Gen om e d iver si ty

Abteilung Physiologie  
und Zellbiologie
Leiter:  Prof. dr. nicolaus von Wirén
Allgemeine Forschungsziele
aufklärung der Regulation von Stoffwechselvorgängen und 
entwicklungsprozessen in Pflanzen und in mikrobiellen ex-
pressionssystemen, mit dem vorrangigen ziel agronomisch 
relevante Merkmale in nutzpflanzen oder biotechnologische 
Verfahrensweisen zu verbessern.
Entwicklung im Berichtszeitraum
in der abteilung Physiologie und zellbiologie (Pzb) arbeiten 
vier arbeitsgruppen mit einem vorwiegend biochemisch-
physiologischen Methodenspektrum zum Metabolismus und 
Sensing von Pflanzennährstoffen (arbeitsgruppe Molekulare 
Pflanzenernährung und arbeitsgruppe Metalloidtransport) 
sowie zur Regulation vom Primärstoffwechsel und der physio-
logischen bedeutung von Sekundärmetaboliten unter Stress 
(arbeitsgruppen angewandte biochemie und Systembiologie). 
diese arbeitsgruppen erweitern damit auch das Spektrum an 
physiologischen Merkmalen, die beim Screening genotypi-
scher unterschiede in verschiedenen Pflanzenarten auch in 
Projekten anderer abteilungen aufgenommen werden. drei 
weitere arbeitsgruppen unserer abteilung wenden vorwie-
gend Methoden aus der entwicklungsbiologie, biotechnologie 
und zellbiologie an: die arbeitsgruppe Strukturelle zellbiolo-
gie setzt licht- und elektronenmikroskopische Verfahren zur 
Strukturanalyse und der Visualisierung von Genprodukten in 
Pflanzengeweben ein, während die arbeitsgruppe Pflanzliche 
Reproduktionsbiologie entwicklungsprozesse aufklärt, die mit 
der sexuellen und asexuellen Fortpflanzung assoziiert sind, 
und diese in die Verbesserung biotechnologischer Verfahren 
einbringt. die arbeitsgruppe hefegenetik nutzt hefen als Wirte 
für die Produktion rekombinanter Proteine, als Gendonor und 
biokatalysator oder als mikrobielle komponente für biosenso-
ren zur analyse von umweltparametern und für die überwa-
chung von Futter- und nahrungsmitteln. 
nach der berufung des Leiters der arbeitsgruppe Systembio-
logie, dr. björn Junker, an die universität halle-Wittenberg, 
wurde diese arbeitsgruppe im Jahr 2013 aufgelöst. die Labore 
wurden von der ag Metalloidtransport übernommen, die von 
dr. Patrick bienert geleitet und durch ein emmy-noether-Sti-
pendium der dFG finanziert wird.
in den letzten beiden Jahren wurde die breite analytische und 
zellbiologische Plattform der abteilung Pzb weiter ausgebaut. 
neben der vollständigen etablierung einer kompletten Mi-
neralstoffanalytik mit automatischem Probenverdau zur ele-
mentanalyse über icP-oeS, Sektorfeld-icP-MS oder isotopen-
verhältnis-Massenspektrometrie (arbeitsgruppe Molekulare 
Pflanzenernährung) wurde die konfokalmikroskopie durch ein 
Spinning-disk-System zum Live-cell-imaging dynamischer zel-

123
these platforms are used in particular to advance common de-
partmental research projects, such as the identification of bar-
ley genotypes or genes increasing salt tolerance, of secondary 
metabolites increasing nutrient efficiency or of substances and 
mechanisms for the initiation of embryonic development.
there was also a considerable extension of field trials. due to 
several new projects with plant breeders and the fertilizer in-
dustry the area for wheat, rapeseed and sugar beet trials has 
been enlarged and new field equipment has been acquired. 
in frame of German Plant Phenotyping network (dPPn), coor-
dinated by Prof. t. altmann, this also includes automated field 
phenotyping equipment for the hyperspectral analysis of the 
plant nutritional status. 
