Forschungsbericht 1997/98 - Inhalt Forschungsbericht 1997/98

Fakultät für Biologie

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Entwicklungsbiologie und molekulare Pathologie Experimentelle Ökologie und Ökosystembiologie
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Lehrstuhl für Genetik

Homepage: http://www.genetik.uni-bielefeld.de

I. Forschungsarbeiten

(a) Beteiligte Wissenschaftler
  Hochschullehrer: Prof. Dr. A. Pühler
wiss. Mitarbeiter: Dipl. Biol. U. Albus (DFG, SFB549), Dr. B. Bathe (EU), Dr. A. Becker (DFG), Dipl. Biol. J. Becker (DFG), Dipl. Biol. S. Berens (DFG), Dipl. Biol. S. Brand (DFG), Dipl. Biol. O. Brockmann-Gretza (Degussa), Dipl. Biol. W. Claes (EU), Dipl. Biol. U. Dresing (BMBF), Dipl. Biol. M. Dröge (BMBF), Dipl. Biol. N. Dusch (Degussa/BMBF), Dipl. Biol. F. Elischewski (Hermann-Schlosser-Stiftung), Dipl. Biol. M. Finke (EU), Dipl. Biol. T. Flötotto (EU), Dipl. Biol. C. Frosch, Dr. M. Frühling (EU), Dipl. Biol. N. Hohnjec (EU), Dipl. Biol. O. Kaiser (EU), Dr. J. Kalinowski, Dr. D. Kapp (BMBF/Bayer), Dr. M. Keller (BMBF), Dr. H. Küster, Dipl. Biol. A. Meyer (DFG), Dr. L. Morais-Moreira (EU-TMR), Staatl. gepr. Lebenmittelchem. D. Niemeyer (DFG), Dr. K. Niehaus, Dr. B. Nußbaumer (AgrEvo), Dipl. Biol. F. del Papa (EU, Gast), Dr. A. Perlick, Dipl. Biol. K. Quast (Degussa/ BMBF), Dipl. Biol. I. Quester (DFG), Dr. M. Rieping (Degussa), Dipl. Biol. S. Rüberg (DFG, BMBF), Dr. M. Rumyantseva (BMBF, Gast), Dr. E. Sagulenko (BML, Gast), Dipl. Biol. K. Schiene (BMBF/Bayer), Dipl. Biol. H. Schlößer (DFG), Dipl. Biol. S. Schneiker (BMBF), Dipl. Biol. S. Schröder (DFG, SFB549), Dipl. Chem. K. Schröter (DFG), Dr. W. Selbitschka (BMBF), Dr. L. Sharypova (BML, SFB549), Dipl. Biol. S. Stefani (AgrEvo), Dr. W. Streit (Stipendiat), Dr. A. Tauch (Degussa/BMBF), Dipl. Biol. C. Uhde (EU), Dipl. Biol. F. Vorhölter (DFG), Dipl. Biol. C. Wegener (EU), Dipl. Biol. L. Wehmeier (EU), Dr. S. Weidner (BMBF), Dr. S. Yurgel (BML, Gast), Dr. B. Zhou (Gast).

(b) Forschungsthemen

1. Corynebakterien als Aminosäure- und Vitamin-Produzenten
Corynebakterien zeichnen sich durch die Fähigkeit der fermentativen Überproduktion von Aminosäuren aus. Speziell gezüchtete Hochleistungsstämme werden heutzutage in industriellen Aminosäureproduktionsprozessen weltweit eingesetzt. Die Gentechnologie kann hier wichtige Einblicke in den Ablauf und die Regulation solcher Prozesse geben und Werkzeuge für die gezielte Optimierung von Stämmen bereitstellen. Die Schwerpunkte unserer Arbeit lagen in der Bildung der Aminosäure L-Lysin und, beispielhaft für ein von Aminosäure-Biosynthesen abgeleitetes, industriell interessantes Produkt, dem Vitamin D-Pantothensäure.

2. Biosynthese von Exopolysacchariden in S. meliloti und X. campestris
S.meliloti produziert zwei verschiedene Exopolysaccharide, EPS I und EPS II. Es wurden die Genetik, Biosynthese und Regulation dieser Exopolysaccharide analysiert. Als Ergebnis konnten Mechanismen der differentiellen Expression der Exopolysaccharid-Biosynthesegene aufgeklärt sowie ein Modell für die EPS I Synthese erstellt werden. Ein weiteres Teilprojekt beschäftigt sich mit der Produktion des Exopolysaccharids Xanthan durch X.campestris. Dieses Polysaccharid findet vor allem Anwendung in der Lebensmittelindustrie. Es werden Mechanismen der Synthese und Degradation des Xanthans analysiert.

