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Unterschiedliche Baumsaaten werden in Händen gehalten, darunter Zapfen und Bucheckern
Unterschiedliche Baumsaaten werden in Händen gehalten, darunter Zapfen und Bucheckern
Institut für

FG Forstgenetik

Genetische Technologien

FNR-Nachwuchsforschungsgruppe

Die Gruppe "Genetische Technologien" ist eine eigenständige Nachwuchsforschungsgruppe am Thünen-Institut für Forstgenetik, die durch die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) gefördert wird.

Wir erforschen die CRISPR/Cas-vermittelte Genomeditierung von Bäumen, insbesondere ob und wie diese Methoden in Gehölzen funktionieren und welche Potenziale und Risiken damit verbunden sind. Damit erweitern wir das Wissen hinsichtlich dieser Technologien in Baumarten, das häufig auf Ergebnissen der Kulturpflanzenforschung basiert.

Neben dieser technologischen Forschung leistet die Gruppe Genetische Technologien bedeutende Forschung im Bereich der Klimaanpassung. Pappeln dienen uns als Modellorganismen, an denen der genetische Hintergrund von Trockenstresstoleranz erforscht wird. Durch eine experimentelle Veränderung der beteiligten Gene wollen wir Rückschlüsse auf ihre Funktion ziehen. Die Ergebnisse sollen auf die bedeutendste deutsche Laubbaumart, die Rotbuche Fagus sylvatica, übertragen werden.

In einem Teilprojekt untersuchen wir die Genexpression von Rotbuchen unterschiedlicher Herkünfte unter Trockenheitsstress. Damit erhoffen wir uns Erkenntnisse zur natürlichen Stressantwort von Rotbuchen und welche Unterschiede zwischen mittel- und südeuropäischen Rotbuchen bestehen. Mit unseren Partnern verbinden wir genetische, molekulare und physiologische Analysen.


Mitarbeitende

Dr. Tobias Brügmann (Nachwuchsgruppenleiter)
Alexander Fendel (Doktorand)
Virginia Zahn (Doktorandin)
Alice-Jeannine Sievers (Wissenschaftliche Assistentin)
Susanne Jelkmann (Technische Assistentin)

Caroline Schmidt (BTA-Auszubildende)
Keelin Meyer (Bachelorandin, ab Oktober 2022)


Neuigkeiten aus der Nachwuchsforschungsgruppe

September 2022: Drei Konferenzen in drei Wochen

"Botanik-Tagung" der Deutschen Botanischen Gesellschaft in Bonn

Die eigenen Forschungsprojekte auf Konferenzen zu präsentieren und mit Fachleuten zu diskutieren, gehört zu einer der Kernaufgaben für Forschende. Virginia, Alexander und Tobias haben von Ende August bis Mitte September einen wahren Konferenzmarathon hingelegt:

Bei der Botanik-Tagung vom 28. August bis zum 1. September 2022 in Bonn schnupperten Virginia und Alexander erste "internationale Tagungsluft", auf die pandemiebedingt länger gewartet werden musste. Insgesamt mit zwei Vorträgen und zwei Postern war unsere Forschungsgruppe vertreten.

"PlantEd Meeting" der EU-COST Action PlantEd in Düsseldorf

Erfreuliches Ende der Tagung vom 5. bis zum 7. September: Das Poster von Tobias mit dem Titel "On track towards DNA-free genome editing", das über die gemeinsamen Forschungen mit Gastwissenschaftler Stefano Biricolti, Matthias Fladung und Dirk Becker von der Universität Hamburg berichtet, kam sehr gut bei den Tagungsbesuchern an. Tobias wurde dafür mit einem von drei Posterpreisen der Tagung ausgezeichnet.

