Aktuelle Veranstaltungen

Ökologisch und nachhaltig

Das Start-up wijld (hier im Interview) nutzt Holz als Alternative zu Polyesterfasern, aber auch zu Baumwolle. Vergleicht man den Herstellungsprozess eines herkömmlichen T-Shirt aus Baumwolle mit einem Holz-Shirt werden durch Verwendung des Holzgarns 1000 Liter Wasser und mehr als 600g CO₂ eingespart. Auch bezüglich des Tragekomforts kann sich das Holz-Shirt sehen lassen. Es ist erstaunlich weich und angenehm auf der Haut, außerdem atmungsaktiv, reißfest und antibakteriell.

Wie wird der Baum zum T-Shirt?

Zunächst wird das Holz zu kleinen Schnipseln verarbeitet und in Wasser eingeweicht, dadurch löst sich der Zellstoff. Der Zellulosebrei wird dann mit nicht toxischen Lösungsmitteln vermischt und unter Vakuum erhitzt. Bei diesem Prozess wird dem Brei sämtliches Wasser entzogen. Im nächsten Schritt wird die erhaltene Masse gesiebt und durch Spinndüsen gepresst. So entstehen die Spinnfasern, die dann zu dem Garn aus dem die T-Shirts sind, weiterverarbeitet werden. Mehr dazu im Video.

Marktreife

Die T-Shirts aus Holz sind bereits seit Ende 2016 erhältlich, inzwischen wurde das Sortiment ausgebaut und um Hoodies und Sweater aus Holzfasern erweitert.

Ecological and sustainable

The start-up wijld uses wood as an alternative to polyester fibres, but also to cotton. If one compares the manufacturing process of a conventional cotton T-shirt with a wooden shirt, 1000 litres of water and more than 600 g CO2 are saved by using the wooden yarn. The wooden shirt is also very comfortable to wear. It is surprisingly soft and pleasant on the skin, also breathable, tearproof and antibacterial.

How does the tree become a T-shirt?

First, the wood is processed into wood chips and soaked in water, which dissolves the cellulose. The cellulose pulp is then mixed with non-toxic solvents and heated under vacuum. In this process, all the water is removed from the pulp. In the next step, the mass obtained is sieved and pressed through spinnerets. This is how the spinning fibres are produced, which are then further processed into the yarn from which the T-shirts are made. Read more in the video.

Ready for the market

The wooden T-shirts have been available since the end of 2016, and the range has since been expanded to include hoodies and sweaters made of wood fibres.

Klimawandel und industrieller Forschritt haben Tier- und Pflanzenwelt in den vergangenen Jahrzehnten weltweit massiv zugesetzt. Besonders Insekten sind vom Artenverlust betroffen, wie kürzlich eine Langzeitstudie zeigte. Die Vereinten Nationen haben daher das Jahrzehnt 2011 bis 2021 zur Dekade für die biologische Vielfalt erklärt.

Blütenpflanzen per App erkennen und kennen lernen

Die biologische Vielfalt erhalten, setzt allerdings Wissen voraus – Wissen darüber, welche Pflanzen es überhaupt gibt und wo sie existieren. Doch viele der Gewächse in Wald und Feld sind heute kaum noch bekannt, selbst unter Biologen, wie Naturschutzverbände und Wissenschaftler beklagen. Um diese Wissenslücke zu schließen, haben Forscher der Technischen Universität Ilmenau und des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie in Jena die App "Flora Capture" entwickelt, mit der Pflanzen automatisch und unkompliziert erfasst und bestimmt werden können. Das Projekt „Flora Incognita – Pflanzenbestimmung mit dem Smartphone“ wurde nun als offizielles Projekt der „UN-Dekade Biologische Vielfalt” ausgezeichnet.

Bewusstsein für Artenvielfalt stärken 

Das deutsche UN-Gremium  würdigt damit herausragende Projekte, die das gesellschaftliche Bewusstsein für die Biodiversität in Deutschland fördern. Mit der teilautomatischen Erkennung von wildwachsenden höheren Blütenpflanzen in Thüringen per App wollen die Entwickler das Bewusstsein für die Artenvielfalt in der Bevölkerung stärken und so zu deren Erhaltung beitragen. Die Smartphone-App ist der Jury zufolge ein „bedeutendes Zeichen für das Engagement für die biologische Vielfalt in Deutschland“.

Umwelt- und Standortfaktoren erfasst

Die App „Flora Capture“ ist ab sofort für alle mobilen Endgeräte geeignet und kann im App Store heruntergeladen werden. Um eine Pflanze zu bestimmen reicht es aus, mit der Kamera ein Bild ihrer Blüte zu machen. Die Pflanze wird danach automatisch durch eine Erkennungssoftware erfasst und mit einer internetbasierten Datenbank abgeglichen. Darüber hinaus werden auch Umwelt- und Standortfaktoren registriert und im Zweifel zusätzliche Fragen des Nutzers beantwortet. Den Forschern zufolge wird durch die automatische Bilderkennung kombiniert mit Nutzerinteraktionen die Pflanze artgenau bestimmt.

Offene Plattform auch für Forscher und Behörden

Die Pflanzenbestimmung per App hilft aber nicht nur dem Hobbybotaniker weiter. Die Daten werden auch an Naturschutzbehörden und Forschungseinrichtungen übermittelt, wo sie dann in einer offenen Plattform privaten Nutzern und Behörden zur Verfügung gestellt werden. Mithilfe dieser Datenbanken können Forscher demnach Arten und deren Veränderung wissenschaftlich dokumentieren und so erkennen, ob und welche invasiven Arten der Natur nützen oder schaden.

Welche Folgen der Artenschwund für Ökosysteme in Europa hat, zeigen auch die Ergebnisse des europaweit größten Biodiversitäts-Freilandlabor, das „Jena-Experiment“.

bb

Wasser ist das Lebenselixier der Menschen. Ob aus dem Wasserhahn, einer natürlichen Quelle oder aufbereitet als Mineralwasser in der Flasche: Wegen seiner kostbaren Mineralstoffe werden dem erfrischenden Getränk auch gesundheitsfördernde Kräfte zugeschrieben. Ob das tatsächlich so ist und welche Mineralstoffe was bewirken, wollen Forscher nun genauer untersuchen. Dafür wurde am Institut für Lebensmittelwissenschaft und Humanernährung der Leibniz Universität Hannover das „Kompetenzzentrum Mineral- und Heilwasser“ (KMH) eröffnet.

Wissen zu Mineralwasser bündeln und erweitern

Ziel ist es, die gesundheitlichen Wirkungen von Mineral- und Heilwässern sowie ihren Inhaltsstoffen zu erforschen und den jeweils aktuellen Wissensstand aufzuarbeiten. Darüber hinaus will das Team nicht nur vorangegangene Forschungsarbeiten zusammenführen und ausbauen, sondern sich auch als unabhängige Informationsplattform etablieren. Dabei kann das neue Forschungszentrum auf die langjährigen Erfahrungen der Mitarbeiter auf dem Gebiet Ernährungsphysiologie und Humanernährung zurückgreifen. Das „Kompetenzzentrum Mineral- und Heilwasser“ ist bundesweit einmalig und wird vom Verband Deutscher Mineralbrunnen (VDM) unterstützt.