3. Suppression der Pflanzenabwehr durch bakterielle Exo- und Lipo-Polysaccharide
Pflanzen sind in ihrer natürlichen Umgebung einer Vielzahl von Mikroorganismen ausgesetzt, viele sind pathogen, andere jedoch als Symbionten nützlich oder essentiell. Ausgangspunkt der Untersuchung ist das Modell, daß Oligosaccharide des symbiontischen Bodenbakteriums S.meliloti die Pflanzenabwehr bei der Ausbildung der Symbiose mit M.sativa (Luzerne) supprimieren und so eine Infektion der Wirtspflanze erlauben. In pflanzlichen Zellkulturen konnten Abwehrreaktionen durch gereinigte Oligosaccharide unterdrückt werden. Resultate aus diesen Arbeiten sollen auch der Entwicklung neuartiger Agrochemikalien dienen.
Aus M. sativa wurden außerdem cDNA-Klone isoliert, die für die Synthese kleiner GTP-bindender (G-) Proteine kodieren. Untersuchungen in transgenen Tabakpflanzen zeigten, daß ein auch im Tier vorkommender Vertreter dieser Gruppe von Signaltransduktionsproteinen vermutlich auch in Pflanzen die Auslösung von Abwehrreaktionen steuert.

4. Mikrobielle Ökologie
Mehrere Arbeitsgruppen beschäftigten sich mit bakterienökologischen Fragestellungen. Im Rahmen der Untersuchungen zur biologischen Sicherheit gentechnisch veränderter Bakterien und Pflanzen (GVO) wurde die Persistenz freigesetzter GVO bestimmt und deren Auswirkungen auf die Zusammensetzung endogener Bakterienpopulationen erfasst. Weiterhin wurden S. meliloti-Gene identifiziert und charakterisiert, die für die symbiontischen Eigenschaften und das vegetative Überleben im Boden von Bedeutung sind. Bei Analysen zum Gentransfer in bakteriellen Gemeinschaften von Kläranlagen und des Bodens konnten transferierbare Plasmide isoliert und charakterisiert werden. Die Suche nach neuen Biosynthese- und Resistenzgenen für das Antibiotikum/Herbizid Phosphinothricin in der Mikroflora europäischer Böden bildete den Schwerpunkt weiterer Projekte.

5. Molekulare Pflanzengenetik
In dem symbiontischen Interaktionssystem Ackerbohne/R.leguminosarum und dem pathogenen System Paprika /X.campestris werden Gene analysiert, die für diese Interaktionen wichtig sind. Aktuell werden für die Ackerbohne und verwandte Leguminosen z.B. Analysen auf Genproduktebene durchgeführt sowie Transformationsmethoden etabliert. Außerdem wird die Knöllchen- und die Mykorrhizasymbiose der Ackerbohne auf Genexpressionsebene verglichen. In X.campestris wird die Beteiligung einer Polygalacturonatlyase (PGL) an der Auslösung der Pflanzenabwehr in Paprika untersucht. Dazu werden zur Zeit PGL-Mutanten konstruiert und analysiert.