"Sektionstagung Forstgenetik/Forstpflanzenzüchtung" der DVFFA in Ahrensburg

Eine forstlich orientiere Tagung haben wir vom 12. bis zum 14. September besucht. Gleich den ersten Vortrag des Tages durfte Tobias halten mit einer ausführlichen Übersicht: Der Vortrag "Neue biotechnologische Methoden für Gehölze" gab einen Überblick über die Nobelpreis-ausgezeichnete CRISPR/Cas-Technik und Forschungsstand in Gehölzen. Anschließend berichtete Virginia über ihre bislang erfolgreichen Arbeiten zur Etablierung einer stabilen in vitro-Kultur der Rotbuche (Fagus sylvatica), die ein Grundstein für die weitere molekularbiologische Bearbeitung bilden soll. Alexander stellte Züchtungsmethoden dar, die in einjährigen Kulturpflanzen bereits gut etabliert sind, aber bislang kaum Einfluss in die Forstpflanzenzüchtung gefunden haben. Auch wenn das noch als Zukunftsmusik verstanden werden darf, zeigte er auf, wie ein präziser Züchtungansatz auf die Trockenstresstoleranz von Bäumen wirken kann.

Stressversuch im Klimawald

Kooperation mit der Freien Universität Berlin und der Universität Concepción (Chile)

Rotbuchen (Fagus sylvatica) haben ein großes Verbreitungsgebiet. In Mitteleuropa ist die Rotbuche die häufigste Laubbaumart. Am südlichen Rand des Verbreitungsgebiets, in Nordspanien, Südfrankreich und Süditalien, sind Rotbuchen mit anderen klimatischen Bedingungen konfrontiert: Die Jahresdurchschnittstemperatur liegt über den deutschen Werten; die Niederschlagsmenge ist geringer als in Deutschland.

Wie unterscheidet sich die natürliche Stressantwort von Rotbuchen verschiedener Herkünfte unter Trockenstress?

Werden Gene in Rotbuchen aus Süditalien schneller eingeschaltet als in Rotbuchen aus Mitteleuropa?

Ist zwar die genetische Grundausstattung vergleichbar, aber die Regulation ausschlaggebend?

Unter der Projektleitung von PD Dr. Manfred Forstreuter (Freie Universität Berlin) wurde ein Klimawald angelegt, in dem Rotbuchen von unterschiedlichen Herkünften gepflanzt wurden. In einem weltweit einzigartigen Versuchsdesign wurden Wasserleitungen auf dieser Buchen-Versuchsfläche verlegt, sodass einzelne Versuchsglieder (eine Gruppe von Bäumen) bewässert werden können, während andere Versuchsglieder im Sommer vom (natürlicherweise eintretenden) Trockenstress beeinflusst werden.

Expressionsanalysen

Wir beernten die Bäume verschiedener Herkünfte bei unterschiedlichen starken Stressbedingungen. Anschließend steht eine Expressionsanalyse an: Zusammen mit Forschenden der Universität Concepción (Chile) möchten wir aufklären, welche Gene "den Unterschied machen". Dazu untersuchen wir gemeinsam mit dem Team von Dr. Sofia Valenzuela die gesamten mRNA-Moleküle, die in den Blättern gebildet werden.

Anhand der Ergebnisse kann geklärt werden:

  • Welche natürliche Reaktion zeigen die Rotbuchen unter Trockenstress: Welche Gene werden ein- bzw. ausgeschaltet?
  • Wie schnell reagieren die Rotbuchen auf den Trockenstress: Wie schnell und wie stark wird die Genexpression reguliert?
  • Hängt die standortabhängige, unterschiedliche Stresstoleranz mit einer unterschiedlichen Genregulation zusammen: Werden Gene in norddeutschen und süditalienischen Rotbuchen unterschiedlich exprimiert?

Durch die Ergebnissen erhoffen wir uns Einblicke in Stressantwort unter naturnahen Bedingungen - ein Vorteil des Freilandversuchs. Die als relevant identifizierten Gene können einerseits im Züchtungsprozess berücksichtigt werden als auch in natürlichen Buchenbeständen untersucht werden, um geeignetes Vermehrungsgut zu verwenden, das besser an Trockenstress und somit den Klimawandel angepasst ist.

Juni 2022: Wechsel bei unseren Gästen

Willkommen, Stefano! Seit Anfang Juni haben wir mit Prof.Stefano Biricolti einen Gastwissenschaftler in unserer Forschungsgruppe. Der Biologe aus Florenz unterstützt uns bei der Erforschung neuer Editierungsmechanismen.

