGago Zachert mit einem Projekt am Graduier tenkolleg beteiligt.

DFG Graduiertenkolleg 1026 – Konfor mationsumwandlungenbei makromolekularen InteraktionenZiel des GRK 1026 ist es, die Beziehung zwischen Protein fal -tung und Protein funktion besser zu verstehen. Da nur korrektgefaltete Proteine richtig funktionieren, werden spontane oderenzymatisch gesteuerte Faltungsprozesse auf biophysikali-scher, biochemischer und zellbiologischer Ebene untersucht.13 Gruppen von verschiedenen Abtei lun gen der MLU Halle-Wit -tenberg arbeiten im GRK zusammen. Zwei Gruppen des IPB(Dr. Nico Dissmeyer und Prof. Stef fen Abel) sind als assoziierteMit glieder am GRK 1026 beteiligt.

4. German Israel Foundation for Scientific Research and DevelopmentUntersuchung der Calcium-vermittelten Signaltransduktionbei der pflanzlichen Immunantwort

Ziel des Pro jekts ist es, die Calcium-ver mittelten zellulären Prozesse derpflanzlichen Immunantwort zu unter-

suchen. Die Ergebnisse dieser Forschung werden langfristigdazu beitragen, die Krank heitsresistenz von Pflanzen zu ver -bes sern. Das IPB beteiligt sich gemeinsam mit der Universitätvon Tel Aviv, Israel (Koordinator) und der Freien UniversitätBerlin an dem Projekt, das von der Ger man-Israeli Foundationfor Scientific Research and Development gefördert wird. An -sprechpartner am IPB: Prof. Dierk Scheel und Dr. Justin Lee.

Nationale und internationale ForschungsverbündeMitwirkung des IPB als Koordinator oder Partner

Aromastoffen als Alternative zur Pflanzenextraktion oder zur syn-thetischen Pro duk tion zu ent wickeln. Ansprechpartner: Prof.Ludger Wessjohann

COST Action: PlantEngine - Plant Metabolic Engineering forHigh Value Products (FA 1006)

Pflanzen produziereneine große Anzahl vonNatur- und Wirkstoffen,aber leider oft in nur

sehr kleinen Mengen. Das Ziel der COST Action PlantEngine istes, die Biosynthese von wertvollen Stoffen in der Pflanze durchgezielte Modifizierung der Pflanzen zu optimieren. Ansprech -partner: Prof. Ludger Wessjohann und Dr. Sylvestre Marillonnet

COST Action: STREAM - STRigolactones Enhance AgriculturalMethodologies (FA 1206)

Die COST Action STREAM ver -bindet europäische For schungs -aktivitäten zu der Pflan zen hor -mongruppe der Stri go laktone.

Diese Hormone beeinflussen die Pflanzen mor pho lo gie und dieBodenqualität und sind daher von großem Interesse für einenachhaltige Landwirtschaft. Ansprechpartner: Dr. Mi chael H.Walter.

COST Action: PROTEOSTASIS - European network to integrateresearch on intracellular proteolysis pathways in health and dis-ease (BM1307)

Die COST Action PROTEOSTASISverbindet Wissenschaftler aufdem Gebiet der Proteinho mö os -tase aus nahezu allen LändernEuropas. Ziel ist es, die Anwen -

dung und Entwicklung von Methoden und Pro dukten mit klinis-cher und (bio)ökonomischer Bedeutung vo ran zutreiben. An -sprechpartner: Dr. Luz Irina A. Calderón Villalobos, Dr. NicoDissmeyer und Dr. Marco Trujillo

4. Bioinformatik-NetzwerkeMassBank

Das IPB ist Mitglied desMassBank Konsortiums, derersten offenen Da ten bank für

Referenzspektren. Diese Datenbank ist eine wertvolle Ressourcefür die Meta bolom for schung und liefert Daten für dieEntwicklung neuer computergestützter massenspektro -metrischer Methoden und Modelle. Ansprechpartner: Dr. SteffenNeumann

Computational Mass Spectrometry Initiative (CompMS)

Das Ziel der CompMS Initiative ist die Koordination vonSoftware-Entwicklungen für die Analyse von Massen spek tro me -trie-Daten. Dabei sollen die Lücken zwischen Proteomik, Meta bo -lomik und anderen Bereichen, in denen die Massen spektro me -trie eine zentrale Stellung hat, überbrückt werden.

5. Chemie-NetzwerkeVerbund Cluster Biokatalyse 2021

Das Ziel des Clusters Biokatalyse2021 ist es, die Kommer zia li sie -rung von Forschungsergebnissenentlang der gesamten Wertschöp -fungskette (vom Enzymscreening

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

ChemBioNetChemBioNet ist ein Netzwerk fürRessourcen im Bereich der che -mi schen Biologie. Die interdiszi-plinäre, offene Plattform für diesystematische Anwendung von

kleinen Molekülen dient dazu, biologische Systeme besser er -forschen zu können.

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Das IPB ist aktuell an folgenden na tio nalen und internatio na -len wissenschaft li chen Netzwerken beteiligt:

1. Regionale NetzwerkeWissenschaftsCampus Halle – Pflanzenbasierte Bioökonomie

Der WissenschaftsCampus Halleverbindet seit 2012 vier Leib niz-In -sti tute der Region (IPB, IAMO, IPK

und IWH) mit den thematisch korrespondierenden Fach be rei -chen und An-Instituten der Martin-Luther-Universität. Das The maist die pflanzenbasierte Bioökonomie, also die nachhaltige indus-trielle Produktion, Verarbeitung und Nutzung von pflanzlichenRessourcen mit Schwerpunkt auf Nahrungsmittel und hochwer-tigen Pflanzenstoffen, und die damit verbundenen sozio öko no -mi schen Aspekte. Der WCH wird von der Leibniz-Gemeinschaftund dem Land Sachsen-Anhalt gefördert. Im Rahmen des WCHwird die Nachwuchsgruppe von Dr. Nico Diss me y er finanziert.Prof. Ludger Wessjohann ist einer der Spre cher des WCH.

