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Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2021-11-01 - 2024-10-30

Die Auswirkungen von Hitze auf Pflanzen sind untrennbar mit dem Wasserverbrauch der Pflanzen verbunden. Hitzewellen haben sich mehr als verdreifacht, erwärmen sich um 2,3 K und gehen meist mit Trockenheit einher. Bei Hitze agieren die Spaltöffnungen an der Grenze zwischen Kühlung und kritischem Wasserverlust. Sobald sie sich schließen, hört die Kühlung auf, die Überhitzung der Blätter steigert die Transpiration und der Wasserverlust über die Kutikula wird entscheidend. Leider steigt die Permeabilität der Kutikula mit der Hitze exponentiell an. Es ist wenig bekannt über die strukturelle Basis der Veränderungen, ob die erhöhte kutikuläre Transpiration reversibel ist und ob eine Akklimatisierung möglich ist. Auch die Toleranz gegenüber verschiedenen Hitzedosen und die Wirkung auf die kutikuläre Transpiration ist weitgehend unbekannt. Um diese Wissenslücken zu schließen, werden Pflanzen in gemäßigten alpinen vs. tropischen Habitaten verglichen, die unterschiedlichen Hitzedosen (Intensität x Dauer) ausgesetzt sind. Dabei werden die folgenden Fragen behandelt: Was sind die habitatspezifischen Hitzedosen, Blatt-zu-Luft-Temperaturdifferenzen und Dampfdruckdefizite? Beeinflusst die Hitzedosis das Hitzeüberleben? Welche Hitzedosis, Dampfdruckdefizite und welches Pflanzenwasserpotential schließen die Spaltöffnungen? Wie reagiert die kutikuläre Transpiration auf verschiedene Hitzedosen und Dampfdruckdefizite? Sind hitze-induzierte Veränderungen der kutikulären Transpiration reversibel? Verändert die Hitzeeinwirkung die Kutikula-Struktur? Erklärt übermäßiger Wasserverlust Hitzeschäden? Das Projekt erforscht daher die Reversibilität und das Akklimatisierungspotential von Hitzeschäden der kutikulären Transpiration mit verschiedenen Ansätzen. Um Einblicke in die Kutikula von Pflanzen aus kalten vs. heißen Habitaten zu erhalten, werden RAMAN-Mikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie eingesetzt. Vom Labor zum Feld und von Molekülen zu Individuen reichend, verspricht die Studie umfassend neue Erkenntnisse zum Hitzeüberleben von Pflanzen. Die Ergebnisse werden wichtig sein, um das zukünftige Hitzerisiko für Pflanzen in einer global wärmeren Welt abzuschätzen.
Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2021-08-01 - 2024-07-30

Gefrierereignisse beeinträchtigen das Pflanzenleben erheblich. Biophysikalische Aspekte des Einfrierens sind weniger erforscht als molekulare Reaktionen, sind aber grundlegend für das Verständnis der Gefrierbeständigkeit. Während des harmlosen Einfrierens von Pflanzengeweben sammelt sich extrazellulär Eis an und die Zellen gefrieren im dehydrierten Zustand. Wie das Eiswachstum kontrolliert wird und wie das zelluläre Wasser an das Eis abgegeben wird, ist nach wie vor ein Rätsel. Da Pflanzen zu einem großen Teil aus Wasser bestehen, muss die Menge des gebildeten Eises beträchtlich sein. Während die Reduzierung des Wassergehalts Teil der Kälteakklimatisierung ist, überleben Frühlings- und Alpenpflanzen das Einfrieren mit hohem Wassergehalt. Es ist kaum etwas darüber bekannt, wie die wachsenden Eismassen verwaltet werden. Es gibt jedoch neuere Hinweise darauf, dass sich Eis in vorbestimmten Räumen ansammelt. Einige davon scheinen schon vorher zu existieren, andere werden durch Geweberisse gebildet. Wir stellen die Hypothese auf, dass 1) die räumliche Eingrenzung von Eismassen durch gezielte Eisabscheidung an bestimmten Stellen gesteuert werden muss. 2) Eismassen ein temperaturabhängiges Wachstum zeigen und 3) das Eismassenwachstum durch eisbeeinflussende Moleküle reguliert wird, die die Eismassenbildung lokal fördern oder hemmen, die gezielte Eissegregation erleichtern und die Eiskristallmorphologie beeinflussen. Mit neuen innovativen Methoden werden nun erstmals die biophysikalischen und chemischen Aspekte des Eiswachstums in Pflanzengeweben entschlüsselt: (1) Ein neues Kryo-Mikroskop mit reflektiert-polarisiertem Licht (CMrpl) erlaubt eine eindeutige und schnelle Visualisierung von Eismassen und die Analyse der Eiskristallform und ihrer Anhaftung an Zellwände. 2) Aktuelle Ergebnisse mit einem neuen Kalorimeter (µDSC 7 Evo) decken bisher unsichtbare, sehr geringe Gefrierprozesse in Blättern auf. 3) Mittels GC-MS werden molekulare Bestandteile von Eiskristallen und mittels RAMAN-Mikroskopie auch molekulare Bestandteile von Zellwänden und Zelllumina in der Nähe von Eis unstersucht.
Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2019-01-01 - 2021-12-31