Gratulation, Thalia! Unsere Bachelorandin Thalia von Nethen hat im Juni ihre Abschlussarbeit "Promotortests in Nicotiana benthamiana zur Optimierung der Effizienz von CRISPR/Cas-vermittelter Genomeditierung" erfolgreich verteidigt und damit ihr Biotechnologie-Studium an der Hochschule Emden-Leer abgeschlossen. Vereinfacht haben wir im Projekt von dieser Bachelorarbeit profitiert, indem Thalia u.a. unterschiedliche Promotorkonstrukte kloniert und getestet hat, mit denen wir die Genomeditierung antreiben wollen.

April 2022: Engagiert in der Lehre

Die FNR-Nachwuchsforschungsgruppe enthält ausdrücklich, so die Richtlinie der Förderinitiative und die Projektgenehmigung, die Beteiligung an der Ausbildung wissenschaftlichen Nachwuchses. Dazu gehört einerseits das Promotionsvorhaben der beiden wissenschaftlichen Angestellten sowie die Übernahme universitärer Lehrveranstaltungen durch den Gruppenleiter. Im April 2022 geht's los: Tobias Brügmann ist im Bachelor-Praktikum Genetik und Molekularbiologie der Universität Hamburg beteiligt.

Februar 2022: Farbenspiel

Ein kleiner fachlicher Einblick vom Februar: Viele Literaturberichte und persönliche Erfahrungen haben uns dazu bewogen, uns einen Ruby-exprimierenden Vektor zuzulegen. Ruby ist ein pink-roter Farbstoff, der von Pflanzenzellen produziert werden kann, sobald das Gen dafür übertragen ist. Wir nutzen Ruby als optischen Marker, um einfach zu erkennen, ob neue Transformationsmethoden funktioniert haben. Unsere "Chef-Kloniererin" Virginia hat schnell einige Umklonierungen durchgeführt, sodass wir das System nun in unterschiedlichen Ansätzen nutzen können.
Derweil ist Alexander dabei, unterschiedliche Trockenstressexperimente im Gewächshaus durchzuführen und - fast noch wichtiger - passende invasive und nicht-invasive Analysemethoden in unserem Labor zu etablieren. Schon mal vom DAB Staining gehört? Mit dieser Methode lässt sich oxidativer Stress in Blättern sehr anschaulich feststellen: Nach Behandlung mit DAB färben sich gestresste Bereiche der Pappelblätter braun.

Januar 2022: Neue Pläne für das Projekt

Im Januar haben wir uns für das neue Jahr aufgestellt: Bei einem Projekttreffen haben wir uns einen Überblick über unseren Forschungsstand verschafft, Herausforderungen und Ergebnisse diskutiert und Pläne für die Zukunft geschmiedet. Als exzellente wissenschaftliche Berater waren PD Dr. Matthias Fladung und Dr. Niels Müller aus der Forstgenetik und Dr. Götz Hensel von der HHU Düsseldorf beteiligt.
Mit Inka Stange von der CAU Kiel haben wir eine zweite Bachelorandin in der Forschungsgruppe, die von Alexander mit einem Thema zur Trockenstresstoleranz von Pappeln betreut wird. Zudem haben wir Unterstützung einer BTA-Auszubildenden erhalten: Rose Becker arbeitet bei uns mit bis zum April 2022.

Dezember 2021: Unsere Forschung im Fernsehen

In der ARTE-Reportage "42 - Die Antwort auf fast alles" hat Tobias Brügmann einige Ansätze unserer Forschungsarbeit dargestellt. Das Video der Folge "Wie retten wir die Bäume?", auch mit der Thünen-Kollegin Hilke Schröder, ist in der Mediathek zu sehen: Hier ansehen!

November 2021: Eine neue Bachelorandin unterstützt uns

Eine neue Bachelorandin hat in unserer Forschungsgruppe angefangen: Thalia von Nethen von der Hochschule Emden-Leer wird in den nächsten Monaten ein spannendes Thema bearbeiten. Bei ihr wird es um DNA-freie Genomeditierungsmethoden gehen. Mit diesem Thema schließt sie an die Arbeiten aus dem abgeschlossenen Drittmittelprojekt "aProPop" an.
Im Laborjournal (Seite 24) ist ein Interview mit Gruppenleiter Tobias zu finden.