Some highlights that result mainly from departmental coop-
erations:
a cooperative approach including all groups of the Physiology 
and cell biology department investigates mechanisms and 
regulators of salt tolerance in barley. using a yeast comple-
mentation approach and structural and proteome analyses 
with mapping populations from parental lines with contrasting 
salt tolerance a series of candidate genes has been identified 
which are involved in salt stress responses (Witzel et al. 2009, J. 
exp. bot.; Witzel et al. 2010, Plant cell environ.; Witzel et al. 2013, 
Mol. Plant). a transgenic approach currently addresses the 
question whether and to what extent these candidate genes 
are able to confer salt tolerance in a salt-sensitive barley line.
in cooperation between the Molecular Plant nutrition group 
and the applied biochemistry group new secondary metabo-
lites were discovered, which enhance plant tolerance against 
iron deficiency. under iron deficiency, Arabidopsis plants in-
duce the biosynthesis and secretion of coumarins, among 
which esculetin provides strong Fe(iii)-chelating properties 
and allows the regreening of iron-deficient plants (Schmid et 
al. 2013, Plant Physiol.). this work also resulted from coopera-
tion with the iPb halle (Prof. d. Scheel) and the king’s college 
London (Prof. R.c. hider).
the Plant Reproductive biology group has been focusing on 
the emerging research field of genome engineering. Site-di-
rected mutagenesis in planta of dna target motives of choice 
using  Transcription Activator-Like Endonucleases (TALENs) 
has been established in barley. Such designer endonucleases 
allow for genetic modifications with unprecedented predict-
ability and precision and are thus deemed to be a new genera-
tion of biotechnological tools.
in continuation of the research towards the elucidation of 
initial mechanisms of pollen embryogenesis the groups Struc-
tural cell biology and Plant Reproductive biology in coopera-
tion with the group chromosome Structure and Function have 
teamed up to investigate structural and molecular particulari-
ties of chromatin modification in gametophytic (regular) 
versus embryogenetic pollen development (see Fig. 40,  
p. 133). through the analysis of chromatin modification using 
lulärer Prozesse ergänzt (arbeitsgruppe Strukturelle zellbiolo-
gie). zur Proteinidentifizierung und zum MS-basierten imaging 
von Metaboliten und Proteinen wurde ein MaLdi-toF-Gerät 
angeschafft (arbeitsgruppe angewandte biochemie). des Wei-
teren wurde eine uPLc-MS/MS-basierte Plattform zur bestim-
mung von Phytohormonen und eine komplementäre Lc-MS/
MS-anlage zur analyse von Primärmetaboliten etabliert (ar-
beitsgruppe Molekulare Pflanzenernährung). 
die breit angelegte Methodenplattform wurde auch zur bear-
beitung arbeitsgruppenübergreifender Projekte in der abtei-
lung eingesetzt. dies betrifft unter anderem die identifizierung 
von Gerstengenotypen und -genen zur erhöhung der Salzto-
leranz, von Sekundärmetaboliten zur Verbesserung der Mine-
ralstoffeffizienz und von Mechanismen zur beeinflussung der 
embryogenese.
die erweiterung von Feldversuchen insbesondere für Weizen, 
Raps und zuckerrüben sowie die anschaffung neuer Maschi-
nen und Geräte aufgrund neuer Projekte mit Pflanzenzüchtern 
und der düngemittelindustrie haben zudem zu einer substan-
ziellen erweiterung von Feldversuchsflächen geführt. im Rah-
men vom deutschen Pflanzenphänotypisierungs-netzwerk 
(dPPn), das von t. altmann koordiniert wird, werden derzeit 
fahrbare hyperspektralkameras zur automatisierten Phänoty-
pisierung des Pflanzenernährungszustands etabliert.