II. Drittmittelprojekte
  1. Pühler: Untersuchung der Zellhülle von Corynebacterium glutamicum, Degussa.
  2. Pühler: Neue biotechnologische Verfahren zur Herstellung ernährungsphysiologisch wertvoller Substanzen, BMBF/Degussa.
  3. Pühler: Regulation der Synthese der beiden Exopolysaccharide Succinoglycan und Galactoglucan in Rhizobium meliloti, DFG.
  4. Pühler: HCM- Symbiotic signals and regulatory mechanisms in Rhizobium, EU.
  5. Pühler: Improvement of symbiosis between Rhizobium meliloti and alfalfa in acid soils from Argentina and Uruguay, EU.
  6. Pühler: Komponenten der pflanzlichen Signaltransduktion wie G-Proteine und cytoplasmatischer Calcium-Spiegel als Ausganspunkt für Testsysteme zur Identifizierung neuartiger, interagierender Substanzen, BMBF/Bayer.
  7. Pühler: Host defence response during the establishment of symbiotic microorganisms in alfalfa rhizosphere, GIF.
  8. Pühler: Vergleichende Analyse der mikrobiellen Populationen in der Rhizosphäre von Luzerne mit und ohne Beimpfung durch Rhizobium meliloti Wildtyp- und gentechnisch veränderten Stämmen, BMBF.
  9. Pühler: Vorkommen und Verbreitung von Biosynthesegenen für Bialaphos und Glufosinate in der Mikroflora von europäischen Böden, AgrEvo.
  10. Pühler: Hybrid-Saatgut: Entwicklung von Verfahren zur Herstellung von hochreinem N-acetyl-Phosphinothricin: BMBF.
  11. Pühler: Expression von N-Acetyl-PPT-spezifischen Deacetylasen in Pflanzen, Hoechst.
  12. Pühler: Auffindung eines Nitrilase-Enzyms zur enzymatischen Umsetzung von Nitril-Derivaten des Glufosinats, insbesondere von DL-2-acetamino-4(hydroxymethyl-phosphinyl)-butyronitril und/oder DL-2-acetamino-4(n-butoxyimethyl-phosphinyl)-butyronitril bzw. deren Salze, AgrEvo.
  13. Pühler: Vom Gen zum Phänotyp: Analyse von Modul- und Barrelnodulinen aus Wurzelknöllchen der Ackerbohne Vicia faba L., DFG
  14. Pühler: Investigation of genes essential for the Medicago sativa – Rhizobium meliloti symbiosis: indentification by "map-based cloning" and elucidation of functions of gene products by analysing plants, VW.
  15. Pühler: Regulatory and metabolic networks related to nitrogen fixation in the legume nodule (Fixnet), EU.
  16. Pühler, Kalinowski: Corynebacteria as cell factories, EU.
  17. Becker: Polymerisation und Export der sauren Exopolysaccharide Succinoglycon und Galactoglucan von Sinorhizobium meliloti, DFG.
  18. Niehaus: Induktion und Suppression der Pflanzenabwehr bei der Ausbildung von Luzerneknöllchen, DFG.
  19. Niehaus: SFB549 Prozessierung und Singnalwirkung extrazellulärer Makromoleküle. B02: Extraszelluläre Signalmoleküle als Induktoren und Suppressoren der Pflanzenabwehr im Rhizobium meliloti / Medicago sativa Symbiosesystem, SFB549
  20. Pühler: Processing and signalling in the extracellular matrix (SFB 549), DFG.
  21. Pühler: Untersuchung des Proteinexports von Corynebacterium glutamicum anhand der Produktion heterologer Exoproteine, (Grad.-Kolleg "Zelluläre Grundlagen Biotechnologischer Prozesse"), DFG.
  22. Pühler: Untersuchungen zur Regulation der Nukleotidzuckerbiosynthese in Xanthomonas campestris pv. campestris, (Graduierten-Kolleg "Zelluläre Grundlagen Biotechnologischer Prozesse"), DFG
  23. Pühler/Kalinowski: Untersuchung von Oberflächenproteinen in Corynebakterien und ihrer Beteiligung an der Schaumbildung in Fermentern (Graduierten-Kolleg "Zelluläre Grundlagen Biotechnologischer Prozesse"), DFG.


