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Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2020-09-01 - 2023-08-31

Die Reduktion des Herbizideinsatzes ist ein wichtiges Ziel für unsere Gesellschaft und Umwelt, da die Besorgnis über das zunehmende Auftreten von herbizidresistentem Beikraut und die ökologisch nachteiligen Konsequenzen des Einsatzes von Herbiziden kontinuierlich wächst. Mehrere Arten von Zwischenfrüchten sind für die Unterdrückung von Beikraut bekannt und stellen eine ökologisch unbedenkliche Alternative zum Ausbringen von Herbiziden dar. Um den effizienten Einsatz von Zwischenfürchten zu ermöglichen ist allerdings ein besseres Verständnis der Mechanismen die zur Beikrautunterdrückung führen notwendig. Zusätzlich zur Konkurrenz um Ressourcen kann die Unterdrückung des Wachstums aus direkten Interaktionen der Pflanzenwurzeln resultieren. Wir konnten nachweisen, dass die Zwischenfrüchte Fagopyrum esculentum (Buchweizen) and Avena strigosa (Rau-Hafer) wachstumsunterdrückend auf Amaranthus retroflexus (zurückgebogener Amarant) wirken, was mit hoher Wahrscheinlichkeit der Wirkung von Wurzelexsudaten dieser Zwischenfrüchte zu verdanken ist. Diese Ergebnisse haben uns motiviert weiterführende Untersuchungen durchzuführen und wachstumsreduzierende Komponenten zu identifizieren. Damit werden die folgenden Hypothesen untersucht: (H1) Die ausgewählten Zwischenfrüchte erkennen die Präsenz heterospezifischer Nachbarpflanzen via interagierender Wurzelsysteme, was eine Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Exsudate zur Folge hat. (H2) Die Exsudation bestimmter Komponenten wird durch eine artspezifische Erkennung hervorgerufen, wohingegen die Exsudation anderer Komponenten durch die generelle Präsenz einer anderen Pflanze ausgelöst wird. (H3) Bestimmte Moleküle aus Wurzelexsudaten der Zwischenfrüchte haben eine wachstumsunterdrückende Wirkung. (H4) Wachstumsunterdrückende Effekte erfolgen aufgrund von Veränderungen des Transkriptoms von Arabidopsis thaliana (Acker-Schmalwand) und Brachypodium distachyum (zweigrannige Zwenke). (H5) Die Zusammensetzung der Wurzelexsudate dieser Pflanzen ändert sich in Abhängigkeit der benachbarten Zwischenfruchtart. (H6) Vermeintlich wachstumsunterdrückende Komponenten können in landwirtschaftlichen Böden nachgewiesen werden. Unser methodischer Ansatz beinhaltet einen bereits validierten “split-root” Aufbau, welcher das differentielle Sammeln von Wurzelexsudaten zulässt. Dazu werden zuerst Versuche in inertem Glassand durchgeführt. Die differentielle chemische Analyse der Exsudate wird mit der Kombination von chromatographischen und akkuraten massenspektrometrischen Methoden erfolgen. Für die Identitätsbestätigung von signifikanten Substanzen werden Datenbanken mit akkurater monoisotopischer Masse und Fragmentspektren herangezogen. Danach werden Wurzelexsudate und Bodenlösungen von in Böden wachsenden Pflanzen gesammelt um das Vorkommen der identifizierten Substanzen unter Realbedingungen zu bestätigen. Darüber hinaus werden phänotypische Veränderungen sowie Veränderungen des Transkriptoms, die durch direkte Wurzelinteraktionen sowie durch ausgewählte Komponenten hervorgerufen werden in Arabidopsis thaliana und Brachypodium distachyum untersucht. Die Ergebnisse unserer Studie werden neue Erkenntnisse zur Interaktion von Pflanzen im Boden und wichtige Informationen zur Entwicklung und zum Einsatz von Beikraut-unterdrückenden Zwischenfrüchten beinhalten. Insgesamt kann mit dem Projekt ein weiterer Schritt in der Entwicklung neuer Anbaustrategien für ein verbessertes integriertes Unkrautmanagement erfolgen.
Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2019-04-01 - 2021-03-31