Deutsches Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv)Das iDiv wurde als Drehscheibe der interna-tionalen Biodiversitätsforschung im Jahr

2012 von den Universitäten in Leipzig, Jena und Halle sowie demHelmholtz-Zentrum für Umweltforschung (Leipzig, Halle, Magde -burg als DFG-Forschungs zentrum initiiert. Das Forschungsziel istdie Förderung theorie ba sierter Synthese und datenorientierterTheoriebildung in den Biodiversitätswissenschaften.

Interdisziplinäres Zentrum für Nutzpflanzenforschung (IZN)Das IZN bündelt die in der Region entwi ckelten beachtlichenRessourcen von Agrar- und molekularen Biowissenschaften undvereint Gruppen der MLU Halle-Wittenberg, des IPK Gatersleben,des IPB und des Julius-Kühn-Instituts, dem Bundesfor schungs in -stitut für Nutzpflanzen in Quedlinburg (JKI). Gefördert werdenFor schungsprojekte an Nutzpflanzen, die sich auf Grundlagen-und Anwendungsebene mit den landwirtschaftlich relevantenThemen Resistenz gegen biotischen Stress und Toleranz gegenabiotischen Stress beschäftigen.

2. Leibniz-ForschungsverbündeLeibniz-Forschungsverbund Wirkstoffe und Biotechnologie

Medizinischer Fortschritt, die Sicherunglandwirtschaftlicher Produktion und einege sun de Ernährung und Körperpflege sindohne die Entwicklung von Wirk stof fen nicht

vor stell bar. Der Verbund Wirk stoffe und Biotechnologie wurde2012 auf Initiative des IPB ins Leben gerufen und bündelt mit 17be tei lig ten Leibniz-Instituten die innerhalb der Ge meinschaftbreit an ge legte Forschung zu Molekülen mit biologischerWirkung. Ansprechpartner: Prof. Ludger Wessjohann

Leibniz-Forschungsverbund BiodiversitätDie dramatische Veränderung der biologi-schen Vielfalt ist eine der größten ge sell -schaftlichen Herausforderungen. Es gilt, dieZiele der Biodiversi tätsab kommen mit den oft

konkurrierenden Zielen der Klima-, Energie-, Landwirtschafts-und Wirtschaftspolitik in Einklang zu bringen. Der Leibniz-For -schungsverbund Biodi versi tät bündelt die Kompetenzen von 22Leibniz-Einrichtungen aus verschiedenen Disziplinen für den Be -reich Biodiver sitäts for schung. Ansprechpartner: Dr. Norbert Ar -nold

Leibniz-Forschungsverbund Lebensmittel und ErnährungDer Leibniz-Forschungsverbund Lebens mit -tel und Ernährung stellt sich den Heraus for -de run gen einer komplexen Welt, in der dieLe bensmittelproduktion und gesunde Ernäh -

rung stark von knappen Ressourcen, klimatischen Bedingungenund dem Umgang mit der Natur abhängen. Entlang der Wert -schöpfungskette ver knüpft der Verbund 14 Leibniz-Institute undschafft auf diese Weise ein Disziplin-übergreifendes Wissen -schaftsnetzwerk. Ansprechpartner: Prof. Steffen Abel

3. EU-NetzwerkeEU-OPENSCREEN

Ziel von EU-OPENSCREEN ist dieEnt deckung von neuen Wirk stof -

fen in allen Bereichen der Le benswissenschaften durch Zugangzu den neuesten Tech no lo gien, Ressourcen und Expertisen. DieInitiative unterstützt die le bens wissenschaftliche Forschung inEuropa und die Umsetzung der Ergebnisse in medizinische, land-wirtschaftliche, bioindustri elle und gesellschaftliche Anwen dun-gen.

EPSO — European Plant Science OrganisationEPSO ist eine unabhängige wissenschaftliche Or -ganisation, die mehr als 226 Forschungsinstituteund Universitäten aus 30 Ländern verknüpft.

EPSOs Auftrag ist es, den Einfluss und die Sichtbarkeit derPflanzenforschung in Europa zu stärken.

COST Action: Bioflavour - New biocatalysts and novel molecu-lar mechanisms (FA 0907)

Die COSTAction Bio -flavour ver -

bindet die europäische Forschung zur natürlichen Produktionvon Duft- und Aroma stof fen in Hefe. Das Ziel ist es, eine umwelt-freundliche, effiziente und natürliche Produktion von Duft- und

92

Nationale und Internationale Forschungsnetzwerke

Prof. Jens Pahnke, BRD01.11.2014 – 31.12.2017

Cristiane Pereira, BrasilienCAPES-Stipendiatin 10.06.2013 – 28.03.2014

Daniel Rampon, BrasilienCNPq-Stipendiat 12.09.2012 – 28.02.2013

Bruno Ravanello, BrasilienCNPq-Stipendiat 11.09.2014 – 31.08.2017

Dr. Saadeldin Shaaban, ÄgyptenDAAD-Stipendiat 29.03.2013 – 29.09.2013

Tiago da Silva, BrasilienCNPq-Stipendiat 18.04.2013 – 31.12.2013

Nalin de Seixas Borges, BrasilienCNPq-Stipendiatin 11.09.2014 – 31.08.2017

Nadja Sonntag, BRD01.11.2013 – 31.12.2014

Dr. Boris Tolkachev, Russland18.08.2014 – 01.04.2015

Ricardo Wanderley Neves Filho, BrasilienCNPq-Stipendiat 08.06.2011- 31.03.2014

Abteilung Stress- und EntwicklungsbiologieManaswita Baruah, IndienErasmus-Mundus Stipendiatin 07.10.2014 – 31.12.2017