hervorzuheben sind folgende entwicklungen, die durch ko-
operationen innerhalb der abteilung entstanden:
in einem arbeitsgruppenübergreifenden Projekt der abtei-
lung Pzb werden Mechanismen und Regulatoren der Salzto-
leranz in Gerste untersucht. in kreuzungspopulationen von 
Gerste, deren elternlinien eine unterschiedliche Salztoleranz 
aufweisen, wurden durch  strukturelle und Proteomanalysen 
und einen hefekomplementationsansatz eine Reihe von kan-
didatengenen identifiziert, die in der pflanzlichen antwort auf 
Salzstress involviert sind (Witzel et al. 2009, J. exp. bot.; Witzel 
et al. 2010, Plant cell environ., Witzel et al. 2013, Mol. Plant). in 
einem transgenen ansatz wird derzeit geprüft, ob diese kan-
didatengene erhöhte Salztoleranz in einer salzempfindlichen 
Gerstenlinie vermitteln. 
in einer kooperation zwischen den arbeitsgruppen Moleku-
lare Pflanzenernährung und angewandte biochemie wurden 
neue Sekundärmetabolite entdeckt, die toleranz gegenüber 
eisenmangel erhöhen. unter eisenmangel induzieren Arabido-
psis-Pflanzen die biosynthese und Sekretion von coumarinen 
in die Rhizosphäre. unter diesen Wurzelexsudaten besitzen 
einige, wie z. b. esculetin, ausgeprägte eigenschaften als Fe(iii)-
chelatoren, die eisenmangelpflanzen wieder ergrünen lassen 
können (Schmid et al. 2013, Plant Physiol.). diese arbeit ent-
stand auch als ergebnis einer kooperation mit dem iPb halle (d. 
Scheel) und dem king’s college London (R.c. hider).
die ag Pflanzliche Reproduktionsbiologie hat frühzeitig auf sich 
abzeichnende Möglichkeiten des Genom-engineerings gesetzt 
und die herstellung und Verwendung zielsequenz-spezifscher 
Transcription Activator-Like (TAL)-Nukleasen für die in planta 

Abteilung Physiologie und Zellbiologie/
Department of Physiology and Cell Biology
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immunocytochemical methods and live cell imaging, the aim 
is to elucidate whether an epigenetic predisposition of micro-
spores is essential for the initiation of pollen embryogenesis. 
the results will facilitate the knowledge-based development of 
a powerful haploid technology and its implementation in prac-
tical plant breeding. 
using systems biology-based modelling the Yeast Genetics 
group succeeded in elucidating degradation pathways of n-
butanol, tannic acid and purines as well as adaptive response 
during the shift from aerobic to anaerobic conditions in the 
non-conventional yeast Arxula adeninivorans. the complete se-
quencing and annotation of its genome in combination with 
genetic and biotechnical tools (selection of respective mu-
tants, fusion products, mitotic segregants and transformants) 
allowed the identification and characterization of all enzymes 
(including the respective genes) of these important pathways. 
So far, Arxula is the first yeast exploiting n-butanol as a carbon 
source via butyraldehyde, butyric acid, butyryl coa, butyryl car-
nitine, butyryl coa and ß-oxidation.
in the biosensor laboratory of the Yeast Genetics group, new 
biosensors  and bioassays based on dna-dna or dna-Rna 
hydbridisations as well as protein-antibody or hormone/
pharmaceuticum-receptor interactions have been devel-
oped and validated for the fast and reproducible detection of 
phytopatho genic bacteria and Rna-viruses on plants as well as 
of hormonal activities, dioxins and pharmaceuticals in environ-
mental samples, feed or food. a new platform has been estab-
lished and first trials have begun for the semi-online detection 
and controlling of trace substances like pharmaceuticals as sum 
parameters in surface water and effluents of sewage plants.
nicolaus von Wirén, January 2014
Mutagenese nahezu frei wählbarer Motive genomischer dna 
bei Gerste etabliert. Solche designer-endonukleasen ermögli-
chen eine bislang unerreichte Vorhersagbarkeit und Präzision 
genetischer Veränderungen und gelten daher als neue Genera-
tion biotechnologischer Werkzeuge.  