III. Wissenschaftliche Veröffentlichungen (Originalarbeiten und Buchbeiträge)
  1. Becker A, Rüberg S, Küster H, Roxlau A, Keller M, Ivashina T, Cheng H-P, Walker GC, Pühler A (1997). The 32-kb exp gene cluster of Rhizobium meliloti directing the biosynthesis of galactoglucan: genetic organization and properties of the encoded gene products. J. Bacteriol. 179, 1375-1384.
  2. Frühling M, Perlick AM, Roussel H, Gianinazzi-Pearson V, Pühler A (1997). The Vicia faba leghomoglobin gene VfLb29 is induced in root nodules and in roots colonized by the arbuscular mycorrhizal fungus Glomus fasciculatum. MPMI 10, 124-131.
  3. Niehaus K, Lagares A, Pühler A (1998). A Sinorhizobium meliloti lipopolysaccharide mutant induces effective nodules on the host plant Medicago sativa (alfalfa) but fails to establish a symbiosis with Medicago truncatula. MPMI 11, 906-914.
  4. Uhde C, Schmidt R, Jording D, Selbitschka W, Pühler A (1997). Stationary phase mutants of Sinorhizobium meliloti are impaired in stationary-phase survival or in recovery to logarithmic growth. J. Bacteriol. 179, 6432-6440.
  5. Wehmeier L, Schäfer A, Burkovski A, Krämer R, Mechold U, Malke H, Pühler A, Kalinowski J (1998). The role of the Corynebacterium glutamicum rel gene in (p)ppGpp metabolism. Microbiology 144, 1853-1862.
  6. Becker A, Katzen F, Pühler A, Ielpi L (1998). Xanthan gum biosynthesis and application: a biochemical-genetic perspective. Appl. Microbiol. Biotechnol. 50, 145-152.
  7. Becker A, Pühler A (1998). Specific amino acid substitutions in the proline-rich motif of the Rhizobium meliloti ExoP protein result in enhanced production of low-molecular-weight succinoglycan at the expense of high-molecular-weight succinoglycan. J. Bacteriol. 180, 395-399.
  8. Becker A, Pühler A (1998). Production of exopolysaccharides. In: Spaink HP, Kondorosi A, Hooykaas PJJ (eds.). The Rhizobiaceae. Molecular Biology of Model Plant-Associated Bacteria. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands. pp. 97-118.
  9. Bertram-Drogatz PA, Quester I, Becker A, Pühler A (1998). The Sinorhizobium meliloti MucR protein, which is essential for the production of high-molecular-weight succinoglycan exopolysaccharide, binds to short DNA regions upstream of exoH and exoY. Mol. Gen. Genet. 257, 433-441.
  10. Bertram-Drogatz PA, Rüberg S, Becker A, Pühler A (1997). The regulatory protein MucR binds to a short DNA region located upstream of the mucR coding region in Rhizobium meliloti. Mol. Gen. Genet. 254, 529-538.
  11. Dresing U, Hagen M, Selbitschka W, Pühler A, Keller M (1998). Reduced survival of a RecA-deficient Sinorhizobium meliloti strain in sterile and non-sterile soil during heat stress. FEMS Microbiol. Ecol. 27, 327-338.
  12. Dröge M, Pühler A, Selbitschka W (1998). Horizontal gene transfer as a biosafety issue: A natural phenomenon of public concern. J. Biotechnol. 64, 75-90.
  13. Götting C, Thierbach G, Kalinowski J, Pühler A (1998). Versatile low-copy-number plasmids for temperature-inducible overexpression of bacterial genes in Escherichia coli. Biotechniques 24, 362-366.
  14. Hagen M, Pühler A, Selbitschka W (1997). The persistence of bioluminescent Rhizobium meliloti strains L1 (RecA-) and L33 (RecA+) in non-sterile microcosms depends on the soil type, on the co-cultivation of the host legume alfalfa and on the presence of an indigenous R.meliloti population. Plant and Soil 188, 257-266.
  15. Hoffmann A, Thimm T, DrögeM, Moore ERB, Munch JC, Tebbe CC (1998). Intergeneric transfer of conjugative and mobilizable plasmids harbores by Escherichia coli in the gut of the soil microarthropod Folsomia candida (Collembola). Appl. Environm. Microbiol. 64, 2652-2659.
  16. Jacq C, Alt-Mörbe J, Andre B, Arnold W, Bahr A, Ballesta JPG, Bargues M, Baron L, Becker A, Biteau N, Blöcker H, Blugeon C, Boskovic J, Brandt P, Brückner M, Buitrago MJ, Coster F, Delaveau T, del Rey F, Dujon B, Eide LG, Garcia-Cantalejo JM, Goffeau A, Gomez-Peris A, Granotier C, Hanemann V, Hankeln T, Hoheisel JD, Jäger W, Jimenez A, Jonniaux JL, Krämer C, Küster H, Laamanen P, Legros Y, Louis E, Möller-Rieker S, Monnet A, Moro M, Müller-Auer S, Nußbaumer B, et al. (1997). The nucleotide sequence of Saccharomyces cerevisiae chromosome IV. Nature 387 (suppl.): 75-78.