Einfluss von Mineralstoffen auf Knochenumsatz

Unter der Leitung von Ernährungs- und Lebensmittelwissenschaftler Andreas Hahn, der die wissenschaftliche Leitung des KMH übernimmt, beschäftigt sich das Leibniz-Institut seit vielen Jahren mit Fragen rund um die Ernährung aus den Bereichen Physiologie, Biochemie und Pathophysiologie. So wurden in der Vergangenheit bereits Studien mit Mineralwasser durchgeführt. Im Fokus standen dabei die Bioverfügbarkeit von Calcium oder Magnesium aus Mineralwasser im Vergleich zu anderen Lebensmitteln oder Nahrungsergänzungsmitteln. Derzeit untersuchen die Wissenschafter, welchen Einfluss bicarbonatreiche Mineralwässer auf den Säure-Basen-Status sowie Parameter des Knochenumsatzes haben.

bb

Pflanzen produzieren unzählige Inhaltsstoffe mit ganz unterschiedlichen Aufgaben und Wirkungen, die auch Mensch und Tier zugute kommen. Die Gewinnung dieser Stoffe aus ihren natürlichen Produzenten ist jedoch sehr schwierig. Mittlerweile können zwar viele Stoffe in Bakterien produziert werden, doch eine Produktion in Pflanzen schien bisher unmöglich. Unter der Leitung von Ralph Bock am Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam-Golm ist es Forschern nun gelungen, Pflanzenzellen genetisch so umzuprogrammieren, dass sie die begehrten Metabolite herstellen. Im Fachjournal „Current Biology“ berichten sie, wie sie neue Stoffwechselwege in Pflanzen einfügen und so die Produktion der Metabolite steuern können.

Farbstoff für Hummer, Lachs und Co.

Die Arbeitsgruppe wählte für ihre Forschungen den in Plankton und Mikroalgen vorkommenden orangenen Farbstoff Astaxanthin, der zur Gruppe der Carotinoide gehört. Er sammelt sich in Tieren an, die ihn über die Nahrung aufnehmen und schützt deren Zellen vor Stress und Krankheiten. Krebse und Hummer bekommen durch ihn ihre typische Färbung und auch Fische wie Lachse und Forellen nutzen Astaxanthin gegen oxidativen Stress, wodurch sich auch ihr Fleisch auf natürliche Weise rötlich färbt. In Lachs- oder Forellenfarmen hingegen haben sie nicht die Möglichkeit sich von Krebsen oder Mikroalgen zu ernähren. In solchen Zuchten ist der Farbstoff zwar nicht unbedingt notwendig für die Gesundheit der Fische, aber ohne ihn bleibt ihr Fleisch weißlich grau und findet weniger Abnehmer. Deshalb ist der Farbstoff ein begehrter Futtermittelzusatzstoff in der Fischzucht.

Neuer Stoffwechselweg für Chloroplasten-DNA

Bisher wird Astaxanthin aus Krebstieren oder Mikroalgen gewonnen. Dieser Prozess ist allerdings aufwendig und teuer. Aus diesem Grund wird schon lange daran geforscht, wie man den natürlichen Stoffwechselweg mit Hilfe von gentechnischen Methoden so in Pflanzen einfügen kann, dass diese das Astaxanthin produzieren. Es bietet sich an, dafür die Chloroplasten-DNA in Pflanzenzellen zu nutzen, denn diese Organelle gibt es mehrfach in jeder grünen Pflanzenzelle. Die somit vielfach eingebrachte Information ermöglicht eine hohe Produktionsrate des orangenen Farbstoffs in der Pflanze.

Orangefarbener Tabak

Der Forschungsgruppe um Ralph Bock ist es gelungen, den fremden Stoffwechselweg über das Chloroplastengenom in Tabakpflanzen zu integrieren. Durch die Anreicherung von Astaxanthin in den Chlorooplasten ist die Tabakpflanze nun orange gefärbt. Allerdings ist Tabak eine sehr giftige Pflanze. Deshalb entschlossen sich die Forscher für einen nahen, nicht toxischen, Verwandten: den Baumtabak. Dessen Chloroplasten ließen sich bisher allerdings nicht transformieren.

Horizontaler Gentransfer und Pfropfung ermöglichen Durchbruch

Die Gene für den Astaxanthin-Stoffwechselweg mussten also auf anderem Wege in die Pflanzen integriert werden: „Bereits in früheren Experimenten hatten wir herausgefunden, dass die DNA von Chloroplasten über Pfropfungsstellen von einer Art auf eine andere übertragen werden kann“, erklärt Ralph Bock. Dieses Phänomen, welches in der Natur auch ohne menschliches Zutun vorkommt, nennt man horizontalen Gentransfer. Auf diesem Weg können auch nicht-transformierbare Pflanzenarten und -zellen mit fremden Genen versehen werden. Nach der erfolgreichen Pfropfung von Tabaksprossen auf Baumtabakpflanzen wurden aus den Pfropfungsstellen neue vollständige Pflanzen mit Hilfe der Gewebekultur erzeugt. So konnten aus einzelnen Baumtabakzellen, welche die transformierte Chloroplasten-DNA aus dem Tabak erhalten hatten, wieder ganze Pflanzen mit den gewünschten neuen Eigenschaften gewonnen werden. 

Zukünftig kann diese einfache wie elegante Transformationstechnik auch für andere wichtige, jedoch bisher nicht transformierbare Pflanzenarten genutzt werden. 

jmr

Plants produce a number of metabolites with diverse functions. Many of these metabolites are not only useful to the plant itself, but also have positive effects in humans and animals. However, the extraction of these compounds in sufficient quantities from the naturally producing resources is often laborious and costly. While some metabolites can be produced in bacteria, so far none can be manufactured in plants themselves. A research team at the Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology in Potsdam-Golm, lead by Ralph Bock, now found a way to engineer plant cells to produce the coveted metabolites. In their study, published in the journal “Current Biology”, the researchers demonstrated how new metabolic pathways can be introduced into plants to allow the production of high-value compounds.

An coveted pigment for fish farming

For their proof-of-principle study the researchers chose the colorant astaxanthin, an orange pigment and member of the so-called carotenoids. Astaxanthin occurs naturally in some marine bacteria and microalgae. In animals who eat these microorganisms, it protects the cells against stress and diseases. Shrimps and lobsters are orange colored, because of their astaxanthin-rich diet. Salmon and trout also use astaxanthin to protect their tissues from oxidative stress, which causes the pink colour of their flesh. In salmon and trout farms the fish cannot feed on astaxanthin-containing plankton and the flesh of the fish remains white, which is less appealing to the consumer. Therefore, astaxanthin is in high demand as feed additive in fish farming.

Genetically engineering astaxanthin

However, the extraction of the pigment from microorganisms or animals is extremely expensive. Engineering plants to produce the colourant could reduce production expenses dramatically. Hence, researchers are looking into possibilities to integrate the natural metabolic pathway of astaxanthin synthesis into plants by genetic engineering. Inserting the pathway into the DNA of the chloroplast is particularly attractive, as each plant cell contains large numbers of these organelles, which would allow for high production rates of the pigment.

