Im Rahmen der Untersuchungen wurde die N-Rhizodeposition verschiedener Futter- und Körnerleguminosen mittels Split-Root-Technik und kontinuierlicher 15N-Anreicherung quantifiziert. Anteilig an der gesamtpflanzlichen N-Menge unterschieden sich die durch Rhizodeposition abgegebenen N-Mengen zwischen den geprüften Leguminosenarten weder im Gewächshaus noch im Feld signifikant voneinander, so dass der Einflussfaktor Pflanzenart und –sorte auf die Höhe der spezifischen N-Rhizodeposition als eher gering einzuschätzen ist. Der Einfluss der Umwelt (Gewächshaus versus Freiland) auf die untersuchten Kenngrößen der Trockenmassen und N-Akkumulationen sowie der N-Rhizodeposition fiel hingegen sehr viel deutlicher aus. Die Untersuchungen zeigten zudem positive Zusammenhänge zwischen den N-Rhizodepositionsmengen und den Trockenmasseerträgen bzw. akkumulierten N-Mengen der Leguminosen.

Six isoflavones derived from Millettia griffoniana namely, 4’-methoxy-7-O-[(E)-3-methyl-7hydroxymethyl-2,6 octadienyl]isoflavone (7-O-DHF), Griffonianone C (Griff C), 7-O-geranylformononetin (7-O-GF), 3’,4’-dihydroxy-7-O-[(E)-3,7-dimethyl-2,6-octadienyl]isoflavone (7-O-GISO), Griffonianone E (Griff E), 4’-O-geranylisoliquiritigenin (4-O-GIQ) were tested for potential oestrogenic activities in three different oestrogen receptor alpha (ERα) dependent assays, namely a recombinant yeast assay, a reporter gene assay based on stably transfected MCF-7 cells (MVLN cells) and the induction of alkaline phosphatase in Ishikawa cells. The oestrogenic activities of isoflavones from Millettia griffoniana could be completely suppressed by the pure oestrogen antagonist, fulvestrant. The expression of Ki-67, proliferating cell nuclear antigen (PCNA) and cyclin D1 (CD1) mRNA used as indicator of cell proliferation in MCF-7 cells was assayed. Based on these in vitro results, Griff C was further tested in vivo. The main objective of this part of the work was to study the mechanistic basis of the oestrogenicity Three different doses of Griff C (2, 10, or 20 mg/kg BW) of Griff C in ovariectomised Wistar rats. 17β-oestradiol (E2: 10 µg/kg BW) was used as positive control. They were treated daily for three consecutive days and sacrificed 24 hours after receiving the last dose. The whole uterus was removed and weight. Liver and vena cava fragments were also collected and stored together with uteri in liquid nitrogen for subsequent real-time PCR to evaluate the effects of Griff C on the regulation of some relevant oestrogen–responsive genes in the uterus, the liver and the vena cava. The role of Griff C in apoptosis or in cell survival, through mediation of the phosphatidylinositol 3 kinase-Akt (PI3K-Akt) signaling pathway, was also investigated. Western blot analysis revealed that Griff C slightly increased the phosphorylation of Akt at its serine 473 residue. In this work, oestrogenic properties of the isoflavones derived from Millettia griffoniana are described using reporter gene assays and the oestrogen-inducible alkaline phosphatase Ishikawa model for the first time. These in vitro data were verified in vivo showing the regulation of the expression of various relevant oestrogen-responsive genes by Griff C. The spectrum of its activity was clearly similar to that of 17β-oestradiol on uterine hepatic and vena cava tissues of ovariectomised rats except for the proliferative response. However Griff C remained 100 to 1000 times less effective than oestradiol. These findings confirmed that some of the biological effects attributed to Millettia griffoniana are closely related to oestrogen-mediated action.

Im Rahmen der Untersuchungen wurde die N-Rhizodeposition verschiedener Futter- und Körnerleguminosen mittels Split-Root-Technik und kontinuierlicher 15N-Anreicherung quantifiziert. Anteilig an der gesamtpflanzlichen N-Menge unterschieden sich die durch Rhizodeposition abgegebenen N-Mengen zwischen den geprüften Leguminosenarten weder im Gewächshaus noch im Feld signifikant voneinander, so dass der Einflussfaktor Pflanzenart und –sorte auf die Höhe der spezifischen N-Rhizodeposition als eher gering einzuschätzen ist. Der Einfluss der Umwelt (Gewächshaus versus Freiland) auf die untersuchten Kenngrößen der Trockenmassen und N-Akkumulationen sowie der N-Rhizodeposition fiel hingegen sehr viel deutlicher aus. Die Untersuchungen zeigten zudem positive Zusammenhänge zwischen den N-Rhizodepositionsmengen und den Trockenmasseerträgen bzw. akkumulierten N-Mengen der Leguminosen.

