Durch Vernetzung der über weite Strecken disziplinär ausgerichteten Forschungsprogramme erfolgt die Bearbeitung der folgenden fünf abteilungs- und disziplinübergreifenden Forschungsschwerpunkte:

Forschungsschwerpunkt 1: Erschließungskonzepte für pflanzengenetische Ressourcen

Als größte europäische Genbank bietet die Bundeszentrale Ex situ-Genbank für landwirtschaftliche und gartenbauliche Kulturpflanzen ein reichhaltiges Reservoir an wertvollen im Züchtungspool nicht mehr vorhandenen Genen und Allelen. Der Erforschung dieser genetischen Vielfalt auf struktureller und funktioneller Ebene fällt eine Schlüsselrolle bei der zukünftigen Verbesserung von Kulturpflanzen zu. Dabei liegt die Herausforderung zum einen in der umfassenden Kartierung genetischer Faktoren für agronomische Merkmale, der Identifizierung entsprechender Gene und Genomelemente und der Charakterisierung der in den Sammlungen enthaltenen Variation. Zum anderen ist die Nutzbarmachung natürlicher genetischer Vielfalt für quantitative Merkmale an die Entwicklung und züchterische Implementierung innovativer Konzepte zur Erfassung der genotypischen und phänotypischen Leistung pflanzengenetischer Ressourcen gebunden.

Ziel: Weiterentwicklung der größten Ex-situ Sammlung Europas zu einem integrierten Ressourcenzentrum für die Entwicklung innovativer Ansätze zur Nutzung pflanzengenetischer Ressourcen.

Forschungsschwerpunkt 2: Genomdiversität und Evolution

Die Ex-situ-Genbank bildet ein breites Spektrum zwischenartlicher und innerartlicher Vielfalt für wichtige Nutzpflanzen und damit verwandte Wildarten ab. Dies ermöglicht die Untersuchung genomischer Diversität auf allen Skalenebenen, von Ploidieveränderungen und Chromosomenumbauten über kleinteilige strukturelle Veränderungen (copy number variation) und Einzelbasendiversität (SNPs) bis hin zu epigenetischer Variation. Die moderne Hochdurchsatz-DNA-Sequenzierung erlaubt es, die genannten Fragestellungen zu untersuchen und die Sequenzinformationen zur gezielten Nutzung von Genbankmaterial zu erstellen. Damit sind die Grundlagen geschaffen, um die Evolution pflanzlicher Genome und grundlegende Aspekte von Artbildung, Domestikation und Adaptation auf molekulargenetischer Ebene aufzuklären.

Ziel: Aufklärung von Prozessen der Artbildung und dem Zusammenspiel zwischen Artbildung, Genomevolution und Merkmalsausprägung.

Forschungsschwerpunkt 3: Reproduktionsmechanismen

Reproduktionsbiologische Prozesse umfassen die Entwicklung und Ausbildung generativer Organe, den Übergang vom Sporophyten zum Gametophyten, die Gametenentwicklung, die Bestäubung und Befruchtung sowie die zygotische Embryogenese und damit assoziierte Entwicklungsprozesse der Samen. Neue genetische Vielfalt als die Grundlage jedes züchterischen Fortschritts wird insbesondere durch meiotische Rekombination sowie die Kombination von Gameten bei der Befruchtung generiert. Da die Umsetzung, Regulation und Weitergabe von Erbinformationen auf der Chromatin- bzw. Chromosomenebene erfolgt, ist ein grundlegendes Verständnis der Biologie der Chromosomen notwendig.

Des Weiteren ist die ektopische Auslösung von Embryogeneseprozessen essentielle Grundlage biotechnologischer Methoden, die zur funktionellen Validierung von Genfunktionen sowie zur gezielten Verbesserung pflanzlicher Leistung benötigt werden. Die initialen Mechanismen der Embryogenese sind bislang nur unzureichend verstanden. Aus pflanzenzüchterischer Sicht ist es zudem von hoher Relevanz, Genotypen mit besonders hoher Leistungsfähigkeit identisch reproduzieren zu können sei es auf der Grundlage reinerbiger Linien, die aus gametophytischen Zellen generiert werden können oder unter Nutzung von Hybridzüchtung oder apomiktischer Vermehrung, die insbesondere die Reproduktion von Individuen ermöglichen, deren außergewöhnliche Leistungsfähigkeit auf Heterosis beruht.

