Forschungsstelle für gartenbauliche Kulturpflanzen (FGK)

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

• Identifizierung der Ursachen für die Off-Types bei Heidelbeeren

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

• Entwicklung von Empfehlungen für eine gute Vermehrungspraxis für Heidelbeeren

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

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

Arbuskuläre Mykorrhizapilze (AMF) sind die innovativsten Biostimulanzien auf Basis von Mikroorganismen. Die symbiontischen Wurzelpilze leisten durch ihren positiven Einfluss auf Nährstoff- und Wassereffizienz, sowie auf die Resilienz von Kulturpflanzen einen erheblichen Beitrag zum Europäischen Green Deal. Da die obligat biotrophen AMF nur in Anwesenheit von Pflanzen kultiviert werden können, ist ihre Produktion aber nach wie vor zeit- und kostenaufwändig. Zur Zeit werden hierfür zwei Methoden verwendet, aus denen sehr unterschiedliche Produkte hervorgehen: Die ex vitro Produktion in Topfkulturen liefert feste, die in vitro Vermehrung an Wurzelorgankulturen flüssige Produkte. Eine Vermehrung ohne Pflanzen/Wurzelorgankulturen würde die kommerzielle Produktion erheblich vereinfachen. Das Ziel von OPT4AMF ist daher die Produktion der AMF in vitro ohne Wurzelorgankulturen. Auf der Basis neuester Erkenntnisse werden dafür Kombinationen von regulatorischen Substanzen und sogenannte Mykorrhizahelferbakterien parallel eingesetzt. Die Sporenbildung des AMF wird quantifiziert und die Sporen hinsichtlich ihrer Qualität und ihres Einflusses auf die Pflanze überprüft. Die entwickelten Verfahren zur verbesserten in vitro Vermehrung können die Produktion und somit den Einsatz der AMF erheblich kostengünstiger gestalten. Dies erleichtert ihre zukünftige routinemäßige Anwendung für den wachsenden Markt der Pflanzenernährung in landwirtschaftlichen Produktionssystemen.

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

Vor dem Hintergrund der Anwendungsnähe von Forschung an Hochschulen für angewandte Wissenschaften (HAW) und ihrer gesellschaftlichen Relevanz ist das Potenzial von HAW hinsichtlich ihrer Datenbestände hoch. Die Heterogenität in den Datenformaten erschwert jedoch eine Standardisierung in Bezug auf Archivierung und Datenmanagement und damit insbesondere deren Nachnutzung
in den verschiedenen Fachdomänen. Grundanliegen des Vorhabens FDM-HAWK ist daher die Etablierung einer strukturellen Unterstützung des Forschungsdatenmanagements (FDM) an den Thüringer Hochschulen für angewandte Wissenschaften (HAW).

Die geplanten Maßnahmen werden eingebettet in bereits existierende Kooperationsstrukturen wie das Thüringer Kompetenznetzwerk FDM (TKFDM) und das IT-Zentrum der Thüringer Hochschulen.
Darüber hinaus werden an den HAW Servicezentren und die Bibliotheken eingebunden. Im Ergebnis sollen die gemeinsam entwickelten Methoden und gewonnenen Erfahrungen innerhalb der FDM-Community in Thüringen und auf überregionaler Ebene geteilt werden. Für die Aufgaben im Kontext des Lebenszyklus von Forschungsdaten werden etablierte Vorgehensweisen und Konzepte auf die HAW mit ihren spezifischen Randbedingungen übertragen. Im Rahmen der Adaption werden fachspezifische Bedarfe verschiedener Forschungsgruppen an den Thüringer HAW ermittelt. Die Bedarfsermittlung erfolgt gemeinsam mit den Forschenden und in Zusammenarbeit mit den jeweiligen Servicezentren. Bisherige individuelle Aktivitäten und deren Wirkung werden im Verbund analysiert und ausgewählte Modellprojekte in den fachlichen Schwerpunktbereichen Ingenieur-, Natur-, Sozial- und Wirtschaftswissenschaften exemplarisch an den jeweiligen HAW durchgeführt. Darauf aufsetzend erfolgt die Konzeption für die fachliche, technische und strukturelle Unterstützung der Modellprojekte. Mit Hilfe konkreter Datenmanagementpläne werden Erfahrungen in der Umsetzung des Konzepts gesammelt.

Ziel dessen ist eine erste übergreifende Realisierung eines FDM an Hand der Modellprojekte. Technik, Vorgehen und Struktur werden auf diese Weise eine erste Evaluierung erfahren. Bereits während des Projektes wird aktiv der Austausch mit der nationalen FDM-Community gesucht. Die im Vorhaben erarbeiteten Best Practices werden in die Community zurückgespiegelt.

Im Rahmen des Vorhabens soll eine nachhaltige Rohstoffquelle für Phyllodulcin auf der Basis von Anbau und Prozessierung verbesserter Teehortensien-Genotypen etabliert werden. Daraus ergeben sich die folgenden Ziele für das Vorhaben: 1. Ermittlung und Etablierung von nachhaltigen Vermehrungs-, Anbau-, Ernte- und Prozessierungsbedingungen und –verfahren im Freiland und im Gewächshaus für phyllodulcinreiche Hydrangea-Kultivare in Deutschland zur Gewinnung von Phyllodulcin 2. Schaffung der Grundlage für eine zielgerichtete Züchtung neuer Genotypen mit gesteigertem Phyllodulcin-Gehalt (möglichst stabil über 3, besser 5% der Trockenmasse) und verbessertem Pflanzenwuchs von für den Feldanbau geeigneten neuen Teehortensien-Kultivaren durch gezielte Kreuzung und Identifizierung von genetischen Traits und Markern sowie Identifizierung von Allelen in neuen Genotypen, die zu einer Steigerung des Phyllodulcin-Ertrages führen