The creation of salmon-pink tobacco

The research group of Ralph Bock has taken the astaxanthin metabolic pathway from a marine bacterium and introduced it into the model plant tobacco. After all genes of the astaxanthin pathway had been implanted into the chloroplast genome, the tobacco plants shows a characteristic orange colouring due to the massive production of the colorant in the chloroplasts: Salmon-pink tobacco had been created.

Despite this achievement, a major obstacle remained: Tobacco is a very poisonous plant. And engineering the chloroplast DNA of the tree tobacco, a close but non-toxic relative of the cigarette tobacco, was not possible. Therefore the research team was searching for novel ways to introduce new genes into other plants, yet again.

The solution: horizontal gene transfer

“In previous grafting experiments, we had already shown that it is possible for plants to exchange chloroplast DNA between species”, explains Ralph Bock. This phenomenon, which commonly occurs in nature without any human intervention, is called horizontal gene transfer. It provides researchers with the opportunity to transfer foreign genes into so far non-transformable plants. After successful grafting of tobacco shoots onto plants of the tree tobacco, cells from the graft site were used to regenerate new plantlets by tissue culture. In this way, single tree tobacco cells that had received the chloroplast DNA from the astaxanthin-producing tobacco plant were regenerated into trees that now made the pigment.

Thus, while direct genetic engineering of the chloroplast DNA of the tree tobacco was not possible, horizontal gene transfer allowed for the introduction of modified genetic information related tobacco plants. In the future, this simple yet elegant transformation technology could also be applied to other important, but currently non-transformable plant species. 

jmr

Plätzchen backen zur Weihnachtszeit hat eine lange Tradition. Alle Jahre wieder bleibt dabei auch so mancher Teigrest an Schüssel oder Ausstechform kleben. Was in der heimischen Backstube die Naschkatzen hocherfreut, kann für Großbäckereien problematisch sein. Wenn hier größere Teigmengen an Transportbändern oder Gärtüchern haften bleiben, kann es zu Hygieneproblemen oder gar Produktionsausfällen kommen.

Kontaktdauer und Oberflächenstruktur im Blick

Forscher vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der TU München haben dieses Problem aufgegriffen und hinterfragt, warum Teige an Oberflächen haften bleiben. „Wir haben deshalb untersucht, welchen Einfluss die Kontaktdauer von Teig und Werkstoff hat und wie sich die Oberflächenstruktur der Werkstoffe auf die Teighaftung auswirkt“, sagt Sebastian Moeller vom Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik des KIT. Dafür schauten sich die Ingenieure die Oberflächen verschiedener Arbeitsmaterialien wie Backbleche aus Edelstahl, Transportbänder und Gärtücher unter einem Laser-Raster-Mikroskop genauer an. Diese Bilder wurden dann nach Parametern wie Rauheit, Höhenverteilung des Materials und Aufteilung des Oberflächenprofils in Spitzen-, Kern- und Talbereiche ausgewertet. Die Haftkräfte vom Teig wurden wiederum in einer Zentrifuge ermittelt.

Weniger Teighaftung auf rauen Flächen

„Wir fanden heraus, dass auch die Dauer des Kontakts zwischen Teig und Oberfläche dafür entscheidend ist, wie stark er klebt“, sagt Moeller. So blieb bei einer kurzen Kontaktzeit an Edelstahl-Blech und Transportband deutlich mehr Teig kleben als an den Gärtüchern, die für Brotteige oder Hefeteige benötigt werden. Bei den Transportbändern waren es demnach die Waffel- oder Rippenstruktur, welche die Kontaktfläche zum Teig reduzierten, so dass sich geringere Adhäsionskräfte entwickelten. Bei den Gärtüchern hingegen war erst nach längerer Kontaktdauer ein Unterschied zwischen den Materialien zu erkennen, wie Moeller berichtet. „Vor allem an Tüchern aus Polyester blieb deutlich mehr Teig kleben als an Baumwollgärtüchern“. An gereinigten Polyestertüchern hingegen blieb weniger Teig haften, als beim Pendant aus Baumwolle. Der Grund: Die Polyester- Oberfläche wurde durchs Waschen oder Abbürsten der Backreste aufgeraut, während die Baumwollstruktur flacher wurde und die Teighaftung so noch verstärkte. „Je rauer und luftdurchlässiger ein Material ist, desto geringer das Haftverhalten. Besonders stark klebt der Teig bei den Backblechen, die ja keine Luft durchlassen“, resümiert Moeller.

Schnelle Keimbildung bei Gärtüchern

Bei Gärtüchern zeigte sich noch ein anderes Problem. Mehl- und Teigrückstände führten sehr schnell zu Schimmelbildung, da die Tücher im Gärschrank bei Temperaturen um die 30 Grad und hoher Luftfeuchtigkeit liegen. Nach zwölf Wochen bilden sich darauf nachweislich gesundheitsschädliche und zellstoffzersetzende Keime. Aus hygienischen Gründen raten die Forscher Bäckereien daher, Gärtücher regelmäßig zu wechseln.

Basis für neue Materialien

Mit ihrer Studie tragen die Wissenschaftler nicht nur dazu bei, die Hygiene in Bäckereien zu verbessern. Auch die Produktivität könnte künftig mit der Entwicklung neuer Materialien und Werkstoffe, an denen weniger Teige aber auch Keime zurückbleiben, die Rohstoff-, Entsorgungs- und Reinigungskosten drosseln und gleichzeitig die Arbeitssicherheit erhöhen.

bb

Holz ist ein uralter natürlicher Rohstoff, der Menschen von jeher Licht und Wärme spendet und als Baumaterial unverzichtbar ist. Auf dem Weg zu einer biobasierten Wirtschaft gewinnt Holz auch für andere Branchen zunehmend an Bedeutung. Die chemische Industrie will aus der nachwachsenden Ressource Plattformchemikalien gewinnen. Auch für die Energiewirtschaft ist das Potenzial von Holz noch nicht ausgeschöpft. Zum Beispiel, wenn es darum geht, daraus Strom und Wärme auf nachhaltige Weise zu erzeugen.

Buchenholz als Biomasse optimal nutzen

Die nachhaltige Nutzung von Biomasse aus Holz zur Herstellung von Plattformchemikalien für die grüne Chemie und zur Energieerzeugung ist ein Schwerpunkt des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Spitzenclusters „BioEconomy“. Im Teilprojekt „Energetische Nutzung und Optimierung im Gesamtzusammenhang der Kaskadennutzung“, das vom Deutschen Biomasseforschungszentrum (DBFZ) geleitet wurde, ist es den Experten erstmals gelungen, die anfallenden Reststoffströme aus einer Buchenholz-Bioraffinerie optimal energetisch als auch den eingesetzten Rohstoff vollständig in Koppelproduktion zu nutzen. Das Vorhaben wurde von 2012 bis 2015 vom BMBF mit rund 370.000 Euro unterstützt.