Ingo Hofmann, BRD15.10.2010 – 31.12.2016

Nadine Küster, BRD10.01.2011 – 31.07.2014

Dr. Stephan Schmidt, BRD01.10.2014 – 31.03.2015

Arsheed Hussain Sheikh, IndienDAAD-Stipendiat01.10.2012 – 31.03.2014

Abteilung Stoffwechsel- und ZellbiologieDominic Brauch, BRD01.10.2012 – 16.12.2013

Christin Fellenberg, BRD01.04.2013 – 30.06.2013

Anna Kulma, PolenStipendiatin, Uni Breslau23.09.2014 – 22.12.2014

Yulong Li, ChinaStipendiat, China Scholarship Concil13.09.2013 – 31.12.2014

Dr. Humberto Medina, SpanienStipendiat Conacyt Mexico02.09.2013 – 31.08.2014

Prof. Dieter Strack, BRD01.10.2010 – bis auf Weiteres

Dr. Diana Weier, BRD01.02.2013 – 31.01.2014

Heena Yadav, IndienStipendiatin Erasmus-Mundus07.10.2014 – 31.12.2017

Unabhängige NachwuchsgruppenFrederik Faden, BRDStipendiat Graduiertenkolleg01.10.2011 – 31.03.2014

Cecilia Martinez, MexikoDAAD-Stipendiatin 24.03.2014 – 26.07.2014

Christin Naumann, BRDStipendiatin Graduiertenkolleg01.10.2011 – 31.03.2014

Pavel Reichman, TschechienDAAD-Stipendiat01.10.2014 – 31.12.2016

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Abteilung Molekulare SignalverarbeitungRanju Chutia, IndienErasmus-Mundus-Stipendiatin 06.10.2014 – 30.09.2017

Dinesh Dhurvas Chandrasekaran, IndienDFG-Stipendiat 01.07.2010 – 30.09.2013

Mitra Dipannita, IndienDAAD-Stipendiatin30.09.2013 – 30.09.2015

Daniel Elias, BRD04.12.2013 – 30.03.2015

Susanne Höpfner, BRDStipendiatin, GRK05.11.2014 – 30.04.2015

Philipp Janitza, BRD01.01.2013 – 30.06.2013

Somnath Koley, IndienErasmus-Mundus-Stipendiat 03.11.2014 – 31.12.2017

Esmeralda Marti Sanchis, Spanien01.08.2013 – 31.08.2013

Shiv Meena, IndienErasmus-Mundus-Stipendiat07.10.2014 – 31.12.2017

Christian Noah, BRD04.12.2013 – 31.03.2015

Dr. Silke Richter, BRD01.01.2013 – 31.03.2013

Ahmed Romel, BangladeschDAAD-Stipendiat 19.03.2012 – 30.09.2015

Katja Seidel, BRD01.01.2013 – 31.03.2013

Prof. Dr. Claus Wasternack, BRD15.07.2013 – unbefristet

Abteilung Natur- und WirkstoffchemieDr. Nael Abutaha, Saudi-ArabienStipendiat National Plant Science26.06.2014 – 05.08.2014

Ricardo Affeldt, BrasilienCAPES-Stipendiat 08.07.2014 – 31.03.2015

Khaled Alkassem, Syrien DAAD-Stipendiat01.05.2014 – 19.07.2014 18.08.2014 – 31.03.2015

Dr. Tatiana Bilova, Russland04.02.2014 – 31.05.2014

Dr. Danstone Baraza, KeniaDAAD-Stipendiat 02.08.2012 – 31.01.2013

Upendo Ernest Cheya, Tansania08.07.2014 – 17.09.2014

Dr. Roberta Drekener, BrasilienFAPESP-Stipendiatin 01.11.2013 – 31.10.2014

Dr. Mohamed Farag, Ägypten16.01.2013 – 14.01.2014

Dr. Claudia Flügel, BRD08.02.2012 – 31.12.2014

Serge Alain Fobofou Tanemossu, KamerunDAAD-Stipendiat 03.04.2012 – 31.03.2014

Dr. Katrin Franke, BRD01.09.2013 – 31.08.2014

Dr. Andrej Frolov, Russland15.10.2012 – 30.12.2013

Dr. Zoila Gandara, Spanien01.10.2014 – 31.12.2014

Amina Msonga, TansaniaDAAD-Stipendiatin29.09.2010 – 31.12.2013

Chelsea Harmon, USADAAD-Stipendiatin 16.05.2014 – 19.08.2014

Ramona Heinke, BRDStipendiatin der Studienstiftung des dt. Volkes01.07.2010 – 31.05.2013

Myint Myint Khine, MyanmarDAAD Stipendiatin 02.10.2014 – 30.11.2014

Tamara Krajnovic, MontenegroDAAD-Stipendiatin 14.10.2014 – 13.11.2014

Dr. Danijela Maksimovic-Ivanic, Serbien01.04.2014 – 30.04.2014

Dr. Sanja Mijatovic, Serbien01.04.2014 – 30.04.2014

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Gastwissenschaftler/innen und Stipendiat(inn)en *

* mit mindestens vier Wochen Aufenthalt am IPB

re jung, lie fer te eine beeindruckende 3-Minuten-Show vor internatio na lem Publi -kum und einer hochkarätigen Ju ry. DieFalling Walls Lab findet seit 2009 jedesJahr am 8. No vem ber in Berlin statt. Siebildet den Auftakt zur Falling Walls Con -ference am kommenden Tag, die an läss -lich des Jahrestages zum Mauerfall dieMauern in Köpfen einreißen will. Dafürwerden jedes Jahr 20 der weltweit führen-den Spitzenforscher in die Hauptstadt ein-geladen, um ihre aktuellen Durch brü chezu präsentieren und Lösungen für globaleHerausforderungen aufzuzeigen.

