PD Dr. Stephan Pflugmacher

IGB, Abt.5 Aquakultur und Ökophysiologie

Müggelseedamm 301
12561 Berlin

Forschungsgebiet:

Biochemische Regulationsprozesse
Biotransformation und oxidativer Stress, Naturstoffe, Allelopathie

Tel: (030) 64 181 639
pflugmacher@igb-berlin.de

Die besonders hochentwickelte Sensitivität von Organismen durch Rezeptoren äußere chemische Reize wahrzunehmen, macht sie gleichzeitig auch anfällig dafür, dass natürliche Substanzen oder anthropogene Chemikalien diese spezifischen Signaltransduktionswege beeinflussen oder mit den entsprechenden Rezeptoren interagieren. Der Focus des Programms liegt bei den Reizen, die durch ausgewählte Sekundärmetaboliten von Cyanobakterien, und Laubblatteluate hervorgeru-fen werden, und bei ihren Wirkungen auf molekularer, organismischer und ökosystemarer Ebene.

Verschiedene Aspekte der Signalübertragung sowie der Biotransformationsprozesse werden einbezogen: die Signaltransduktion über reaktive Sauerstoffspezies, Rezeptor vermittelte Signalwege und Änderungen der Genexpression.

Naturstoffe werden in einer großen Vielzahl im aquatischen Ökosystem von unterschiedlichen Organismen produziert und zum anderen beispielsweise über den Laubeinfall ins Gewässer eingetragen. Dieses Forschungsthema konzentriert sich auf die Gruppe der cyanobakteriellen Sekundärmetabolite sowie auf Laubblatteluate. Beide Gruppen haben nachweislich große Effekte auf aquatische Organismen und das aquatische Ökosystem. Während bei den cyano-bakteriellen Sekundärmetaboliten ein Wirkmechanismus über die Hemmung von Protein-phosphatasen entdeckt wurde, liegen für Laubblatteluate keine Erkenntnisse vor. Für beide Naturstoffgruppen besteht eine weitere denkbare Wirkmöglichkeit über die Auslösung von oxidativem Stress durch reaktive Sauerstoffspezies (ROS). Die Konsequenzen von oxidativem Stress in aquatischen Organismen sind bisher wenig untersucht in Relation zum Organismus selbst und dem Ökosystem. Um nun sowohl generelle als auch spezifische Wirkmechanismen aufzuzeigen, die mit oxidativem Stress einhergehen, werden im Rahmen dieses Forschungsthemas aquatische Schlüsselorganismen unterschiedlicher trophischer Stellung (Algen, Makrophyten, Invertebraten und Fische) untersucht.

(1) Cyanobakterielle Sekundärmetabolite wirken allelopathisch durch die Auslösung von oxi-dativem Stress in aquatischen Pflanzen (siehe 1.1.1).

(2) Die Unterschiede in der Empfindlichkeit gegenüber Cyanotoxinen liegt in den Unter-schieden in der Biotransformations- und antioxidativen Kapazität begründet (siehe 1.1.2).

(3) Blattextrakte wirken als Stressoren für aquatische Organismen (siehe 1.1.3).

Im neuen FE-Programm werden dabei neben der Koordination des Projektes 1.1 folgende Unterprojekte 1.1.1 und 1.1.3 hauptsächlich bearbeitet:

Von Organismen produzierte Metabolite beeinflussen ökologische Beziehungen und ermöglichen Anpassungen an extreme Bedingungen. Die Kenntnis der Produktion und Wirkung dieser Naturstoffe wird ein besseres Verständnis der biologischen Strukturen, Funktionen sowie auch der Dynamik von limnischen Lebensgemeinschaften entwickeln. Im Schwerpunkt - Chemische Regulation- soll eine neue Forschergruppe - Biochemische Regulation - in enger Zusammenarbeit mit der Juniorprofessur für biochemisch-molekulare Ökotoxikologie (Prof. C. Wiegand) der Humboldt Universität zu Berlin und dem IGB eingerichtet werden. Ziel wird es sein, regulatorische Prozesse in aquatischen Organismen auf verschiedenste Typen von Stressoren mit Hilfe physiologischer und molekularbiologischer Konzepte zu untersuchen. Dabei stehen cyanobakterielle Sekundärmetabolite, Huminstoffe im Fokus. Anhand spezifischer Marker (Ligninphenol, Fettsäuren, Aminosäuren, neutrale Zucker) werden Umsatzwege von gelöstem organischen Material bestimmt. Damit kann der diagenetische Zustand des organischen Materials und dessen Herkunft eingegrenzt werden. Photochemische Umwandlungsprozesse bei organischen und organismischen Interaktionen werden ebenfalls untersucht. Da diesen Naturstoffen ein (öko)-toxisches Potenzial zukommt, werden als Referenz klassische Xenobiotika (hier: Agrarchemikalien, endokrin wirksame Stoffe) untersucht. Die Auswirkungen exogener Belastungen sind neben den Biotransformationsreaktionen auch schadensverstärkende Mechanismen. Dabei stellen reaktive Sauerstoffverbindungen (ROS, reactive oxygen species), die u.a. durch Belichtung von Huminstoffen freigesetzt werden, wichtige Komponenten bei der Regulation der Genexpression, sowie bei der Initiation und Ausbreitung von programmierten Zelltod in den Organismen dar. Die Wirkung einzelner Substanzen in Biotransformation und Sig­naltransduktion eines Organismus wird mit dessen Energiegehalt und -konsum korreliert. Über populationsdynamische Modelle werden Berechnungen zu den Auswirkungen auf biozönotische Strukturen vorgenommen. Dies wird durch empirische Langzeitexperimenten be­gleitet. Zukünftige Arbeiten werden sich verstärkt mit dem environmental signaling beschäftigen, also der Erkennung von Umweltfaktoren und der Initiation der Signalübertragung durch diese Faktoren wie durch Akkumulation reaktiver Sauerstoffspezies in Organismen (oxidative burst), der Freisetzung von Hitzeschockproteinen (HSP) oder auch durch Aktivierung von MAP (mitogen activated protein) Kinasen, die u.a. durch ROS aktiviert werden. Mit dem Nematoden Caenorhabditis elegans wird ein Einstieg in die functional genomics vorgenommen. Aufbauend auf vorliegenden Ergebnissen gesamtgenomischer DNA-Microarray-Ana­ly­sen werden in der ersten Phase differentiell exprimierte Gene nach Xenobiotika- bzw. Huminstoffbehandlung in den Nematoden untersucht.