Biogas und Pellets aus Bioraffinerie-Reststoffströmen

Im Projekt ging es zum einen um die Nutzung flüssiger und pastöser Nebenströme aus dem Abwasser zur Erzeugung von Biogas. Zum anderen ging es um die Herstellung von Pellets als Festbrennstoff aus den festen ligninhaltigen Reststoffströmen. Die Forscher konzentrierten sich dabei auf Reststoffe, die bei der auf Buchenholz spezialisierten Bioraffinerie-Anlage am Fraunhofer CBP in Leuna entstehen. Hier wird die Biomasse zur Herstellung neuer Plattformchemikalien mithilfe einer neuartigen Methode, dem Organosolv-Verfahren, aufgeschlossen. „Dabei fallen viele flüssige Reststoffe an, die einen hohen Wassergehalt aufweisen und sich prinzipiell für die Erzeugung von Biomethan mit anaeroben Gärungsverfahren eignen. Dagegen wurden feste, ligninhaltige Reststoffe für die Pelletherstellung genutzt, da sie im Biogasprozess nicht verwertet werden können. Dafür fehlt die Technologie“, erklärt Romann Glowacki, der das Projekt am DBFZ koordinierte.

Die Haut ist das größte Organ der Menschen und erfüllt zahlreiche wichtige Funktionen für den gesamten Organismus. Doch sie wird auch täglich angegriffen – durch Sonnenstrahlen oder Feuchtigkeit sowie durch Allergene in Kleidungsstücken oder Cremes. Um Allergene beispielsweise in neuen Kosmetika von vornherein auszuschließen, werden diese in Zellkulturen an Hautmodellen getestet. Die Hochschule Mannheim und die BRAIN AG entwickeln deswegen gemeinsam ein neues dreidimensionales Hautmodell zum besseren Verständnis der Physiologie der Haut und mit dem Ziel der Erschließung neuer Einsatzmöglichkeiten in der Gesundheits- und Kosmetikbranche.

Industrie und Forschung entwickeln neue Hautmodelle

Das Forschungsprojekt „Multimodale Analytik und Intelligente Sensorik für die Gesundheitsindustrie (M²Aind)" ist ein öffentlich-privates Partnerschaftsprojekt und wird  vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für mindestens vier Jahre mit 6 Mio. Euro gefördert. Bei positiver Zwischenbilanz kann die Förderung sogar um weitere vier Jahre verlängert werden. Der Startschuss für das Projekt fiel im Januar 2017. Derzeit sind 37 Partner aus Industrie und Forschung an dem Projekt beteiligt. Die Projektpartner konnten bereits einen Übersichtsartikel im Fachmagazin „Journal of Cellular Biotechnology“ publizieren. Darin sind die Zusammensetzung und die grundlegenden Merkmale und Funktionen der menschlichen Haut beschrieben. Auch werden Aufbau und Voraussetzungen sowie Vor- und Nachteile der derzeitigen In-vitro-3D-Hautmodelle besprochen und in einer umfassenden Übersichtstabelle miteinander verglichen.

3D-Hautmodelle stellen Realität besser dar

Der heutige Stand der Forschung und Entwicklung für neue Anwendungen in der Hautforschung basiert teilweise noch immer auf 2D-Zellkulturen. Der multizellulare Aufbau der 3D-Modelle erleichtert die Interaktion der Zellen allerdings sowohl miteinander, als auch mit der extrazellulären Matrix. Somit können die 3D-Modelle die In-vivo-Umgebung der menschlichen Haut viel genauer darstellen. Mit den neuesten Technologien werden die Zellen in kugelförmigen Gefügen von Mikrogewebe angeordnet, was einen höheren Standardisierungsgrad und verbesserte Automatisierungsmöglichkeiten für industrielle Anwendungsgebiete bedeutet.

Visualisierung in Echtzeit

Allerdings ist die industrielle Nutzung der 3D-Sphäroide noch sehr begrenzt, da die Methoden zur Analyse der schnell ablaufenden biologischen Prozesse in der Zelle noch nicht ausgereift sind. Im Rahmen des Projektes „M²Aind" sollen diese Beschränkungen überwunden werden. Das Ziel: Die in unterschiedlichen Hautschichten der 3D-Sphäroide stattfindenden molekularen Prozesse sollen in Echtzeit und hoher Auflösung visualisiert werden. In Zukunft sollen so auch neuartige Technologien zur Verwendung und Nutzung menschlicher Stammzellen in der personalisierten Diagnostik, zur Entwicklung von Therapien sowie für die regenerative Medizin entwickelt werden.

jmr

The skin is the largest organ of the human body and fulfils a number of vital functions. However, the skin is also under constant “attack” – by the sun, water or allergens in clothing and cosmetics. In order to minimise or even exclude allergens in such products, they are tested on skin models in cell culture. For a better understanding of skin physiology the Mannheim University of Applied Sciences (MUAS) and BRAIN AG are developing a new three-dimensional skin model with the aim to provide new insights for health care and cosmetic applications.

Research and industry band together

The research project Multimodal Analytics and Intelligent Sensorics for the Health Industries (M²Aind) is a Public-Private-Partnership project led by MUAS and sponsored by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF). Kick-off was in January 2017 and the funding amounts to €6 million for four years, with the option for another four years, depending on positive midterm reviews. Currently there are 37 partners from research and industry taking part in the project, and the project partners already published their first review article in the “Journal of Cellular Biotechnology”. The article details the composition as well as principal features and functions of human skin. It discusses the setup, prerequisites, advantages, and disadvantages of currently available in vitro 3D skin models, and compares them in a comprehensive overview table.

3D models allow for more realistic insight

Breakthroughs in 3D skin modelling are perceived as potential game changers for various market segments, because many research and development activities for new skin applications are still partly based on 2D cell culture. However, the multicellular setting of 3D models allows for a much better interaction of cells with each other and with the extracellular matrix. They are therefore much more representative of the in vivo environment of human skin. Newer technologies focus on organising the cells in spherical micro-tissues with the advantage of allowing better standardisation and automatisation for industrial applications.

Visualising molecular processes in real-time

However, application for industry is still quite restricted due to limited methods available to analyze the fast biological processes that take place within the cell. The goal of the M²Aind project of MUAS and BRAIN is to overcome this limitation by developing new technologies that can visualise the molecular processes that are ongoing in the different skin layers in 3D spheroids in real-time and with high-resolution. The future aim is to develop and apply novel technologies using human stem cells in personalised diagnostics and therapies as well as for the field of regenerative medicine.

jmr

Raps ist in vielerlei Hinsicht eine ganz besondere Kulturpflanze. Zum einen ist sie noch verhältnismäßig jung – Raps entstand erst vor etwa 1.000 Jahren durch eine zufällige Kreuzung aus Rübsen (Chinakohl) und Gemüsekohl. Zum anderen besitzt Brassica napus mit 38 Chromosomen ein sehr großes und komplexes Genom, über das bis vor wenigen Jahren noch kaum etwas bekannt war. Die gelbblühende Ölsaat findet in immer mehr industriellen Bereichen Verwendung, doch es besteht die Gefahr, dass heutige Rapssorten den Ernte- und Umweltanforderungen bald nicht mehr gerecht werden.