VeranstaltungenPlant Your Future war das Motto der 9.Plant Science Student Conference, dievom 28. bis 31. Mai 2013 im IPB stattfand.Rund 90 Doktoranden aus dem IPB, demIPK in Gaterleben und dem MPI in Jenanahmen teil. Die Gast red ner, Jona thanGer shenzon vom MPI für Che mische Öko -logie in Jena, Rainer Breitling von der Uni -versität Man ches ter und Cyril Zipfel ausNorwich sorgten für scharfe Blicke überden Tellerrand; ebenso das Rah men pro -gramm im Botanischen Garten und in denMeckel schen Sammlungen. Da rüber hi -naus gab es Vorträge, Poster und vieleweitere zahlreiche Gele gen hei ten für alleJungwissenschaftler, mit ein ander ins Ge -spräch zu kommen.

Eine weitere Konferenz von Doktorandenfür Doktoranden wird seit gut 20 Jahren,al ternierend von Gruppen aus Leipzig,Zürich, Würzburg, Bayreuth, Jena und Hal -le ausgerichtet: der Doktoranden work -shop Natur stoffe. 2014 lag die Orga ni sa -tion und Ausrichtung wieder beim IPB.Die etwa 120 Teil neh mer aus Deutschlandund der Schweiz trafen sich am 09.05. imLeibniz-Institut für Agrarentwicklung undTransformationsökonomien (IAMO) zumgemeinsamen Austauch über Alkaloideund andere vielversprechende Wirkstoffe.

Nachdem 2013 die erste Bioökono mie -konferenz wegen des Hochwassers nur insehr kleinem Rahmen stattfand, konn tenim letzten Jahr erstmals regionale Ver tre -ter aus Wissenschaft und Industrie zu die -sem Meeting zusammenkommen. Die in -ternationale Bioökono mie kon fe renz un -ter dem Motto Bio meets Eco no my -Science meets Industry fand am 22. und23. Mai 2014 in Halle statt. Organisiertwurde die Konferenz vom Wis sen schafts -Campus Halle (WCH), der 2014 positivevaluiert wurde und als regionales Koope -ra tions projekt weiter von der Leibniz-Ge -mein schaft und dem Land Sachsen-An -halt gefördert wird. Sachsen-Anhalts Wis -sen schaftsminister Hartmut Möllring be -tonte noch einmal die Bedeutung desWCH: „Der Bereich Bioökonomie gehört

zu einem der fünf strategischen Zukunfts -märkte des Landes Sachsen-Anhalt.“

Die Abschlusskonferenz des von der Eu ro -päischen Kommission geförderten Koo -perationsoprojektes Bionexgen fand am02.-04.12. 2013 in Brüssel statt. Das Mee -ting hatte gleichzeitig den Charakter ei -ner Informationsveranstaltung für die Öf -fent lichkeit, vornehmlich für EU-Poli ti ker.Für das IPB nahmen Martin Dip pe, Stefa -nie Finsterbusch und Sylvia Piep low da -ran teil. Präsentiert wurden die Pro jekteder Abteilung NWC zur biokatalytischenProduktion von Phenyl pro pa noi den.

Zur Vernetzung von regionalen Akteurenaus Wissenschaft, Wirtschaft und Verwal -tung hat die Martin-Luther-Universität(MLU) gemeinsam mit der Stadt Halle2013 ein besonderes Veranstaltungs for -mat ins Le ben gerufen: die transHAL. Die2. Kon fe renz dieses Formats mit Vor trä -gen, Work shops und Rundtisch gesprä -chen fand am 28.10.2014 im IAMO statt.Für das IPB war Sylvia Pieplow mit einemStand präsent.

Am 03.07.2014 besuchten Wissen schafts -journalisten, Medienexperten und Lokal -po litiker das IPB und den gesamten Cam -pus. Die Scienceseeing-Tour fand im Rah -men des Nanospotfestivals statt, das seit

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Die Jahre 2013 und 2014 waren reich anöffentlichkeitswirksamen Ereignissen. Vie - le Mitarbeiter wirkten auf verschiedenenEbenen mit, um die Strahlkraft des In sti -tuts zu erhöhen. Hier ein thema tisch-chro -nologischer Abriss:

Artikel im ZweiwochentaktDie Präsenz des IPB in den Medien war inden Jahren 2013/2014 gleichbleibendhoch. In beiden Jahren erschienen ins-gesamt 41 Artikel in der Presse. Mehr alsdie Hälfte der Artikel (insgesamt 25) hat-ten wissenschaftliche Themen im Fokusund erreichten ihr Publikum auf überre-gionaler Ebene.

Führungen durchs InstitutRund 75 Gäste besuchten das Institut zumTag der Berufe am 20.03.2013, um sichüber die Ausbildungsmöglichkeiten amIPB zu informieren. Die Resonanz auf dieVer anstaltung war durchweg positiv. DerTag der Berufe findet auf Initiative der Bun -desagentur für Arbeit deutschland weiteinmal im Jahr statt. Ähnliche Schü lerfüh -run gen bot das Institut im Rahmen des Zu -kunftstags am 24.04.2013 an.

Am 10.04.2013 war das IPB Gastgeber fürdas jährliche Treffen der mittel deut schenDual-Career-Ver ei ni gung. Auch hier wur -de ein Rund gang durchs Institut angebo -

ten und mit gro ßem Interesse wahr ge -nommen.