in Fortführung der Forschungsarbeiten der arbeitsgruppen 
Strukturelle zellbiologie und Pflanzliche Reproduktionsbio-
logie zur aufklärung initialer Mechanismen der Pollen-em-
bryogenese werden in kooperation mit der ag chromoso-
menstruktur und -funktion die strukturellen und molekularen  
besonderheiten der Chromatinmodifikation vergleichend 
bei gametophytischer (normaler) und embryogenetischer 
Pollenentwicklung untersucht. die anwendung von immun-
cytochemischen Methoden (see Fig. 40, S. 133) und Live-cell-
imaging für die darstellung von chromatinmodifikationen soll 
klären, ob die epigenetische Prädisposition der Mikrospore in 
kausaler beziehung zur auslösung der Pollenembryogenese 
steht. die neuen erkenntnisse sollen als Voraussetzung für die 
wissensbasierte entwicklung einer leistungsfähigen haploiden-
technologie und deren nutzung in der praktischen Pflanzen-
züchtung dienen.
Mit der systembiologischen Modellierung der Abbauwege 
von n-Butanol, Tanninen und Purinen bzw. der beim trans-
fer von aeroben auf anaeroben bedingungen ablaufenden 
adaptationsprozesse gelang der ag hefegenetik am beispiel 
der hefe Arxula adeninivorans die aufklärung von bisher noch 
unbekannten bzw. nur teilweise charakterisierten eukaryoti-
schen Stoffwechselwegen. das am iPk komplett sequenzierte 
und annotierte Genom dieser hefe in kombination mit gene-
tischen und gentechnischen tools (herstellung entsprechen-
der Mutanten, Fusionsprodukte, mitotischer Segreganten 
und transformanten) erlaubte sowohl die identifizierung als 
auch die charakterisierung aller enzyme (einschließlich deren 
Gene) dieser sowohl für die Grundlagenforschung als auch für 
die biotechnologische Forschung äußerst bedeutenden Stoff-
wechselwege. So ist Arxula die bisher einzige bekannte hefe, 
die n-butanol als c-Quelle über butyraldehyd, buttersäure, 
butyryl-coa, butyryl-carnitin, butyryl-coa und weiter über die 
ß-oxidation verwerten kann. 
im biosensorlabor der ag hefegenetik wurden neue, auf dna-
dna- oder dna-Rna-hybridisierung bzw. auf Protein-antikör-
per- oder hormon/Phamazeutika-Rezeptor-interaktion basie-
rende  Biosensoren und Bioassays  entwickelt und validiert, 
mit denen sich phytopathogene bakterien und Rna-Viren an 
Pflanzen einerseits sowie hormonaktivitäten, dioxine und 
Pharmazeutika in umweltproben und nahrungs- oder Fut-
termitteln andererseits schnell, eindeutig und reproduzierbar 
nachweisen lassen. So konnte eine neuartige Messplattform 
zur Semi-Online-erfassung und überwachung von Spurenstof-
fen, insbesondere von arzneimittelwirkstoffen, als Summenpa-
rameter in oberflächenwasser und kläranlagenabläufen eta-
bliert und in den Probebetrieb genommen werden.
nicolaus von Wirén, Januar 2014

125
Ghaboli, Medhi (Ministry of Science, Research and technology 
iran, till 04.04.2012)
Ghaffari, Mohammad Reza (self-financed, 01.12.2012-
31.01.2013; 01.06.-31.10.2013)
Junker, björn, Prof. (self-financed, since 01.07.2013)
kim, Young-Min (self-financed, till 31.01.2012)
Leskova, alexandra, dr. (Scholarship Programme of Slovak 
Republic, 29.08.2012-30.11.2013; since 31.12.2013)
Liiving, tiina (self-financed, since 01.07.2013)
Müntz, klaus, Prof. (self-financed, till 31.12.2012)
Poskar, hart, dr. (self-financed, since 01.07.2013)
Goals
identification and characterization of morphological and physi-
ological responses of plants subjected to varying nutritional 
conditions and of the cross-talk of these responses with other 
abiotic or biotic stresses. ultimate goals are i) to uncover how 
plants sense the internal and external availability of nutrients 
and how nutrient sensing processes are integrated into root 
development and yield formation, and ii) to employ these re-
sponses to improve nutrient efficiency and stress tolerance in 
crops.