During this PhD project three technical platforms were either improved or newly established in order to identify interesting genes involved in SNF, validate their expression and functionally characterise them. An existing 5.6K cDNA array (Colebatch et al., 2004) was extended to produce the 9.6K LjNEST array, while a second array, the 11.6K LjKDRI array, was also produced. Furthermore, the protocol for array hybridisation was substantially improved (Ott et al., in press). After functional classification of all clones according to the MIPS database and annotation of their corresponding tentative consensus sequence (TIGR) these cDNA arrays were used by several international collaborators and by our group (Krusell et al., 2005; in press). To confirm results obtained from the cDNA array analysis different sets of cDNA pools were generated that facilitate rapid qRT-PCR analysis of candidate gene expression. As stable transformation of Lotus japonicus takes several months, an Agrobacterium rhizogenes transformation system was established in the lab and growth conditions for screening transformants for symbiotic phenotypes were improved. These platforms enable us to identify genes, validate their expression and functionally characterise them in the minimum of time.<br> The resources that I helped to establish, were used in collaboration with other people to characterise several genes like the potassium transporter LjKup and the sulphate transporter LjSst1, that were transcriptionally induced in nodules compared to uninfected roots, in more detail (Desbrosses et al., 2004; Krusell et al., 2005). Another gene that was studied in detail was LjAox1. This gene was identified during cDNA array experiments and detailed expression analysis revealed a strong and early induction of the gene during nodulation with high expression in young nodules which declines with the age of the nodule. Therefore, LjAox1 is an early nodulin. Promoter:gus fusions revealed an LjAox1 expression around the nodule endodermis. The physiological role of LjAox1 is currently being persued via RNAi.<br> Using RNA interference, the synthesis of all symbiotic leghemoglobins was silenced simultaneously in Lotus japonicus. As a result, growth of LbRNAi lines was severely inhibited compared to wild-type plants when plants were grown under symbiotic conditions in the absence of mineral nitrogen. The nodules of these plants were arrested in growth 14 post inoculation and lacked the characteristic pinkish colour. Growing these transgenic plants in conditions where reduced nitrogen is available for the plant led to normal plant growth and development. This demonstrates that leghemoglobins are not required for plant development per se, and proves for the first time that leghemoglobins are indispensable for symbiotic nitrogen fixation. Absence of leghemoglobins in LbRNAi nodules led to significant increases in free-oxygen concentrations throughout the nodules, a decrease in energy status as reflected by the ATP/ADP ratio, and an absence of the bacterial nitrogenase protein. The bacterial population within nodules of LbRNAi plants was slightly reduced. Alterations of plant nitrogen and carbon metabolism in LbRNAi nodules was reflected in changes in amino acid composition and starch deposition (Ott et al., 2005). These data provide strong evidence that nodule leghemoglobins function as oxygen transporters that facilitate high flux rates of oxygen to the sites of respiration at low free oxygen concentrations within the infected cells. / Pflanzen der Ordnung der Leguminosen sind von weltweiter Bedeutung für Landwirtschaft und die allgemeine Nährstoffzusammensetzung von Böden. Die physiologische Besonderheit der Leguminosen liegt in ihrer Fähigkeit begründet, zusammen mit Bakterien, den sogenannten Rhizobien, eine Symbiose einzugehen, im Zuge derer es möglich wird, molekularen Luftstickstoff zu binden. Dieser biochemische Prozess findet in neu gebildeten Pflanzenorganen, den sogenannten Wurzelknöllchen statt.<br> In den Pflanzenwissenschaften werden Gene, die im Zuge der Infektion von Leguminosen mit Rhizobien reguliert werden und für den Entwicklungsprozess der Knöllchen eine wichtige Rolle zu spielen scheinen, als Noduline bezeichnet. Mit Hilfe von sogenannten Hochdurchsatzverfahren ist es in den letzten Jahren möglich geworden, die differentielle Expression von Tausenden von Genen gleichzeitig zu beobachten. Zu diesen Verfahren gehören sogenannte cDNA Arrays. Im Zuge dieser Doktorarbeit wurden die weltweit zweitgrößten cDNA Arrays für die Modell-Leguminose Hornklee (Lotus japonicus), der in unserer Gruppe als Untersuchungsobjekt verwendet wird, entwickelt. Mit Hilfe dieser Methode ist es uns möglich, die Regulation von etwa 15.000 Genen gleichzeitig zu untersuchen. Im Zuge von Untersuchungen, die sich mit der Entwicklung von Wurzelknöllchen in Lotus japonicus beschäftigten wurde ein Nodulin, dessen Existenz früher schon einmal beschrieben wurde, noch einmal bestätigt und die Funktion dieses Genes genauer untersucht. Es kodiert für das Enzym Vitamin C Oxidase, das unter Verwendung von molekularem Sauerstoff reduziertes Vitamin C zu einer anderen Form, dem Dehydroascorbat, oxidiert. Dabei