Die landespolitische Sprecherin der SPD,Dr. Katja Pähle, besuchte am 22.04.2013das Institut, um sich über aktuelle For -schungsvorhaben zu informieren. Dis ku -tiert wurden auch wissenschaftspolitisch-strategische Fragen.

Am 05.09.2013 besuchte der ehemaligeDirektor und Leopol di na-Alt prä si dentBen no Parthier gemeinsam mit alten Stu -dien kollegen das Institut. Der Rund gangdurch unsere Räumlichkeiten war nichtnur für die Teilnehmer des Seminar grup -pentreffens ein Genuss; auch die Gast ge-ber hatten sehr viel Freu de an diesem wa -chen, interes sier tem und stets frageb-dürftigem Publikum.

Das Treffen des WeinbergCampus-Pres -sekreises fand am 13.06.2014 im IPB statt.Neben den Pressesprechern der umlie -genden An-Institute nahmen auch Ver tre -ter der Stadt Halle und des In ter na tio nalOffice der MLU daran teil. Die Teilnehmerzeigten sich beeindruckt von Umfang undVielfalt der Pressearbeit am Institut. Dis ku -tiert wurden an schli e ßend strategischeFragen zur bes seren Sicht barmachungdes wissen schaftlichen Po tentials der ge -samten Stadt.

Wissenschaftler als Botschafter des IPBDie dritte internationale Konferenz derGlobal Young Academy (GYA) fand am15.-18.05.2013 in der Leopoldina in Hallestatt. Dr. Mohamed Farag nahm als frischno mi niertes Mitglied daran teil und re prä -sen tierte damit nicht nur das IPB, sondernauch sein Heimatland Ägypten und ganzAfrika. Farag forschte als Humboldt-Sti -pendiat an Wirkstoffen aus Hopfen, Süß -holz und Johanniskraut. Aus seiner Arbeitin Halle erwuchs eine fruchtbare Instituts -partnerschaft zwischen dem IPB und derUniversität Kairo, die für drei Jah re von derAlexander-von-Humboldt-Stif tung ge för -dert wird. Inzwischen ist Dr. Farag As sis -tenzprofessor an der Phar ma zeu tischenFakultät der Universität Kairo. Die GYA wurde 2010 gegründet. Sie ver-steht sich als die Stimme junger Wissen -schaftler auf internationalem Niveau.

Als einer von 100 Jungforschern aus allerWelt durfte Serge Alain Fobofou Tane -mossu auf der Falling Walls Lab Con fe -rence am 08.11.2014 über seine Wirk stoff -suche in Heil pflanzen berichten. Sein Vor -trag Brea king the wall of infection disea-ses ist auch im Netz unter http:// vimeo.com/113487997 zu finden. In den Vor ent -scheidungen wählte eine internationaleJury von 888 Bewerbern die 100 Fi nalis -ten aus. Ein je der von ihnen, unter 35 Jah -

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Presse- und ÖffentlichkeitsarbeitSylvia PieplowAssistenz: Sylvia Siersleben

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

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

Serge Tanemossu auf der Falling WallsLab im November 2014 in Berlin

Zur Bionexgen-Tagung im Dezember2013 in Brüssel

Artikel und Pressemeldungen 201325. FebruarWalther, C. Schubkraft für Gründerdurch Manager-Knowhow. Pressemit tei -lung der Leibniz-Gemeinschaft.

26. FebruarHenneberg, K. BiodiversitätszentrumiDiv richtet internationale Konferenz zuVegetationsdatenbanken aus. Presse -mitteilung des iDiv.

28. FebruarOvermeyer, A. Metallionen regulierenden Terpen-Stoffwechsel in Insekten.Pressemitteilung des Max-Planck-Insti -tuts für Chemische Ökologie in Jena.

11. MärzHenneberg, K. LänderübergreifendesBerufungssymposium des iDiv in Leip -zig. Pressemitteilung des iDiv.

15. MärzWalther, C. Jahrespressegespräch 2013 -Leibniz-Gemeinschaft verstärkt Hoch -schulkooperation. Pressemitteilung derLeibniz-Gemeinschaft.

18. MärzPieplow, S. Leibniz-Institut für Pflan zen -biochemie öffnet Türen zum Tag der Be -rufe. Pressemitteilung.

19. MärzPieplow, S. Leibniz-Institut öffnet Türen. Mittel -deutsche Zeitung, S. 8.

26. MärzHöhne, S. Großversuch ohne Erfolg. Im Früh -jahr wird es wohl keine Felder mit Gen-Pflan -zen in Sachsen-Anhalt geben. MitteldeutscheZeitung S. 3.

Höhne, S. Gentechnik – Pro und Kontra. Mit -teldeutsche Zeitung S. 3.

19. AprilHenneberg, K. iDiv-Auftakt skizziert dieZu kunftsaufgaben der Biodiversi täts for -schung. Pres semitteilung des iDiv.

Juni 2013Valenzuela, J. Experto alemán destaca poten-cial del patrimonio fungico de boeques na ti -vos. Panorama UdeC, Chile

Walter, C. WissenschaftsCampus Halle: Pflan -zenbasierte Bioökonomie. Leibniz auf demCampus, S. 9.

Schnee, R. From molecule to society. Erste in -ternationale Bioökonomie-Konferenz des Wis -senschaftsCampus Halle. IPK Journal 22 (2013)1, S. 20.

4. JuliBank-Zillmann, M. Mit der Bache lor ar -beit auf die Titelseite von Nature:SKWP-Forschungspreis der UniversitätHalle würdigt zwei Studen ten. Presse -mitteilung der Universität Halle (MLU).