Research Report
Nutrient sensing. Plants alter their root system architecture 
(RSa) with the availability of mineral nutrients. internal nutrient 
deficiencies provoke systemic responses in RSa, while higher 
nutrient availabilities in restricted root zones provoke local re-
sponses. in most cases, such morphological responses to nutri-
ent supply are the result of nutrient sensing processes. 
to characterize the systemic regulation of RSa, Arabidopsis 
plants were cultured on agar medium and subjected to an 
increasing deficiency of all 14 essential mineral elements. a 
quantitative analysis of seven root traits allowed setting up a 
”compendium” for RSa changes under nutrient deficiencies. 
in cooperation with S. Friedel (data inspection group) we de-
veloped a plasticity chart as a tool that represents changes 
in root plasticity in a single graph (Gruber et al. 2013; Fig. 38,  
p. 126). current experiments aim at identifying “hubs” in the 
transcriptional regulation of nutrient-dependent changes in 
RSa (b. Gruber, R. Giehl). to characterize local responses in RSa 
we used horizontally- or vertically-split agar plates with local-
ized nutrient supplies and showed that under localized iron 
supply lateral roots respond with an enhanced elongation. this 
response relies on a local upregulation of the auxin transporter 
auX1 which allows the accumulation of shoot-derived auxin in 
lateral root apices to promote lateral root elongation (Giehl et 
al. 2012, Plant cell; Plant Sign. behav.). currently, we search for 
Research Group: Molecular Plant Nutrition
head:  Prof. nicolaus von Wirén
Scientists
IPK financed
araya, takao, dr. (since 15.05.2013)
barunawati, nunun (0,50, 01.07.-30.09.2012)
bauer, bernhard (0,50, till 30.04.2012)
bohner, anne, dr.  
donath, Sebastian (0,50, 01.09.-31.10.2012)
eroglu, Seckin (0,50, since 01.01.2013)
Ghaffari, Mohammad Reza (0,50/0,25, 01.06.-30.11.2012; 
01.02.-31.05.2013; 01.11.-31.12.2012)
Gruber, benjamin d., dr. (till 30.09.2012) 
hajirezaei, Mohammad R., dr.  
hettwer Giehl, Ricardo Fabiano, dr. 
Manasse Laginha, alberto (0,50, since 01.07.2013)
Schmid, nicole (0,50, since 01.01.2013)
Grant Positions
boylu, baris (0,50 bMbF, till 30.09.2013)
dietrich, Ralf christian, dr. (0,50/1,00 bMbF/dPPn, since 
01.12.2012)
donath, Sebastian (0,50 dFG, till 31.08.2012)
eggert, kai, dr. (bMbF)
eroglu, Seckin (0,50 bMbF, till 31.12.2012)
Ghaffari, Mohammad Reza (0,50 bMbF, till 31.05.2012)
Gierth, diana (0,50 bMbF, since 01.02.2012)
Gruber, benjamin d., dr. (bMbF/dPPn, since 01.10.2012) 
hilo, alexander (0,50 dFG, since 18.03.2013)
hosseini, Seyed abdollah (0,50 bMeLV)
Leps, britt, dr. (0,25 SaW/Leibniz Graduate School Gatersleben, 
since 01.05.2012)
Lingam, brahmasivasenkar (0,50 SaW/Leibniz Graduate School 
Gatersleben)
Liu, zhaojun (0,50 SaW/Leibniz Graduate School Gatersleben, 
since 01.10.2012)
Manasse Laginha, alberto (0,50 dFG, till 30.06.2013)
Meier, Markus (0,65 dFG, since 01.09.2012)
Schmid, nicole (0,50 bMbF, till 31.12.2012)
Shahinnia, Fahimeh, dr. (0,65 dFG, 01.04.-31.12.2012)
Shi, dr. Rongli (0,75/1,00 dFG, till 30.09.2013; bMbF/dPPn, 
since 01.10.2013)
Ye, Fanghua (0,50 dFG) 
Visiting Scientists/Scholars
barunawati, nunun (indonesia Gouvernment, till 30.06.2012; 
self-financed, 01.10.-31.12.2012)
chokkalingam, Manopriya (iaeSte-daad, 12.05.-31.07.2012)
delprato, Laura-Maria (daad, 10.09.-14.12.2013)
dobrowski, nina (self-financed, 22.07.-01.08.2012)
donath, Sebastian (self-financed, 01.11.2012-31.05.2013)
duan, Fengying (china Gouvernment, till 31.10.2012)
elbeltagy, adel, Prof. (daad, 01.10.2012-31.01.2013)

Abteilung Physiologie und Zellbiologie/
Department of Physiology and Cell Biology
126
there is also a cross-talk between aMts and nRt2-type nitrate 
transporters (a. Laginha, F. duan, a. bohner). 