Forschungsverbund für mehr Raps-Diversität

Aufgrund seiner vielseitigen Nutzungsformen wird der Raps heute in ganz Europa angebaut und unter anderem in der humanen Ernährung, der Tierfütterung oder in der Herstellung von Biodiesel verwendet. Um die Rapszüchtung zu optimieren und zu stabilisieren, haben sich sieben Züchtungsbetriebe aus ganz Deutschland sowie sieben Forschungseinrichtungen unter der Federführung von Gunhild Leckband, Geschäftsführerin der NPZ Innovation GmbH, und Amine Abbadi in Holtsee zusammengeschlossen. Das Forschungskonsortium namens Pre-Breed-Yield wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Förderinitiative „Pflanzenbiotechnologie der Zukunft“ von 2011 bis 2015 mit rund 4 Mio. Euro gefördert.

Flaschenhälse in der Rapszüchtung

Trotz seines großen Genoms weisen heutige Rapssorten nur eine sehr geringe genetische Vielfalt auf. „Diese geringe Diversität entstand, weil sich Züchter auf zwei bestimmte Zuchtziele konzentriert haben“, sagt Abbadi. Auf der einen Seite sollte die ernährungsphysiologisch bedenkliche Erucasäure aus dem Raps verschwinden, und auf der anderen Seite sollte der Gehalt an Glucosinolaten im Rapsschrot reduziert werden, damit er sich besser für die Tierfütterung eignet. Diese zwei „züchterischen Flaschenhälse“ hätten schließlich zu der genetischen Verarmung geführt. „Heute wird europaweit eigentlich nur noch der sogenannte 00-Raps angebaut, also ohne Erucasäure und niedrig Glucosinulate“, sagt Abbadi.

Das Ziel des Forschungsverbunds: Mehr genetische Diversität in der Rapszüchtung schaffen, um aktuellen und zukünftigen Anbauproblemen neue Sorten entgegensetzen zu können. „Wir wollten für mehr Ertrag, für eine höhere Toleranz gegen abiotischen Stress wie Trockenheit und für mehr Stickstoffeffizienz sorgen“, erläutert Abbadi.

Verwandtschaftsverhältnisse von Rapspflanzen untersucht

Um ihrem Ziel näher zu kommen, führte das Konsortium zunächst eine große Literaturrecherche durch. Alte Gen- und Datenbanken wurden durchforstet und schließlich etwa 1.500 verschiedene Rapslinien zusammengetragen, deren genetisches Profil teilweise nicht bekannt war.

„Anschließend haben wir diese auf etwa 500 Linien, welche für einen Anbau im europäischen Raum geeignet waren, reduziert“, sagt Abbadi. Diese 500 Linien wurden dann mithilfe von molekularen Markern untersucht, um ihre genetische Diversität zu erfassen. Bis dato waren die verfügbaren genetischen Informationen über Raps sehr begrenzt. Also verglichen die Forscher die Verwandtschaftsbeziehungen zwischen verschiedenen Rapslinien – ein Verfahren, das „Fingerprinting“ genannt wird. Schließlich fokussierten sich die Genetiker auf 50 Linien, die dennoch die gesamte genetische Bandbreite der ursprünglich 1.500 Linien abdeckten.

Durch Kreuzungen entstanden 2.500 Rapsfamilien

„Diese 50 Linien haben wir dann alle mit einer sogenannten Elitelinie gekreuzt, die bereits in der Züchtung eingesetzt wird“, berichtet Abbadi. Ein Mammutprojekt: Durch die Kreuzungen entstanden insgesamt 2.500 Rapsfamilien, deren Genom auf die Merkmale Ernteeigenschaften, Stresstoleranz und Stickstoffeffizienz untersucht werden musste. „Das war wirklich eine Materialschlacht“, sagt Abbadi heute. „Es war gar nicht so einfach genügend Pflanzenmaterial herzustellen und allen Züchtern zur Verfügung zu stellen, um anschließend aussagekräftige Daten für alle 2.500 Familien zu erhalten.“

Eine Datenbank für die Forschergemeinde

Natürlich galt es auch einige andere Herausforderungen zu meistern. „14 Projektpartner zu koordinieren, deren Arbeiten aufeinander aufbauen, ist keine einfache Aufgabe.“ Auch die molekularen Analysemethoden für die rekombinierten Genomabschnitte waren anfangs gar nicht vorhanden. Unterschiede in einzelnen DNA-Bausteine zwischen den Linien, sogenannte Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs), wurden mithilfe der Genomsequenzierung der 50 Linien und Genotypisierungschips analysiert. „Das Konsortium hat diesen speziellen Chip mitentwickelt. So konnten wir auch bestimmen, welche Marker analysiert werden.“ Die größte Herausforderung sei jedoch das Datenmanagement gewesen. „Alle Partner mussten zu jeder Zeit auf alle Daten zugreifen können. So ist die Pre-Breed-Yield-Datenbank entstanden“, erzählt Abbadi. Inzwischen ist die Datenbank für die gesamte Forschergemeinde zugänglich und wird noch immer stetig aktualisiert.

Mehr Ertrag als die Elitelinie

Aus den 2.500 Rapsfamilien wurden schließlich basierend auf den Daten aller Projektpartner 1.000 Familien ausgesucht. Diese wurden wiederum mit einer sterilen Mutterlinie weitergekreuzt, um Hybriden zu erzeugen. „Die meisten heute verwendeten Rapssorten sind Hybriden“, erklärt Abbadi. „Wir wollten den sogenannten Heterosis-Effekt nutzen, der zur Folge hat, dass Kreuzungsnachkommen ertragreicher sind als die Elternpflanzen.“ Die entstandenen Experimentalhybriden bauten die Pflanzenforscher an 12 verschiedenen Standorten an und ermittelten deren Ertrag. Das Ergebnis: Es wurden Linien identifiziert, die in Sachen Ertrag und Stickstoffeffizienz noch besser sind als die ursprüngliche Elitelinie. „Diese besonders ertragreichen Rapslinien sind heute für alle Züchter in Deutschland frei zugänglich“, berichtet Abbadi.

Zahlreiche Nachfolger-Projekte

„Wir sind sehr dankbar für die Unterstützung und Förderung durch das BMBF“, betont Abbadi. „Kein Züchter hätte so ein Projekt alleine bewerkstelligen können.“ Nach dem Vorbild des deutschen Großprojektes sind seither weltweit zahlreiche Ableger und Weiterführungen entstanden, die beispielsweise den Raps für den Anbau in Nordamerika optimieren.

Autorin: Judith Reichel

In many ways, rapeseed is a very special crop. For one thing, it is still relatively young - oilseed rape originated only about 1,000 years ago by a random cross between turnip (Chinese cabbage) and cabbage. On the other hand, with its 38 chromosomes Brassica napus has a very large and complex genome, with little of it known until a few years ago. Now, the yellow-flowering oilseed is used in many industrial areas, but there is a risk that today's rape varieties will soon no longer meet the harvest and environmental requirements.

Research network for more rapeseed diversity

Because of its versatile uses, rapeseed is now cultivated all over Europe and used – among other things – in human nutrition, animal feed or in the production of biofuel. In order to optimize and stabilize rapeseed breeding, seven breeding companies across Germany and seven research institutes have joined forces and are coordinated by Gunhild Leckband, Managing Director of NPZ Innovation GmbH, and Amine Abbadi in Holtsee. The research consortium, called Pre-Breed-Yield, was funded by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) from 2011 to 2015 with aproximately €4 million as part of the funding initiative „Pflanzenbiotechnologie der Zukunft“.