23. JuliWalther, C. Leibniz setzt regional aufWissenschaftsCampi. Pressemitteilungder Leibniz-Gemeinschaft.

27. JuliKlabuhn, J. Pflanzen sind eben auch nur Tiere.Mitteldeutsche Zeitung, S. 16.

12. AugustWalther, C. WissenschaftsCampus Hal -le: „Pflanzenbasierte Bioökonomie“ –Bioökonomie als Schlüsselindustrie des21. Jahrhunderts. Pressemitteilung derLeibniz-Gemeinschaft.

17. AugustSchippmann, A. Sachsen-Anhalts Pilz-Atlas. Bild,S. 9.

23. AugustGlowinsky, G. Strecke zum Laternenfest nochgesperrt. Mitteldeutsche Zeitung, S. 8.

10. SeptemberBank-Zillmann, M. Proteinforscher be -raten über weitere Profilierung des Bio -technologie-Standorts Halle – Tagungam 17. und 18. Sep tem ber. Pres se mit tei -lung der MLU.

13. SeptemberFalgowski, M. Die Absicht, eine Mauer zu bau -en. Mitteldeutsche Zeitung, S. 7.

Möbius, J. Bitte frei machen. Kommentar. Mit -tel deutsche Zeitung, S. 8.

Oktober 2013Walther, C. Sanduhr der embryonalen Ent -wicklung tickt auch bei Pflanzen. Jahresberichtder Leibniz-Gemeinschaft 2012/2013, S. 8.

Walther, C. Leibniz-Forschungsverbund Wirk -stoffe und Biotechnologie. Jahresbericht derLeibniz-Gemeinschaft 2012/2013, S. 25.

Walther, C. Hochschulkooperationen. Info fo -to. Jahresbericht der Leibniz-Gemeinschaft 2012/2013, S. 30/31.

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2014 einmal jährlich in Halle ausgetragenwird. Mit seinem animierten 3D-Vor tragkonnte Wolfgang Brandt das Au di toriumvon der Wirkstofffindung durch Protein -modeling begeistern.

Einen Tag später, am 04.07.2014 ging eszur Langen Nacht der Wissenschaft - imVer gleich zu den Vorjahren - eher be -schaulich zu am IPB. 273 Hallenser wa rengekommen, um sich, trotz des Vier tel fi -nales der Fußballweltmeis ter schaft, im In -sti tut umzusehen. Sie besuchten dasInstitut vor al lem aus genau jenem Grund:Die Lange Nacht am IPB einmal ohne Ge -dränge und Zeit druck zu erleben. Der Planging auf. Die Veranstaltung war sowohl fürdie Mit arbeiter als auch für die Gäste einan ge nehm tiefschürfendes Erlebnis.

FesteBereits zum vierten Mal in Folge war dasIPB am 01.11.2014 Gastgeber des Diwali-Lichterfestes in Halle, zu dem die indi-schen Studenten des IPB und der MLU er -

neut geladen hatten. Rund 100 Gäste ausaller Welt folgten der Einladung zu Tanz,Gesang und Gaumenfreuden. Auch di ver -se andere Doktorandenfeiern wie Hallo -wee n party und Tischkickermeis ter schaf -ten haben mittlerweile schon Tra ditionam Institut. Das gilt auch für die jährlichvon der Abteilung NWC organisierte Ren tnerweihnachtsfeier, die bei unserenAlumni sehr beliebt ist.

Besonders hervorzuheben im Sinne derTeambildung sind die jährlichen Instituts -feste für die gesamte Beleg schaft. 2013zur IPB-Weih nachts feier for mierte sicherstmals eine IPB-Combo mit Sängernund Musikern aus allen Abtei lun gen. Diepräsentierte dem begeisterten Publikumein buntes Programm aus deut schen,englischen und spanischen Weih nachts -liedern. Die Texten wurden mit Power -point an die Wand projeziert, so dass alleMitarbeiter fleißig mitsingen konnten.Musi ka lisch ging es auch zum IPB-Som -mer fest am 11. 09.2014 zu. Hier sorgte die

Bigband der Kreis mu sikschule Carl Loewefür Be geisterung.

SonstigesDamit sich Neuankömmlinge und Fremdeim Institut besser zurechtfinden, wurde2014 von Sylvia Siersleben und SylviaPieplow ein Wegeleitsystem konzipiertund umgesetzt.

Zum zweiten Mal in Folge hat das IPB imFrühjahr 2013 das Total-Equality-Prädikatgewonnen. Fami lien freundlichkeit, struk-turierte Nach wuchs förderung, Engage -ment im Dual-Career-Netzwerk und El -tern-Kind-Zimmer sind Ak ti vi täten, mit de -nen das IPB bei der Jury punktete. Als Mit -glied des Equalityteams (mit Ker stinBalkenhohl, Claudia Haferung und Ker -stin Manke) war Sylvia Pieplow für dieüberzeugende Darstel lung aller Gleich -stellungsprojekte im Fragen kata log zu -ständig und trug da mit wesentlich zumGelingen der Bewerbung bei. Das Zerti fi -kat gilt für drei Jahre.

Gerd Balcke erklärt die Funktionsweise des Mas -senspektrometers zur Langen Nacht der Wis sen -schaften am 4. Juli 2014.

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

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

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

Medienpräsenz des IPB

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101100

Medienpräsenz, Layout und Internet

Walther, C. WissenschaftsCampus Halle: Pflan -zenbasierte Bioökonomie. Jahresbericht derLeibniz-Gemeinschaft 2012/2013, S. 30/31.

Bank-Zillmann, M. Bachelor-Arbeit wird Na tu -re-Story. Scientia Halensis 4/2013, S. 30.

18. OktoberLöwe, K. Im Klima-Stress. Mitteldeutsche Zei -tung, S. 16, Campusseite.

28. OktoberLeibniz-Institut für Pflanzenbiochemie. Be -grün dung zur Prädikatsvergabe. Mit Chancen -gleichheit zum Erfolg, S. 22.