  17. Jäger W, Kalinowski J, Pühler A (1997). A Corynebacterium glutamicum gene conferring multidrug resistance in the heterologous host Escherichia coli. J. Bacteriol. 179, 2449-2451.
  18. Katzen F, Ferreiro DU, Oddo CG, Ielmini V, Becker A, Pühler A, Ielpi L (1998). Xanthomonas campestris pv. campestris gum mutants: effects on xanthan biosynthesis and plant virulence. J. Bacteriol. 180, 1607-1617.
  19. Kohring B, Baier R, Niehaus K, Pühler A, Flaschel E (1997). Production of nodulation factors by Rhizobium meliloti: fermentation, purification and characterization of glycolipids. Glycoconjugate J. 14, 963-971.
  20. Küster H, Albus U, Frühling M, Tchetkova SA, Tikhonovitch IA, Perlick AM, Pühler A (1997). The asparagine synthetase gene VfAS1 is strongly expressed in the nitrogen-fixing zone of broad bean (Vicia faba L.) root nodules. Plant Science 124, 89-95.
  21. Niehaus K, Becker A (1998). The role of microbial surface polysaccharides in the Rhizobium-legume interaction. In: Biswas BB, Das HK (eds.). Subcellular Biochemistry, Vol. 29: Plant-Microbe Interactions. Plenum Press, New York, USA. pp. 73-115.
  22. Niemann S, Keel C, Pühler A, Selbitschka W (1997). Biocontrol strain Pseudomonas fluorescens CHAO and ist genetically modified derivative with enhanced biocontrol capability exert comparable effects on the structure of a Sinorhizobium meliloti population in gnotobiotic systems. Biol. Fertil. Soils 25, 240-244.
  23. Niemann S, Pühler A, Selbitschka W (1997). Growth and nodulation competitiveness of Sinorhizobium meliloti L1 (RecA-) is less than that of its isogenic strain L33 (RecA+) but comparable to that of two S. meliloti wild-type isolates. Appl. Microbiol. Biotechnol. 47, 525-529.
  24. Niemann S, Pühler A, Tichy HV, Simon R, Selbitschka W (1997). Evaluation of the resolving power of three different DNA fingerprinting methods to discriminate among isolates of a natural Rhizobium meliloti population. J. Appl. Microbiol. 82, 477-484.
  25. Peters-Wendisch PG, Kreutzer C, Kalinowski J, Pátek M, Sahm H, Eikmanns BJ (1998). Pyruvate carboxylase from Corynebacterium glutamicum: characterization, expression and inactivation of the pyc gene. Microbiology 144, 915-927.
  26. Schäfer A, Tauch A, Droste N, Pühler A, Kalinowski J (1997). The Corynebacterium glutamicum cglIM gene encoding a 5-cytosine methyltransferase enzyme confers a specific DNA methylation pattern in an McrBC-deficient Escherichia coli strain. Gene 203, 95-101.
  27. Schröder G, Frühling M, Perlick AM, Pühler A (1997). The temporal and spatial transcription pattern in root nodules of Vicia faba nodulin genes encoding glycine-rich proteins. Plant Mol. Biol. 33, 113-123.
  28. Selbitschka W, Keller M, Pühler A (1997). Vorbereitung eines Freilandexperiments: Konstruktion und Charakterisierung von zwei leuchtmarkierten Rhizobienstämmen, die sich in ihrer Rekombinationsfähigkeit unterscheiden. BIUZ 27, 277-285.
  29. Steinmann D, Köplin R, Pühler A, Niehaus K (1997). Xanthomonas campestris pv. Campestris IpsI and IpsJgenes encoding putative proteins with sequence similarity to the a- and b-subunits of 3-oxoacid CoA-transferases are involved in LPS biosynthesis. Arch. Microbiol. 168, 441-447.
  30. Tauch A, Hermann T, Burkovski A, Krämer R, Pühler A, Kalinowski J (1998). Isoleucine uptake in Corynebacterium glutamicum ATCC 13032 is directed by the brnQ gene product. Arch. Microbiol. 169, 303-312.
  31. Tauch A, Zheng Z, Pühler A, Kalinowski J (1998). Corynebacterium striatum chloramphenicol resistance transposon Tn5564: genetic organization and transposition in Corynebacterium glutamicum. Plasmid 40, 126-139.


IV. Promotionen
  1. Margit Hagen, Überprüfung eines biologischen Eingrenzungs-Konzeptes für gentechnisch veränderte Rhizobien: Mikrokosmos-Analysen zur Populationsdynamik der biolumineszenten Rhizobium meliloti Modellstämme L1 (Rec--) und L33 (RecA+) im unsterilen Boden, April 1997
  2. Claudia Uhde, Identifizierung und Charakterisierung von transposon-indizierten Sinorhizobium meliloti Stationärphasemutanten: Molekulargenetische Charakterisierung einer Histidase-negativen Mutante mit eingeschränkter Lebensfähigkeit in der Stationärphase, Dezember 1997.

Entwicklungsbiologie und molekulare Pathologie Experimentelle Ökologie und Ökosystembiologie