Bottlenecks in rapeseed breeding 

Despite its large genome, today's rape varieties have very little genetic diversity. "This low diversity was created because breeders focused on two specific breeding goals," says Abbadi. On the one hand, the nutritionally questionable erucic acid should disappear from the rapeseed, and on the other hand, the content of glucosinolates in rapeseed meal should be reduced so that it is better suited for animal feeding. These two "breeding bottle necks" eventually led to genetic depletion. "Today, only the so-called 00 rape is cultivated in Europe. It contains no erucic acid and low glucosinulate," says Abbadi. 

The goal of the research network: To create more genetic diversity in rapeseed breeding in order to be able to counteract current and future cultivation problems with new varieties. "We wanted to increase yields, increase tolerance to abiotic stressors such as dryness, and increase nitrogen efficiency," explains Abbadi.

Relationships of oilseed rape plants

The first step towards that goal was a large literature search. Old gene and databases were scoured and eventually collected about 1,500 different rapeseed lines, with some of their genetic profiles unknown. 

"Subsequently, we reduced it to about 500 lines that were suitable for cultivation in Europe," says Abbadi. These 500 lines were then examined using molecular markers to capture their genetic diversity. So far, the available genetic information about oilseed rape has been very limited. Therefore, researchers compared family relationships between different rapeseed lines - a process called fingerprinting. Finally, the geneticists focused on 50 lines that nonetheless covered the entire genetic range of the original 1,500 lines.

Crossings generated 2,500 rapeseed families

"We then crossed every one of these 50 lines with  the so-called elite line, which is already used in breeding," says Abbadi. A gigantic project: A total of 2,500 rapeseed families emerged from the crossbreeds. Afterwards, every genome had to be examined for their crop characteristics such as stress tolerance and nitrogen efficiency. "In hindsight, it was difficult to produce enough plant material and make it available to all breeders, and then provide meaningful data for all 2,500 families", says Abbadi.

A database for the research community

In addition, there were a number of other challenges to master: "Coordinating 14 project partners whose work builds on each other is not an easy task." The molecular analysis methods for the recombined genome segments were also had to be established first. Differences in single DNA building blocks between the lines, so-called single nucleotide polymorphisms (SNPs), were analyzed by means of genome sequencing of the 50 lines via genotyping chips. "The consortium co-developed this special chip. This also allowed us to determine which markers to analyze. "The biggest challenge, however, was data management. "All the partners needed access to all data at all times. This is how the Pre-Breed-Yield database came about," says Abbadi. By now, the database is accessible to the entire research community and is still being updated constantly.

More yield than the elite line 

From the 2,500 rape families, in the end 1,000 families were selected based on the data of all project partners. These were in turn further crossed with a sterile maternal line to produce hybrids. "Most rape varieties used today are hybrids," explains Abbadi. "We wanted to use the so-called heterosis effect, which results in crossbred progeny being more productive than the parent plants." The resulting experimental hybrids were established by plant researchers at 12 different sites who also determined their yield. The result: They identified lines, which are even better in terms of yield and nitrogen efficiency than the original elite line. "These particularly productive rapeseed lines are now freely accessible to all breeders in Germany," says Abbadi. 

Numerous successor projects 

"We are very grateful for the support and funding by the BMBF," emphasizes Abbadi. "No one breeder could have managed such a project by themself." Following the example of the German large-scale project, numerous offshoots and continuations have since sprung up, optimizing rape seed for cultivation in North America, for example.

Author: Judith Reichel

Die Bundesregierung hat mit der Nationalen Forschungsstrategie BioÖkonomie die Vision einer nachhaltigen, biobasierten Wirtschaft formuliert. Die Sicherung der Welternährung, die Produktion von gesunden und sicheren Lebensmitteln, die nachhaltige Gestaltung der Agrarproduktion sowie die industrielle und energetische Nutzung nachwachsender Rohstoffe erfordern intensive Forschungsanstrengungen zur Nutzbarmachung biologischen Wissens, zur Weiterentwicklung biobasierter Verfahren und zur optimalen Verwertung biologischer Ressourcen.

Internationale Kooperationen stärken

Zur Realisierung der Bioökonomie bedarf es einer weltweiten Zusammenarbeit. Hier setzt die Fördermaßnahme „Bioökonomie International“ (Bioeconomy International) an. Ihr Ziel ist es, durch die Förderung von Forschungs- und Entwicklungsprojekten in enger Zusammenarbeit mit relevanten ausländischen Partnern zu zentralen Fragestellungen der Bioökonomie internationale Kooperationen zu stärken und Partnerschaften aufzubauen. Hierbei sind neben den technologischen Fragestellungen und Entwicklungszielen auch sozioökonomische Aspekte und ganzheitliche Ansätze von Bedeutung.

Ein Fokus liegt diesmal auf Argentinien und Brasilien

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat nun eine neue Ausschreibungsrunde für „Bioökonomie International“ gestartet. Sie zielt auf Verbundprojekte insbesondere mit Partnern aus den Ländern Argentinien, Brasilien, Chile, China, Indien, Kanada, Malaysia, Russland und Vietnam ab.

Die diesjährige Fördermaßnahme ist in drei Module untergliedert:

• Modul 1: Basis Bioökonomie International: hier wird die Zusammenarbeit mit Partnern aus Nicht-EU-Ländern gefördert. Projektvorschläge können in diesem Modul zu allen fünf Handlungsfeldern der Nationalen Forschungsstrategie eingereicht werden.
• Modul 2: Bioökonomie Deutschland – Argentinien: hier wird die Zusammenarbeit mit Partnern aus Argentinien gefördert. Relevante Themenfelder sind Technologieplattformen für zukünftige Anwendungen in der Pflanzenzüchtung, die Aufwertung von Abfällen aus der Landwirtschaft, sowie biotechnologische Produkte und Produktionstechnologien zur Reduktion des ökologischen Fußabdrucks landwirtschaftlicher Nutzflächen (Ökoeffizienz).
• Modul 3: Bioökonomie Deutschland – São Paulo: hier wird speziell die Zusammenabeit mit Partnern aus dem brasilianischen Bundesstaat São Paulo, Brasilien, gefördert. Hier soll es um nachhaltige Landwirtschaft, Lebensmittelproduktion, Produkte aus nachhaltig produzierter Biomasse und andere Bio-Produkte.

Antragsberechtigt sind Hochschulen, außeruniversitäre Forschungseinrichtungen, Landes- und Bundeseinrichtungen mit Forschungsaufgaben sowie Unternehmen der gewerblichen Wirtschaft in der Europäischen Union, darunter ­insbesondere auch kleine und mittlere Unternehmen (KMU), der Zuwendungsempfänger muss seinen Sitz in Deutschland haben.

Projektskizzen können im Internet-Portal www.bioeconomy-international.de bis zum 16. April 2018 hochgeladen werden. Das Antragsverfahren ist zweistufig. Ansprechpartner beim Projektträger Jülich sind Veronika Jablonowski und Christian Breuer.