29. OktoberPieplow, S. IPB erhält Prädikat zurChancengleichheit. Pressemitteilung.

30. OktoberPieplow, S. Gleiche Chancen. Wochenspiegel,S.1.

30. OktoberPieplow, S. Leibniz-Institut für Chancen gleich -heit geehrt. Mitteldeutsche Zeitung, S. 8.

7. NovemberPausch, K. Lichter gegen alles Böse. Mittel deut -sche Zeitung, S. 14.

7. NovemberNeubert, R. Arzneipflanzen Äthiopiens. Deut -sche Apothekerzeitung (153) 45, S. 100.

8. NovemberWalther, C. Leibniz-Gemeinschaft bün-delt ihre Kompetenzen zur nachhalti-gen Sicherung der biologischen Vielfalt.Pressemitteilung der Leibniz-Gemein -schaft.

9. DezemberSuske, K. Können spezielle Johan nis -krautextrakte gegen Alzheimer helfen?Pressemitteilung des Universi tätskli ni -kums Magdeburg.

Layout und Druck 2013März 2013Anzeige Futureplan (Berufsausbildung)

April 2013Scientific Report 2011/12

Juni 2013Geburtstagsmappe Claus Wasternack

Juli 2013Poster Evaluierung: 11 Stück

November 2013Rollup-Poster IPBPoster für Bionexgen-Tagung in BrüsselFlyer NWC (Bionexgen)

Meldungen für Aktuelles 201311.03.2013iDiv startet Berufungssymposium in Leipzig

13.03.2013Leibniz-Gemeinschaft verstärkt Hochschulko -operationen

18.03.2013Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie öffnetTüren und Labore zum Tag der Berufe

18.04.2013Herzlichen Glückwunsch an Claus Waster -nack!

17.05.2013Dr. Mohamed A. Farag nimmt an der Kon fe -renz der Global Young Academy in Halle teil

27.05.2013Große Doktorandenkonferenz zur Pflanzen -forschung am Leibniz-Institut für Pflanzen bio -chemie

30.05.2013Herzlichen Glückwunsch an Sabine Ro sahl!

03.06.2013Erste internationale Bioökonomie-Konferenzdes WissenschaftsCampus Halle

05.06.2013ACHTUNG: Bioökonomie-Konferenz desWissenschaftsCampus abgesagt! VerkürztesProgramm am Freitag im IPB geplant.

06.06.2013Hochwasser

18.06.2013ACHTUNG: Eingestürzte Mauer durch Flut!

18.06.2013WeinbergKids – Neue Randzeitenbetreuungfür Kinder auf dem Weinbergcampus

08.07.2013Herzlichen Glückwunsch zum SKWP-For -schungspreis!

10.07.2013Gratulation zum Leibniz-DAAD-Stipendiumund neuem interdepartmentellen Forschungs -projekt!

19.07.2013IPB Xpress erfolgreich beim MitteldeutschenFirmentriathlon

25.07.2013Cantor-Schüler im Labor

25.07.2013Leibniz setzt regional auf WissenschaftsCampi

02.08.2013Eltern-Kind-Zimmer im IPB

14.08.2013WissenschaftsCampus Halle - Bioökonomieals Schlüsselindustrie des 21. Jahrhunderts

22.08.2013TOTAL E-QUALITY die Zweite - IPB erhälterneute Auszeichnung für Chancengleichheit

11.09.2013Proteinforscher beraten über weitere Profi lie -rung des Biotechnologie-Standorts Halle - Ta -gung am 17. und 18. September

25.09.2013Alle guten Dinge sind...?

27.09.2013Herzlichen Glückwunsch an Dr. Carolin Del ker!

22.10.2013Neue Sprecher sind gewählt

29.10.2013IPB erhält Prädikat zur Chancengleichheit

30.10.2013Diwali 2013 am IPB – Indische Studenten fei -ern Lichterfest in Halle

08.11.2013Leibniz-Gemeinschaft bündelt ihre Kompe ten -zen zur nachhaltigen Sicherung der biologi-schen Vielfalt

02.12.2013Neuaufnahme dreier wissenschaftlicherInstitute in die Leibniz-Gemeinschaft

02.12.2013Matthias Kleiner wird neuer Präsident derLeibniz-Gemeinschaft

06.12.2013Weihnachtsfeier im IPB

17.12.2013Cofaktor bestimmt Kettenlänge

19.12.2013Gottfried Wilhelm Leibniz - Der letzte Uni -versal gelehrte

Artikel und Pressemeldungen 201418. JanuarWätzold, J. Forscher heilen Alzheimer mit Jo -hanniskraut. BILD Halle, S. 10.

11. FebruarFalgowski, M. Bleibt Saaleweg noch zwei Jahregesperrt? Mitteldeutsche Zeitung, S. 11.

Falgowski, M. Zu lange Abstimmung. Kom men -tar. Mitteldeutsche Zeitung, S. 10.

20. FebruarRazum, M., Neumann, J. & Hahn, M. RADAR –Ein Forschungsdaten-Repositorium als Dienst -leistung für die Wissenschaft. Zeitschrift fürBibliothekswesen und Bibliographie 61, S. 18-27.

20. MärzWalther, C. Leibniz-Institute in Mag de -burg, Halle, Berlin, Göttingen und Bre -men positiv evaluiert. Presse mit tei lungder Leibniz-Gemeinschaft.

25. MärzPieplow, S. Grünes Licht für die Pflan -zen forschung. Leibniz-Institut für Pflan -zenbiochemie wurde erneut positiv eva -luiert. Pressemitteilung.