Warum Cyanotoxine durch Cyanobakterien gebildet werden, ist zurzeit unklar. Fraßschutz, allelopathische Funktionen oder auch Zell-Zell Kommunikation sind einige der am häufigsten diskutierten Funktionen der Cyanotoxine im aquatischen Bereich. Die Forschung in diesem Forschungsthema fokussiert sich auf die mögliche allelopathische Funktion von cyanobakteriellen Sekundärmetaboliten durch ihre Fähigkeit oxidativen Stress in aquatischen Pflanzen auszulösen. Dabei werden auf zellulärer Ebene in aquatischen Pflanzen antioxidative Enzyme, zelluläre Antioxidantien (Glutathion, Ascorbat und Tocopherole) mit Hilfe u.a. molekularbiologischer Methoden untersucht. Die Auswirkungen der gestörten oxidativen Balance auf Gesamtpflanzen durch Änderung der Photosynthese und des Pflanzenwachstums werden bei Ceratophyllum demersum, Myriophyllum sp. und Lemna sp. untersucht werden. Weiterhin werden die zelluläre Verteilung und der Transport von Microcystinen in der Pflanze untersucht.

In diesem Forschungsthema werden in vitro und in vivo Effekte von Laubblattinhaltsstoffen auf aquatische Organismen untersucht, um den Einfluss von Laubfall ins aquatische Ökosystem zu charakterisieren. Laubinhaltsstoffe sind ein komplexes System einer Vielzahl unter-schiedlicher Substanzen, daher werden zu Beginn phenolische Komponenten im Focus stehen. Der Einfluss von Laubblatteluaten auf Enzymaktivitäten und korrespondierende Gene wird bei verschiedenen Organismen (Ceratophyllum demersum, Nitellopsis obtusa, Daphnia magna) untersucht. Energiekosten durch die Induzierung von Enzymen und anderen Proteinen werden über die Mikrokalorimetrie in Lumbriculus variegatus und D. magna gemessen.

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Maier, K.L., Wippermann, U., Leuschel, L., Josten, M., Pflugmacher, S., Schröder, P., Sandermann, H., Takenaka, S., Ziesenis, A., Heyder, J. (1999): Xenobiotic-metabolizing enzymes in the canine respiratory tract. INHALATION TOXICOLOGY 11 (1): 19-35

Pflugmacher, S., Geissler, K., Steinberg, C.E.W. (1999): Activity of phase I and phase II detoxication enzymes in different cormus parts of Phragmites australis. ECOTOXICOLOGY AND ENVIRONMENTAL SAFETY 42 (1): 62-66

1998:

Pflugmacher, S., Wiegand, C., Beattie, K.A., Codd, G.A., Steinberg, C.E.W. (1998): Uptake of the cyanobacterial hepatotoxin microcystin-LR by aquatic macrophytes JOURNAL OF APPLIED BOTANY-ANGEWANDTE BOTANIK 72 (5-6): 228-232

Pflugmacher, S., Wiegand, C., Oberemm, A., Beattie, K.A., Krause, E., Codd, G.A., Steinberg, C.E.W. (1998): Identification of an enzymatically formed glutathione conjugate of the cyanobacterial hepatotoxin microcystin-LR: the first step of detoxication BIOCHIMICA ET BIOPHYSICA ACTA-GENERAL SUBJECTS 1425 (3): 527-533

Pflugmacher, S., Sandermann, H. (1998): Taxonomic distribution of plant glucosyltransferases acting on xenobiotics PHYTOCHEMISTRY 49 (2): 507-511