in a cooperation with Jinxing Lin from caS beijing we used 
total internal reflection fluorescence microscopy to show that 
ele vated supply of external ammonium causes a rapid inter-
nalization of aMt1;3 from the plasma membrane by clathrin-
mediated endocytosis (Wang et al. 2013, PnaS). in cooperation 
with a. zuccaro from MPi for terrestrial Microbiology at Mar-
burg we further found that the ammonium transporter aMt1 
from the fungus Piriformospora indica is involved in ammoni-
um sensing. When Piriformospora indica infects barley roots it 
switches from biotrophic to necrotrophic growth when plants 
become n deficient. however, suppression of aMt1 expression 
in Piriformospora indica prevents the fungus from entering the 
necrotrophic growth phase (Lahrmann et al. 2013, PnaS).
Nutrient remobilization. in our role as coordinator of the dFG 
research unit FoR948 on nitrogen remobilization in senescing 
plants, we focussed on the role of the urea transporter duR3 in 
Arabidopsis mutants affected in targeted lateral root responses 
and investigate root developmental processes, in which nutri-
ents and plant growth-promoting rhizobacteria alter phyto-
hormone signalling pathways (R. Giehl, S. Lingam, M. Meier, a. 
Leskova, t. araya). 
Ammonium transporters. in an attempt to elucidate novel 
mechanisms in the posttranslational regulation of aMt-type 
ammonium transporters in Arabidopsis, we generated a c-ter-
minal mutation in aMt1;3 that mimics constitutive phospho-
rylation and expressed it in different Arabidopsis amt mutant 
backgrounds. influx studies with 
15
nh
4
+
 showed that this inac-
tive aMt1;3 variant trans-inactivates endogenously expressed 
aMt1;3 but also the other isoform aMt1;1. biochemical studies 
provided further evidence for a physical interaction of aMt1;3 
with aMt1;1 that allows cross-talk for the mutual regulation 
of their transport activity in response to external ammonium 
(Yuan et al. 2013, Plant cell). currently we explore other signals 
causing c-terminal regulation of aMts and investigate whether 
Fig. 38
influence of several nutrient deficiencies on root 
system architecture. Plants were grown on agar 
plates in the absence of the nutrients indicated 
above. 
the pie chart in the background represents a 
“plasticity chart”, in which the area enclosed 
represents the overall change of root traits 
under a given nutrient deficiency (b. Gruber, R. 
Giehl).

127
Plant ferredoxins are electron donors essential for redox pro-
cesses in the chloroplast but rapidly degraded under biotic or 
abiotic stresses. transgenic tobacco lines, in which ferredoxin is 
knocked-down by Rna interference, exhibited arrested growth, 
leaf chlorosis and inhibited photosynthesis. chloroplast or nu-
clear transformation of these plants with a cyanobacterial fla-
vodoxin gene restored photosynthetic activity and the wild-
type phenoype. in addition, these transgenics were more tole-
rant than wild-type plants to oxidative stress imposed by the 
redox-cycling herbicide methyl viologen. these results show 
that cyanobacterial flavodoxin is able to functionally replace 
plant-endogenous ferredoxin (blanco et al. 2011, Plant J.; cec-
coli et al. 2012, Planta) and suggest that the superior stability of 
flavodoxin and its more efficient cycling of reduction equiva-
lents enhance stress tolerance (M.-R. hajirezaei).