1. AprilPieplow, S. Wichtige Säule für Forschung beiPflanzen. Mitteldeutsche Zeitung, S. 20, Hoch -schul seite.

Mai 2015Bellof, M. Waiting for a great break-through.GoingPublic Life Sciences 2/14 Industrial Bio -technology, S. 20-21.

21. MaiSonntag, N. Nachhaltiges Wirtschaften– Internationale Bioökonomiekon fe -renz. Pressemitteilung des Wissen -schaftsCampus.

1. JuliPieplow, S. Moleküle in 3 D. Presse mit -teilung.

1. JuliFuhrmann, C. Auf der Spur der Proteine. Mit -teldeutsche Zeitung, S. 24, Campusseite

1. AugustAuf den Spuren der Pflanzenmedizin. Apothe -kenrundschau August 2014, Titelstory, S. 10-16.

4. AugustLöwe, K. Der Weg nach oben. Die Argen ti nie -rin Selma Gago Zachert nutzt ein Programmdes Leibniz-Instituts, das weibliche Führungs -kräfte stärkt. Mitteldeutsche Zeitung, S. 3, Man -telseite.

12. OktoberRüschemeyer, G. Mörderische Doppelgänger.Frankfurter Allgemeine Sonntagszeitung 41, S.56-57.

16. OktoberWätzold, J. Mister Geiz vom Leibniz-Institut.BILD Halle, S.10.

29. OktoberWeg am Leibniz-Institut wird gesichert. Mittel -deutsche Zeitung, S. 7.

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Medienpräsenz, Layout und Internet 31. OktoberPausch, K. Lichterfest mit Bollywood-Feeling.Mitteldeutsche Zeitung, S. 14.

5. NovemberSchlüter, J. Durch die grüne Mauer. Infofoto.Mitteldeutsche Zeitung, S. 7.

9. NovemberHalle MZ. Das Land der Wissenschaft. Mittel -deutsche Zeitung, Sonderbeilage zu 25 JahreMauerfall. S. 42-43.

11. NovemberFuhrmann, C. Umbrüche im Blick. Mittel deut -sche Zeitung, S. 20, Campusseite.

12. NovemberFalgowski, M. Mauer im Fels verankert. Mittel -deutsche Zeitung, S. 9.

25. NovemberFuhrmann, C. Helfen mit Heilkräutern. Mittel -deutsche Zeitung, S. 20, Campusseite.

1. DezemberSonntag N. Sachsen-Anhalt ist reif fürnachhaltiges Wachstum in der Bio ö ko -nomie. Pressemitteilung des WCH.

19. DezemberQueitsch, C. Degrading new insights into tem-perature sensing in plants: Commentary. Cellpress, www.cell.com

Layout und Druck 2014Januar 2014Anzeige Futureplan

März 2014Newsletter 3 2014

Juni 2014Anzeige Studienführer der MLU

Juli 2014Poster zur Langen Nacht: 6 Stück

September 2014Flyer zum Gesundheitstag

Oktober 2014Poster zur TranshalUni-Broschüre für ausländische Studenten

Meldungen für Aktuelles 201416.01.2014Pflanzliche Immunantwort - Ubiquitin regu liertAbwehr

23.01.2014Können spezielle Johanniskrautextrakte ge genAlzheimer helfen?

11.02.2014Neues EU-Projekt - Trichome auf dem Vor -marsch

05.03.2014Bio meets Economy - Science meets Industry

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

25.03.2014Grünes Licht für die Pflanzenforschung

26.03.2014Wirkstofftage in Berlin

05.05.2014Leibniz-Wirkstoff des Jahres gekürt

12.06.2014Grünes Licht für Stipendiaten

01.07.2014Moleküle tanzen in 3D

07.07.2014Lange Nacht für Fußballmuffel

04.08.2014Glückwunsch an Selma Gago Zachert

12.09.2014IPB ist Mitglied im Vorstand der MetabolomicsSociety

12.09.2014Big Band heizt mit heißen Rhythmen ein

29.10.2014Willkommen zum indischen Lichterfest

07.11.2014Population Boom - Film und Informations ver an -staltung des WissenschaftsCampus Halle

17.11.2014Mit Pflanzen heilen

19.11.2014Jahrestagung der Leibniz-Gemeinschaft vom26. bis 28. November in Berlin

01.12.2014Sachsen-Anhalt ist reif für nachhaltiges Wachs -tum in der Bioökonomie

11.12.2014Falling Walls Lab – Wissenschaft reißt Mauernein

Fernsehen 2014Juni 2014 Beiträge zu Beilstein TV, Abteilung NWC

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Impressionen und Impressum

HerausgeberLeibniz-Institut für PflanzenbiochemieWeinberg 306120 Halle

www.ipb-halle.de

Redaktion, Satz und LayoutSylvia PieplowPresse- und ÖffentlichkeitsarbeitTel.: (0345) 5582 1110Fax: (0345) 5582 1119spieplow@ipb-halle.de

Fotos und GrafikenIPB

TitelfotoJens Müller, IPBEine unter Phosphatmangel wachsendeSeitenwurzel durchbricht die epidermaleZelllage der Hauptwurzel und bildet eineVielzahl von Wurzelhaaren auf der Suchenach dem Nährstoff (Färbung mit Propi di -u m io did und Konfokal-Mikroskopie). Sieheauch AG Nutrient Sensing, S. 18-19.

Copyright © September 2015Alle Rechte vorbehalten. Diese Publi ka tionsowie Teile derselben sind urheberrecht -lich geschützt. Jede Verwertung in an de -ren als den gesetzlich zugelassenen Fällenist ohne vorherige schriftliche Zu stim -mung des Herausgebers nicht zulässig.Alle Daten- und Litera tur angaben in die -sem Bericht beziehen sich, soweit nichtaus drücklich anders erwähnt, auf die Jah -re 2013 und 2014.