wird Wasserstoffperoxid gebildet. Es konnte gezeigt werden, dass sich die Transkription dieses Gens in infizierten Wurzeln kontinuierlich im Verlauf der Symbiose erhöht, jedoch ist die Transkription in jungen Wurzelknöllchen höher als in alten. Darüber hinaus ist es in nur einer Zellschicht der Wurzelknöllchen, die sehr wichtig für die Entwicklung und tatsächliche Funktion der Knöllchen ist, aktiv. Aus den Beobachtungen kann geschlossen werden, dass dieses Gen eine wichtige Funktion in der Entwicklung der Knöllchen zu spielen scheint und vermutlich zur Zellstreckung und Zellteilung in dieser speziellen Zellschicht beiträgt. In einem zweiten Teil der Arbeit wurde sich einem zweiten und dem wohl wichtigsten Nodulin der Leguminosen, dem Leghämoglobin, gewidmet. Leghämoglobin ist dem menschlichen Blutbestandteil Hämoglobin sehr ähnlich und erfüllt dieselbe Aufgabe: es bindet Sauerstoff. Dieser Prozess ist für Leguminosen von erheblicher Bedeutung, da die bereits beschriebene Fixierung von molekularem Luftstickstoff durch ein bakterielles Enzym katalysiert wird, das extrem sauerstoffempfindlich ist. Leghämoglobine gelten unbestritten als die am besten charakterisierten Einweiße aus Wurzelknöllchen und Wissenschaftler behaupten seit fast 40 Jahren, dass sie essentiell für die Funktion der Knöllchen sind. Doch dies wurde bis jetzt nie bewiesen.<br> Mit Hilfe einer neuen Methode, die die spezifische Bildung von Eiweißen verhindert, war es uns möglich, die Synthese von Leghämoglobin in Lotus japonicus vollkommen zu unterdrücken. In Folge dessen zeigen die transgenen Pflanzen deutliche Nährstoffmangelerscheinungen, wenn sie ohne zusätzlichen Stickstoff aber zusammen mit Rhizobien angezogen werden. Sie können zwar Wurzelknöllchen bilden, jedoch sind diese kleiner und haben nicht die charakteristische rötliche Farbe, die bei unveränderten Pflanzen gefunden wird. Der Phänotyp dieser transgenen Pflanzen wird ganz eindeutig durch ihre Unfähigkeit hervorgerufen, Luftstickstoff fixieren zu können. Der Grund dafür ist das Fehlen des bakteriellen Enzyms, das für die Fixierung verantwortlich ist. Dieser Verlust wird durch erhöhte Sauerstoffgehalte in den Knöllchen verursacht. Außerdem konnten durch weitere Untersuchungen eine der vermuteten Funktionsmechanismen von Leghämoglobin bestätigt werden. Diese hier präsentierten Untersuchungen beweisen erstmalig die jahrzehnte alte Hypothese, dass Leghämoglobine essentiell für die Stickstofffixierung in Leguminosen sind.

Six isoflavones derived from Millettia griffoniana namely, 4’-methoxy-7-O-[(E)-3-methyl-7hydroxymethyl-2,6 octadienyl]isoflavone (7-O-DHF), Griffonianone C (Griff C), 7-O-geranylformononetin (7-O-GF), 3’,4’-dihydroxy-7-O-[(E)-3,7-dimethyl-2,6-octadienyl]isoflavone (7-O-GISO), Griffonianone E (Griff E), 4’-O-geranylisoliquiritigenin (4-O-GIQ) were tested for potential oestrogenic activities in three different oestrogen receptor alpha (ERα) dependent assays, namely a recombinant yeast assay, a reporter gene assay based on stably transfected MCF-7 cells (MVLN cells) and the induction of alkaline phosphatase in Ishikawa cells. The oestrogenic activities of isoflavones from Millettia griffoniana could be completely suppressed by the pure oestrogen antagonist, fulvestrant. The expression of Ki-67, proliferating cell nuclear antigen (PCNA) and cyclin D1 (CD1) mRNA used as indicator of cell proliferation in MCF-7 cells was assayed. Based on these in vitro results, Griff C was further tested in vivo. The main objective of this part of the work was to study the mechanistic basis of the oestrogenicity Three different doses of Griff C (2, 10, or 20 mg/kg BW) of Griff C in ovariectomised Wistar rats. 17β-oestradiol (E2: 10 µg/kg BW) was used as positive control. They were treated daily for three consecutive days and sacrificed 24 hours after receiving the last dose. The whole uterus was removed and weight. Liver and vena cava fragments were also collected and stored together with uteri in liquid nitrogen for subsequent real-time PCR to evaluate the effects of Griff C on the regulation of some relevant oestrogen–responsive genes in the uterus, the liver and the vena cava. The role of Griff C in apoptosis or in cell survival, through mediation of the phosphatidylinositol 3 kinase-Akt (PI3K-Akt) signaling pathway, was also investigated. Western blot analysis revealed that Griff C slightly increased the phosphorylation of Akt at its serine 473 residue. In this work, oestrogenic properties of the isoflavones derived from Millettia griffoniana are described using reporter gene assays and the oestrogen-inducible alkaline phosphatase Ishikawa model for the first time. These in vitro data were verified in vivo showing the regulation of the expression of various relevant oestrogen-responsive genes by Griff C. The spectrum of its activity was clearly similar to that of 17β-oestradiol on uterine hepatic and vena cava tissues of ovariectomised rats except for the proliferative response. However Griff C remained 100 to 1000 times less effective than oestradiol. These findings confirmed that some of the biological effects attributed to Millettia griffoniana are closely related to oestrogen-mediated action.