In der Allgemeinen und Angewandten Botanik befassen wir uns mit drei Forschungsrichtungen:
Erstens mit der symbiotischen Interaktion zwischen Pflanzenwurzeln und spezialisierten Pilzen bei der arbuskulären Mykorrhiza nebst Auswirkungen auf den Nährwert der oberirdischen Organe für Insekten,
Zweitens mit Pflanzenentwicklungsbiologie und Hormonphysiologie, und
Drittens mit Sauerstoffmangel in Pflanzen undStickstoffmonoxid als Signalmolekül
Diese Richtungen werden in Projekten zur Untersuchung des Zusammenspiels dieser Faktoren zusammengeführt.

Forschungsobjekte der AG Krajinski
Die Pflanze Medicago truncatula (Schneckenklee), der Mykorrhizapilz Rhizophagus irregularis und der Schmetterling Spodoptera exigua, die Forschungsobjekte der AG Krajinski

Mehr als 80 % aller Landpflanzen und somit fast alle Nutzpflanzen sind in der Lage mit arbuskulären Mykorrhizapilzen (AM-Pilzen) eine symbiontische Lebensgemeinschaft auszubilden. Für die Pflanzen ergeben sich aus der AM-Symbiose viel Vorteile. Die Versorgung mit Nährstoffen verbessert sich und die Pflanzen zeigen auch eine bessere Toleranz gegenüber biotischem und abiotischem Stress.

Die AM-Symbiosen sind ubiquitär und kommen in fast allen landwirtschaftlich genutzten und natürlichen terrestrischen Ökosystemen vor.

Sie beeinflussen Wachstum, Vermehrung, Diversität von Pflanzen, aber auch wichtige Ökosystemfunktionen wie Stoffkreisläufe (C, N, P) in erheblichen Maß.

Trotz ihrer enormen ökonomischen und ökologischen Bedeutung sind die molekularen Mechanismen von AM-Symbiosen aufgrund der obligaten Biothrophie von AM-Pilzen allerdings noch immer kaum verstanden. Unsere Forschung beschäftigt sich mit physiologischen und zellbiologischen Aspekten der molekularen Steuerung der AM-Symbiosen und ihren Auswirkungen auf die Stresstoleranz von Pflanzen.

Die beteiligten Pilze ordnet man den Arbuskulären Mykorrhizapilzen der Abteilung (Phylum) Glomeromycota zu.

Als eine Modellpflanze für die Untersuchung der molekularen Grundlagen dieser Symbiose wird in unserer Arbeitsgruppe die Leguminose Medicago truncatula verwendet.

Medicago truncatula, die Modellpflanze für arbuskuläre Mykorrhiza
Medicago truncatula, die Modellpflanze zur Untersuchung der arbuskulären Mykorrhiza
Das Cytokinin Isopentenyladenin und spät blühende Arabidopsis-Pflanzen
Die Molekülstruktur des Cytokinins Isopentenyladenin und zwei spät blühende Mutanten im Vergleich zum Wildtyp von Arabidopsis thaliana, der Acker-Schmalwand

Hormonphysiologie

Cytokinin ist ein Pflanzenhormon, das über den gesamten Lebenszyklus einer Pflanze verschiedene Wirkungen hat. So kontrolliert es das Wachstum von Spross und Wurzel, ist am Austreiben von Seitensprossen und der Bildung von Seitenwurzeln beteiligt und spielt eine Rolle bei der Abwehr von Pathogenen.

Schema der Signaltransduktion des Pflanzenhormons Cytokinin
Schematische Darstellung der Signaltransduktionskette des Pflanzenhormons Cytokinin mit negativer Rückkopplung

Nachdem ein plötzlicher Anstieg der Cytokininkonzentration von membranständigen Rezeptoren perzipiert wurde, gelangt das Signal über eine Histidin-Aspartat-Phosphoylierungskette in den Zellkern, wo es Transkriptionsfaktoren aktiviert. Diese induzieren die Transkription der primären Cytokinin-Antwortgene. Darunter sind negative Rückkopplungsregulatoren, die bewirken, dass die Transkription der primären Antwortgene selbst bei konstant hoher Cytokininkonzentration rasch wieder abnimmt. Diese Dynamik zu untersuchen ist Gegenstand eines laufenden Forschungsprojekts. Der genaue Zeitverlauf ist noch ebenso wenig untersucht wie das Geschehen nach einem plötzlichen Abfall der Cytokininkonzentration.

Pflanzenentwicklungsbiologie

Das Leben einer Pflanze gliedert sich in eine Reihe von Entwicklungsphasen, die nach einem genauen Plan ineinander übergehen. Die Phasenübergänge können von verschiedenen Einflüssen gesteuert werden, die entweder aus der Umwelt auf die Pflanze einwirken oder aus der Pflanze selbst kommen. Der richtige Zeitpunkt von manchen Phasenübergängen kann über das Überleben und die erfolgreiche Fortpflanzung einer pflanzlichen Individuums bestimmen. Dies gilt besonders für die Keimung und den Zeitpunkt der Blüte.

F-Box-Proteine sind Signalmoleküle, deren Wirkprinzip die Einleitung des gezielten Abbaus anderer Proteine ist. So wird das Signal des Pflanzenhormons Auxin über F-Box-Proteine vermittelt, die bewirken, dass transkriptionshemmende Proteine gezielt abgebaut werden, wodurch die Transkription der primären Antwortgene der Auxinantwort induziert wird.

Mutanten zweier noch uncharakterisierter, redundant funktionierender F-Box-Proteine in Arabidopsis thaliana, der Acker-Schmalwand, zeigen eine auffällige Verzögerung beim Beginn der Blüte. Außerdem gibt es Hinweise darauf, dass die Bildung des Samens nach der Befruchtung verzögert beginnt. Die Funktion der beiden F-Box-Proteine ist essentiell, denn es existieren keine Pflanzen, bei denen beide Proteine funktionslos sind. Beim vollständigen Funktionsverlust können wichtige Phasenübergänge nicht mehr eingeleitet werden und die Entwicklung des Samens findet nicht mehr statt.

Im laufenden Projekt werden die Auswirkungen eines teilweisen Ausfalls der Funktion dieser beiden F-Box-Proteine gründlich untersucht. Dazu muss eine weitere Mutante mit Hilfe der CRISPR-Cas9-Technik hergestellt werden. In einem Folgeprojekt sollen die Zielproteine der F-Box-Proteine identifiziert werden, die abgebaut werden müssen, bevor Phasenübergänge stattfinden können.