Mehr als zwei Jahre ist es her, als internationale und nationale Akteure aus Politik und Wissenschaft beim „Global Bioeconomy Summit“ (GBS) erstmals gemeinsam über die weltweite Bedeutung der Bioökonomie debattierten. Mehr als 700 Gäste aus 82 Länder kamen nach Berlin, um im Rahmen des zweitägigen Treffens über zentrale Themen wie Klimaschutz, Dekarbonisierung und den Kampf gegen den Hunger zu diskutieren. Im Ergebnis des ersten Weltgipfels zur Bioökonomie wurde ein Abschluss-Communiqué zu fünf Prioritäten einer internationalen politischen Agenda auf dem Weg in die biobasierte Wirtschaft verabschiedet. Die Veranstaltung wurde vom Bioökonomierat organisiert und von der Bundesregierung unterstützt.

Mit Studenten die Bioökonomie von Morgen gestalten

Vom 19. bis 20. April 2018 findet nun in der Berlin zum zweiten Mal der Global Bioeconomy Summit statt. Dieses Mal will der Kongress der jungen Generation eine Bühne für ihre Zukunftsvisionen bieten. Mit der „Bioeconomy Art Competition“ hat der Bioökonomierat Mitte Dezember den Kreativwettbewerb gestartet. Junge, kreative Menschen aus der ganzen Welt sollen motiviert werden, ihre Ideen einer zukünftigen Bioökonomie darzustellen. 

Der Grund: Die Bioökonomie wurde bisher hauptsächlich von Forschern und politischen Entscheidungsträgern als Vision oder Konzept beschrieben. Erzählungen und Visualisierungen darüber, wie die zukünftige Bioökonomie aussieht, müssen noch entwickelt werden. Diese Bilder oder visuellen Definitionen sind dem Rat zufolge wichtig, um Emotionen und Visionen der Bioökonomie zu vermitteln und öffentliche Dialoge zu führen. „So entstand die Idee, Hochschulen anzusprechen, um mit Studenten zusammen zu arbeiten“, sagt  Jurymitglied und Professor für Illustration an der University of Applied Sciences Europe in Berlin, Hans Baltzer, im Gespräch mit bioökonomie.de.

Zukunftsvisionen mit Bildern und Comics vermitteln

Studierende, die sich für das Thema interessieren, sind daher aufgerufen, ihre Illustrationen zur Bioökonomie von Morgen bis zum 31. Januar 2018 an das Gremium online zu senden. Neben Zukunftsvisionen zur Bioökonomie geht es um Ideen, die Fragen aufgreifen, wie die Bewerber selbst in Zukunft leben wollen, wie die Bioökonomie dazu aber auch zur Bewältigung der globalen Herausforderungen im direkten Lebensumfeld des Bewerbers beitragen könnte. „Die Illustrationen können weit gefächert sein. Die Bilder sollen vor allem Geschichten erzählen. Das können Zeichnungen, Skizzen aber auch Comics sein“, sagt Baltzer.

Die besten drei sind beim GBS dabei

Eine Jury wird die eingereichten Vorschläge prüfen. Die drei besten Beiträge erhalten dann die Gelegenheit ihre Ideen beim Weltgipfel im April 2018 vorzustellen. „Es geht vor allem darum, diese Ansätze einem internationalem Fachpublikum zu präsentieren und damit andere Gespräche zu provozieren“, sagt Baltzer.

Bewusstsein zur Bioökonomie schärfen

Der Experte für Illustrationen ist überzeugt: Mithilfe der Kunst kann das Bewusstsein der jungen Generation für die Bioökonomie weiter geschärft werden. „Zu Beginn jedes Wandels steht ein Gedanke. Und da kommt die Kunst ins Spiel.“

bb

It’s been more than two years since international and national players across policy and science discussed the meaning of bioeconomy at the „Global Bioeconomy Summit“ (GBS). More than 700 guests from 82 countries came to Berlin for the two-day meeting in order to talk about such pivotal topics as global warming, protecting the environment, decarbonisation, and the fight against world hunger. As a result of the first global bioeconomy summit, the participants agreed on a final communiqué that highlighted five priorities of an international political agenda towards a biobased economy. The event was organised by the German Bioeconomy Council and was supported by the German government.

Creating the bioeconomy of tomorrow

The second Global Bioeconomy Summit will take place April 19 and 20, once again in Berlin. This time, the meeting will also offer the stage to the next generation and their vision of the future: Last December the Bioeconomy Council started the creative “Bioeconomy Art Competition”. Young, creative people from all over the world are asked to present their ideas for a future bioeconomy.

The competition was initiated, because - thus far - most concepts were developed by scientists or policy makers. Visualisations and realisations of a future bioeconomy have yet to be developed. According to the council, such images and visual definitions are important in order to transport the emotions and visions of the bioeconomy and initiate a public discourse. “This is how the idea to talk to universities and work with students came about,” says Hans Baltzer, juror and professor for illustration at the University of Applied Sciences Europe in Berlin.

Visions of the future in pictures and comics

Interested students are invited to send their illustrations regarding the bioeconomy of tomorrow to the jury until January 31. Aside from future visions of bioeconomy, the competition asks how the participants themselves want to live in the future and how bioeconomy can contribute to that as well as to the many global challenges that are directly affecting the participants. “The illustrations can cover a wide array of topics. The pictures are supposed to tell a story in drawings, sketches or comics,” says Baltzer.

The top three will be presented at the GBS

A jury will assess the proposals. The three best contributions will be presented during the global summit in April 2018. “It’s about presenting these ideas and approaches to an international expert audience and thereby initiate new conversations,” says Baltzer.

Sharpening the awareness for bioeconomy

The illustration-expert is convinced: By using art, the awareness of the young generation regarding bioeconomy can be further enhanced. “Every change has to be imagined first. This is where art comes into play.”

jmr/bb

Bioniker schauen sich Strukturen von der Natur ab und entwickeln daraus technische Lösungen. Für Leandra Hamann waren im Wasser lebende Organismen die Vorlage für einen Mikroplastik-Filter. In Rahmen ihrer Masterarbeit hat die Biologin erfolgreich nach einer Lösung gesucht, um die Abwasserbelastung durch Kunststoffpartikel, die kleiner als 5 Millimeter sind, mit Filtern zu reduzieren. Dafür wurde die Forscherin kürzlich mit den Alfred-Kärcher-Förderpreis ausgezeichnet.

Pflanzen brauchen Licht zum Wachsen. Dabei konkurrieren sie jedoch oft mit Nachbarn, die größer sind und sie somit in den Schatten drängen. Um dennoch ausreichend Licht einzufangen, haben Pflanzen verschiedene Strategien entwickelt, zwischen denen sie je nach Konkurrenzsituation wählen, wie Forscher der Universität Tübingen herausfanden. Wie das Team im Fachjournal „Nature Communications“ berichtet, orientieren sich die Pflanzen dabei jeweils an Höhe und Wuchsdichte der Konkurrenz.