Das Projekt „Erneuerbare turbulente Flusschromatographie für Exposomics“ wird von Dr. David J. Cocovi-Solberg an der BOKU Wien unter der Betreuung von Assoz. Prof. Dr. Stephan Hann durchgeführt. Ziel des Projekts ist die Entwickelung von neuen Systemen zur Realisierung von automatisierten Analysen im Bereich von Studien zum „Exposom“. Während in der klassischen Umweltanalytik die Ermittlung der Konzentration einzelner Substanzen in verschiedenen Umweltkompartimenten im Vordergrund steht, beschäftigt sich die Exposom-Analytik mit der Untersuchung der möglichen toxischen oder gesundheitsschädigenden Auswirkung aller auf den Menschen einwirkenden Umwelteinflüsse und Substanzen. Exposom-Studien stellen eine große Herausforderung dar und sind sehr komplex, da viele verschiedene Stoffe mit teilweise sehr geringen Konzentrationen („part per billion-levels“) in einer Vielzahl von Proben untersucht werden müssen. Die Massenspektrometrie ist die Methode der Wahl für solche Studien, wobei ein Nachteil bei der geringen Robustheit dieser Systeme bezüglich Proben mit hohem Matrixgehalten besteht. Als Folge müssen die Proben in mehreren Aufarbeitungsschritten vorbereitet werden. Dies ist mit einem hohen Zeitaufwand und einem hohen Verbrauch von Chemikalien verbunden, muss aber zur Abtrennung von Probenbestanteilen durchgeführt werden, um richtige Ergebnissen zu erzielen und die hohe Performance und lange Lebensdauer der Geräte zu gewährleisten. Zur Verbesserung dieser Situation werden im Projekt an der BOKU unter der Nutzung von speziellen Ventilen, Pumpen und 3D-gedruckten Komponenten neue Systeme entwickelt, welche eine vollautomatisierte Probenvorbereitung ermöglichen, bei der störende Probenbestandteile abgetrennt und eine empfindliche Bestimmung der Zielanalyten ermöglicht wird. Das Herz dieser Systeme besteht aus der sogenannten turbulenten Flusschromatographie (TFC), einer schon länger bekannten Methode, welche auf den Vorteilen eines turbulenten Flussregimes im Zusammenhang mit partikulären Festphasen besteht, aber nie im Kontext Exposom angewandt worden ist. Mit Hilfe der heutigen technischen Möglichkeiten (IT-Lösungen, 3D-Druck, neue Materialien) wird im vorliegenden Projekt das Konzept TFC neu entwickelt und implementiert werden. Das neue System wird komplexe Probenvorbereitungsschritte in automatisierter Form, ohne dass manuelle Eingriffe notwendig sind, durchführen und die genaue Analyse einer Vielzahl von Substanzen ermöglichen.
Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2018-12-05 - 2021-12-04

Obwohl die Ionenmobilitäts-Massenspektrometrie in Verbindung mit "all-ions" basierten QTOFMS Analysenstrategien eine sehr leistungsstarke Analytik ermöglicht, treten im Bereich Metabolomics immer wieder schwierige Fragestellungen und Matrices auf, welche auch für diese Methode eine große Herausforderung darstellen. In diesem Zusammenhang bietet der Einsatz der driftzeitgesteuerten „breitband“ Precursorauswahl mit nachfolgender Fragmentierung eine wertvolle Alternative. Bei diesem workflow kann die angewandte Kollisionsenergie mit der Driftzeit der Metaboliten korreliert werden. Die Technologie hat ein hohes Potential, wurde aber noch nicht für wichtige Zielanalyten oder Matrices getestet. Im vorliegenden Projekt werden die Parameter und der datamining workflow für die Kombination der Breitband-Quadrupol-Isolierung mit der Ionenmobilität optimiert und für die Identifizierung und Quantifizierung von Metaboliten in schwierigen biologischen Proben und Umweltproben vorbereitet.

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