Schrenk, C., Pflugmacher, S., Brüggemann, R., Sandermann, H., Steinberg, C.E.W., Kettrup, A. (1998): Glutathione S-transferase activity in aquatic macrophytes with emphasis on habitat dependence ECOTOXICOLOGY AND ENVIRONMENTAL SAFETY 40 (3): 226-233

Pflugmacher, S., Sandermann, H. (1998): Cytochrome P450 monooxygenases for fatty acids and xenobiotics in marine macroalgae. PLANT PHYSIOLOGY 117 (1): 123-128

1997:

Pflugmacher, S., Steinberg, C. (1997): Activity of phase I and phase II detoxication enzymes in aquatic macrophytes JOURNAL OF APPLIED BOTANY-ANGEWANDTE BOTANIK 71 (5-6): 144-146

Others before 1997:

Schröder, P. Pflugmacher, S. and Rennenberg, H. (1992): Biomarker for organic xenobiotics in spruce (Picea abies L.) - Dynamics of the detoxification enzyme glutathione S-transferase. JOURNAL OF APPLIED BOTANY, 66, 5/6.

Schröder, P., Berkau, C., Götzberger, C., Pflugmacher, S. and Wolf A. (1994): Detoxification of electrophilic xenobiotics in conifers is mediated by glutathione S-transferase. ABSTRACT AMERICAN JOURNAL OF BOTANY, 81, 6.

Schröder, P., Pflugmacher, S. and Götzberger, C. (1994): On the presence and the isozyme pattern of glutathione S-transferase in leaves of aspen (Populus tremula L.) and beech (Fagus sylvatica L.) -results of a pilot study. PLANT PHYSIOL (LIFE SCI. ADV.), 13, 205-211

Pflugmacher, S. and Schröder P. (1995): Glutathione S-transferases in trees: Inducibility by various organic xenobiotics. Z. PFLANZENERNÄHRUNG UND BODENKUNDE, 158, 71-73

Book chapters:

Sandermann, H., Haas, M., Messner, B., Pflugmacher, S., Schröder, P., Wetzel, A. (1997): The Role of Glucosyl and Malonylconjugation in herbicide selectivity. In: Regulation of Enzymatic systems Detoxifying Xenobiotics in Plants (Eds. Hatzios, K.K.), NATO, ASI , Kluwer Publishers.

Pflugmacher, S., Sandermann, H. (1998): The use of HASSE diagram technique in biology and ecotoxicology. Proceedings of the Workshop on „Order Theoretical Tools in Environmental Sciences“. Berichte des IGB, Heft 6, ISSN-Nr. 1432-508X.

Pflugmacher, S. Wiegand, C. (1998): Cyanotoxins - uptake effects and detoxication in aquatic organisms. Jahresforschungsbericht IGB, Heft 8, ISSN-Nr. 1432-508X

Pflugmacher, S., Schrenk-Bergt, C., Steinberg, C.E.W. (1999): Biomarker. In: Ökosystemare aquatische Toxikologie. (Hrsg. C.E.W. Steinberg, S. Pflugmacher, R. Brüggemann, G.-P. Zauke, K. Kümmerer). Ecomed Verlag

Wiegand, C., Pflugmacher, S. (2001): Effects of microcystin-LR on detoxication enzymes. In: In: Cyanotoxins - Occurence, Effects, Controlling Factors. (Hrsg. I. Chorus)

Wiegand, C., Pflugmacher, S. (2001): Uptake of microcystin-LR in aquatic organisms. In: Cyanotoxins - Occurence, Effects, Controlling Factors. (Hrsg. I. Chorus)

Pflugmacher, S., Wiegand, C., Oberemm, A. (2001): Metabolism of microcystin-LR in aquatic organisms. In: Cyanotoxins - Occurence, Effects, Controlling Factors. (Hrsg. I. Chorus)

Pflugmacher, S., Wiegand, C., Steinberg, C.E.W. (2001): Cyanotoxine - Aufnahme, Effekte und Detoxierung in aquatischen Organismen, Kapitel 2.4.1. In: Ökologie und Schutz von Seen. Dokulil, M., Hamm, A. & Kohl, J.G. (Hrsg). UTB (Verlag Universität, Wien).

Steinberg, C.E.W., Pflugmacher, S., Wiegand, C., Paul, A., Höss, S., Haitzer, M. (2002): Die vernachlässigte ökologische Regulation in Binnengewässern: Direkte und indirekte Interaktionen von Huminstoffen mit Organismen. In: FRÄNZLE O., MÜLLER F., SCHRÖDER, W. (Hrsg.) Handbuch der Umweltwissenschaften. Ecomed, Landsberg.

Pflugmacher, S., Pietsch, C., Rieger, W., Paul, A., Preuer, T., Zwirnmann, E., Steinberg, C.E.W. (2004): Humic substances and their effects on the physiology of aquatic plants. In: Humic Substances- Nature´s most versatile materials. (Eds.: E. Ghabbour, G. Davis), Taylor & Francis, New York.

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MSc Dao Than Son

MSc Rafael Ortiz-Rodriguez

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