Kohlenstoffröhren (engl. carbon nanotubes (CNTs)) sind zylinderförmige Nanostrukturen, die rein aus Kohlenstoffatomen aufgebaut sind. Auf Grund ihrer herausragenden mechanischen und elektrischen Eigenschaften, sowie thermischen Leitfähigkeit, werden CNTs bereits als Zusätze in neuen Werkstoffen eingesetzt. CNTs wurden in letzter Zeit aber auch für Anwendungen in der Medizin näher betrachtet, da sie auf Grund ihres geringen Durchmessers Zellen und Gewebe durchdringen können. Nachdem CNTs chemisch inert sind und sich z.B. in Wasser nicht lösen, muss ihre Oberfläche chemisch oder durch Binden von Biomolekülen angepasst werden, um so mit weiteren Molekülen beladen zu werden oder mit ihrer Umgebung in Wechselwirkung treten zu können. Dazu werden bevorzugt Proteine verwendet, da diese meistens gut biokompatibel sind und funktionelle Gruppen zum weiteren Binden anbieten. Aber, die Proteine - und somit deren funktionelle Gruppen - sind auf der CNT-Oberfläche meist nur unregelmäßig und auch nicht dicht gebunden. Eine Alternative zur Funktionalisierung von CNTs mit – zudem geschlossenen und hoch geordneten - Proteinschichten bieten S-Schichtproteine (engl. surface layer - Oberflächenschicht), die bereits seit langem zum Modifizieren von Oberflächen in der Nanobiotechnologie eingesetzt werden. S-Schichtproteine umschließen bei vielen Bakterienstämmen und bei allen Archaeen die Zellen vollständig und können als eine der häufigsten Biopolymere der Erde angesehen werden. S-Schichten zeigen Gitterparameter im Nanometerbereich, wobei sich auf Grund ihrer Struktur chemisch funktionelle Gruppen und genetisch eingebrachte funktionelle Domänen an streng definierten Positionen und in gleicher Orientierung wiederholen. Eine wesentliche Eigenschaft von S-Schichtproteinen liegt aber in ihrer Fähigkeit, von selbst wieder zweidimensionale Gitter in Lösung und an Grenzflächen, wie z.B. an festen Trägern, auszubilden. Das Projektziel liegt in der Erforschung der Rekristallisation von S-Schichtproteinen auf Kohlenstoffröhren und in der Anwendung der Erkenntnisse zur Herstellung neuartiger Materialien, wie z.B. für die Biosensorik. Der Schlüssel dazu liegt in den Eigenschaften der S-Schichtproteine selbst, die eine hochspezifische Funktionalisierung der CNT Oberfläche erlauben. Im weiteren sollen neuartige Hybridstrukturen, wie z.B. Container zum Transport von Wirkstoffen, auf der Grundlage der Biomineralisation an S-Schichten entwickelt werden. Weiters sollen metallische Nanopartikel in den Poren der S-Schicht, also direkt auf dem Kohlenstoffgitter, abgelagert und somit die elektronischen Eigenschaften der „ein-dimensionalen“ Kohlenstoffröhren direkt beeinflusst werden. Diese Beispiele eines Bausatzes aus S-Schicht und Kohlenstoffröhren zeigen, dass dieses Projektes zu einer neuen Technologie zur biologischen Funktionalisierung von Kohlenstoffröhren führen kann.

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