Ziel: Aufklärung und Beeinflussung von zell- und chromosomenbiologischen Mechanismen pflanzlicher Reproduktionsprozesse, von der Gametenbildung bis zur Embryogenese.

Forschungsschwerpunkt 4: Wachstum und Stoffwechsel

Die photoautotrophe Lebensweise von Pflanzen bedingt, dass sämtliche für das Wachstum und die Speicherstoffeinlagerung erforderlichen Substanzen durch ihren Stoffwechsel in ausreichenden Mengen produziert, von den Synthese- („Source“) zu den Verbrauchsorten („Sink“) transportiert (Source-Sink-Interaktionen) und optimal auf die verbrauchenden Pro-zesse verteilt werden müssen. Die Wachstumsraten von Pflanzenorganen wie Blättern, Stängeln und Wurzeln sind dabei an die stark durch wechselnde Umweltbedingungen beein-flusste Stoffwechseldynamik anzupassen. Neben längerfristigen Einflüssen spielen hier insb. kurzfristige, tageszeitlich oder witterungsbedingte Schwankungen eine entscheidende Rolle. Auch die Wachstumsrate und -dauer von Samen wird von der Versorgung durch die Source-Gewebe bestimmt. Während früher Entwicklungsphasen betrifft dies maternale Samengewebe, während der Samenfüllung dagegen bestimmt die Assimilataufnahmekapazität filialer Gewebe (Endosperm und Embryo) die Samengröße, die auf Kommunikation zwischen maternalen und filialen Geweben beruht.

Bisher ist nur eine begrenzte Zahl an spezifisch wachstumsregulierenden Genen bekannt, es sind kaum übergeordnete Regulatoren bzw. Regulationsmechanismen für Stoffwechsel-leistungen identifiziert, und es existieren nur wenige Kenntnisse zu wechselseitigen Regula-tionsprozessen. Genetische und metabolische Komponenten der Sink-Source-Kommunikation und der Kommunikation zwischen maternalen und filialen Samenteilen sind bisher weitgehend unbekannt. Diverse Phytohormone haben sich als übergeordnete instruk-tive Signale herausgestellt, die Wachstum, Morphogenese, Differenzierung und Reifung kon-trollieren. Allerdings ist die raumzeitliche Kontrolle der Signalaktivität und ihre kontextabhän-gige Umsetzung durch Regulation spezifischer Effektorgene noch wenig verstanden.

Ziel: Identifizierung, Charakterisierung und Modifikation von übergreifenden Kontroll-mechanismen pflanzlicher Stoffwechsel-, Wachstums- und Entwicklungsprozesse, die zur Steigerung des Ertragspotenzials von Kulturpflanzen genutzt werden können.

Forschungsschwerpunkt 5: Mechanismen der Resistenz und Stresstoleranz

Kulturpflanzen sind regional unterschiedlichen Standortfaktoren ausgesetzt, die in saisonaler Rhythmik, in Form veränderter Klimabedingungen oder durch gezieltes pflanzenbauliches Management auf sie einwirken. Dabei unterliegen die einzelnen Pflanzenorgane unterschiedlichen Intensitäten und Gradienten an biotischen oder abiotischen Faktoren, die organ- oder zelltypspezifische Anpassungen erfordern, welche gleichzeitig auf Ebene der ganzen Pflanze koordiniert werden müssen. Grundlage dieser Koordination ist eine räumlich und zeitlich differenzierte Perzeption multipler Umweltreize, deren Umsetzung in transportable Signale und deren Integration mit dem Entwicklungszustand der ganzen Pflanze. Erst diese Integration erlaubt systemisch und lokal differenzierte Anpassungsreaktionen, die im Extremfall über Überleben, Regeneration und Ertragsbildung entscheiden.

Bisher ist nur für wenige biotische oder abiotische Stimuli auf molekularer Ebene geklärt wie Signalerkennung, -übersetzung und -weiterleitung funktionieren und letztlich eine Antwort in Pflanzen induzieren. Darüber hinaus ist noch weitgehend unklar, wie Pflanzen die räumliche Heterogenität von Umweltgradienten erfassen und diese miteinander abgleichen.

Ziel: Erforschung grundlegender Mechanismen pflanzlicher Reaktionen auf Umwelt-einflüsse und ihre Bedeutung für Stresstoleranz und Nährstoffeffizienz.