Oktober 2021: Austausch mit Kolleg:innen der Pflanzenzüchtung

Mit gleich drei Personen haben wir an der Sektionstagung der Gesellschaft für Pflanzenzüchtung in Geisenheim teilgenommen. Virginia und Alexander haben in einem Vortrag die Ziele ihrer Arbeiten dargestellt. Tobias hat einen umfassenden Überblick über den Stand der Genomeditierung in Bäumen gegeben.

September 2021: Neue Inspirationen durch den Austausch unter Kolleg:innen

Konferenzmonat: Virginia, Alexander und Tobias haben ihre Arbeiten beim Workshop "Molekulare Züchtung" der Gesellschaft für Pflanzenbiotechnologie dargestellt. Zudem war Tobias bei einer EU-Tagung in Lecce (Italien), um u.a. von DNA-freier Genomeditierung und Spezial-Anwendungen jenseits einfacher CRISPR/Cas-Knockouts zu berichten.


Studium & Ausbildung

Bei uns können Bachelor- und Masterarbeiten sowie Uni-Praktika absolviert werden. Ferner beteiligen wir uns an der Ausbildung von Biologisch-Technischen Assistent:innen. Die Auszubildenden sind in viermonatigen Blöcken in unserem Forschungsbetrieb eingebunden. Bei Interesse oder Fragen hierzu wenden Sie sich bitte an den Tobias Brügmann.

Prof. Dr. Stefano Biricolti (Gastwissenschaftler aus Florenz/Italien)

Thalia von Nethen (2022) Promotor-Tests in Nicotiana benthamiana zur Optimierung der Effizienz von CRISPR/Cas-vermittelter Genomeditierung
Bachelorarbeit, Studiengang Biotechnologie, Hochschule Emden-Leer

Inka Stange (2022) Titel in Ausarbeitung
Bachelorarbeit, Studiengang Biologie, CAU Kiel

Rose Becker (2022)
BTA-Auszubildende

Stefan Zebbedies (2021) Etablierung der Nickase-Genomeditierung in Pappeln.
Bachelorarbeit, Studiengang Nachwachsende Rohstoffe, Hochschule Hannover

Oliver Sulkowski (2020) Molekularbiologische Untersuchung auf erhöhte Salz- und Trockenstresstoleranz in SCL4- und SCL7-überexprimierenden Pappelhybriden (Populus × canescens).
Bachelorarbeit, Studiengang Bioinformatik (Biotechnologie), Hochschule Emden-Leer


Kooperationen

Der Arbeitsbereich Genetische Technologien interagiert mit Wissenschaftler:innen mehrerer Forschungsinstitutionen. Dies sind insbesondere:

  • Genomforschung am Thünen-Institut für Forstgenetik (PD Dr. M. Fladung)
  • Resistenzforschung am Thünen-Institut für Forstgenetik (Dr. B. Bubner)
  • Instytut Dendrologii Polskiej Akademii Nauk, Kornik, Polen (Prof. P. Chmielarz)
  • AG Ökologie der Pflanzen, FU Berlin (PD Dr. M. Forstreuter)
  • Universität Concepción, Chile (Dr. Sofia Valenzuela)
  • Herkunfts- und Züchtungsforschung am Thünen-Institut für Forstgenetik (Dr. M. Liesebach)
  • Holzkompetenzzentrum am Thünen-Institut für Forstgenetik (Dr. B. Degen)
  • AG Molekulare Pflanzengenetik, Universität Hamburg (Dr. D. Becker + Prof. Dr. J. Kehr)
  • Centre for Plant Genome Engineering, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (Dr. G. Hensel)
  • Universität Novi Sad, Bosnien-Herzegowina (Dr. V. Galovic)

Förderung

Die Nachwuchsforschungsgruppe Genetische Technologien wird vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft über die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) finanziell gefördert (Förderkennzeichen 2219NR359).

Das zugrundeliegende Projekt "TreeEdit" ist im Arbeitsbereich Genomforschung bei Projektleiter PD Dr. Matthias Fladung angesiedelt.

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