Pflanzen und ihre Ausläufer im Visier

So erkennen Pflanzen beispielsweise die Anwesenheit anderen Pflanzen an einer reduzierten Lichtmenge oder an den veränderten Anteilen von hellroten zu dunkelroten Wellenlängen, wenn Licht durch die Blätter gefiltert wird. Sie reagieren darauf entweder mit Konfrontation, indem sie über ihre Konkurrenten hinauswachsen und diese beschatten oder mit Toleranz, welche erlaubt auch im Schatten zu gedeihen. Klonale Pflanze, die sich über Ausläufer fortpflanzen können, zeigen noch eine weitere Reaktion: Sie wachsen seitlich aus dem Umfeld der Nachbarn und gehen so Konkurrenz ums Licht buchstäblich aus dem Weg.  „Wir haben nun untersucht, ob Pflanzen zwischen diesen Reaktionsmöglichkeiten wählen und damit passend auf Größe und Dichte der Konkurrenz reagieren können,“ sagt die Tübinger Biologin Michal Gruntman.

Pflanzen passen sich Konkurrenz an

Die Studienergebnisse offenbaren, dass Pflanzen die Dichte und die Wettbewerbsfähigkeit ihrer Nachbarpflanzen einschätzen und ihre Reaktionen entsprechend anpassen können. Die Fähigkeit, je nach Ergebnis zwischen verschiedenen Reaktionen zu wählen, könnte den Forschern zufolge vor allem in einem heterogenen Umfeld wichtig sein. Denn hier wachsen Pflanzen möglicherweise neben Nachbarn, die sich in Größe, Alter oder Dichte unterscheiden, und sollten deshalb in der Lage sein, die angemessene Strategie zu wählen.

Wettbewerb ums Licht simuliert

Im Rahmen der Studie simulierte das Team um Gruntman für das Kriechende Fingerkraut Potentilla reptans verschiedene Szenarien eines Wettbewerbs um Licht. Sie verwendeten Hochkantstreifen als transparente Grünfilter, die sowohl Lichtmenge als auch das Verhältnis von hellroten zu dunkelroten Wellenlängen veränderten und somit Konkurrenz mit Nachbarn um Licht realistisch simulierten. Ferner variierten sie in einigen Fällen Höhe und Dichte der vermeintlich konkurrierenden Nachbarn.

Optimale Reaktion gewählt

Die Versuche der Tübinger zeigen: Das Fingerkraut kann tatsächlich die optimal angepasste Reaktion wählen. Die Pflanze investierte ins Längenwachstum, wenn die Simulation kurz- und dichtwachsende Nachbarspflanzen vorgab. Wurden dagegen hoch- wie auch dichtwachsende Nachbarspflanzen simuliert, bei denen weder Flucht noch Konfrontation möglich war, entwickelten sie die höchste Schattentoleranz. Bei hohen aber licht wachsenden Vegetationen reagierte das Fingerkraut stattdessen mit seitwärts gerichteten Ausläufern. Die Studie der Tübinger Forscher zeigt einmal mehr, welche Fähigkeiten Pflanzen besitzen, um komplexe Informationen über ihre Umgebung zu integrieren und darauf optimal zu reagieren.

bb

Competition is part of the natural environment: animals compete for food sources while plants mainly compete for light, which is essential to their growth. Similar to animals, plants have several options of how to react in the face of competition. Biologists from the University of Tübingen have now demonstrated that plants can in fact choose between alternative competitive responses according to the stature and densities of their opponents. A new study by researchers from the Institute of Evolution and Ecology reveals that plants can evaluate the competitive ability of their neighbours and optimally match their responses to them. The results were published in the journal “Nature Communications”.

Vertical growth, shade tolerance, or avoidance behaviour

Given the necessity of light for their growth and subsequent survival, plants have developed mechanisms to detect the presence of other competing plants through various cues, such as the reduction in light quantity or in the ratio of red to far-red wavelengths, which occurs when light is filtered through leaves. Such competition cues are known to induce two types of responses: confrontational vertical elongation, by which plants try to outgrow and shade their neighbours, and shade tolerance, which promotes performance under limited light conditions. Moreover, some plants, such as clonal plants, can exhibit avoidance behaviour as a third response type: they grow away from their neighbours. “These three alternative responses of plants to light competition have been well-documented in the literature”, says Michal Gruntman, lead author of the paper. “In our study we wanted to learn, if plants can choose between these responses and match them to the relative size and density of their opponents.”

Simulating different light-competition settings

In order to answer this question, the researchers used the clonal plant Potentilla reptans in an experimental setup that simulated different light-competition settings. They used vertical stripes of transparent green filters that reduce both light quantity and the ratio of red to far-red wavelengths to provide a realistic simulation of light competition. By changing both the height and density of this simulated vegetation, the researchers could present different light-competition scenarios to the plants.

Plants can choose their optimal response

The result: Potentilla reptans can indeed choose its response to competition in an optimal way. When the plants where under treatments simulating short-dense neighbours, Potentilla reptans showed the highest confrontational vertical growth. However, under simulated tall-dense neighbours, which could not be outgrown either vertically or laterally, plants displayed the highest shade tolerance behaviour. Lastly, under tall-sparse neighbours, plants exhibited the highest lateral-avoidance behaviours.

The findings of this study reveal that plants can evaluate the density and competitive ability of their neighbours and tailor their responses accordingly. “Such an ability to choose between different responses according to their outcome could be particularly important in heterogeneous environments, where plants can grow by chance under neighbors with different size, age or density, and should therefore be able to choose their appropriate strategy” says Gruntman. This study provides new evidence for the ability of plants to integrate complex information about their environment and respond to it in an optimal way.

jmr

Gefragt sind originelle Geschäftsideen für eine biobasierte Zukunft: Im Rahmen der Nationalen Forschungsstrategie BioÖkonomie 2030 hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Jahr 2013 den Ideenwettbewerb „Neue Produkte für die Bioökonomie“ ins Leben gerufen. Der Ideenwettbewerb schafft eine unkomplizierte Fördermöglichkeit mit einer niedrigen Eintrittsschwelle insbesondere für originelle und neue Visionen. In der ersten Ausschreibungsrunde wurden damals mehr als 200 Ideenskizzen eingereicht, aus denen es 32 in die Sondierungsphase schafften. Darunter sind Ideen wie smarte Spürsonden für Bioreaktoren, Lebensmittelfolie aus Lupinen oder ein Dünger aus Pilzen und Biokohle. Im Jahr 2016 gab es eine zweite Ausschreibungsrunde des Ideenwettbewerbs. Nun hat das BMBF eine neue Ausschreibungsrunde gestartet - mit einem etwas überarbeitetem Konzept.

Risikoreiche Ideen gefördert

Im Fokus des aktuellen Ideenwettbewerbs steht auch dieses Mal die Förderung sehr früher und risikoreicher Produktideen für die Bioökonomie. Gefördert werden neuartige Ideen für biobasierte Produkte, Verfahren und Dienstleistungen, die zur Umsetzung der Vision einer biobasierten Wirtschaftsweise in Deutschland beitragen. Thematisch sind den Antragstellern keine Grenzen gesetzt. Die Konzepte können alle Bereiche der Bioökonomie im Sinne der Nationalen Forschungsstrategie BioÖkonomie 2030 betreffen. Antragsberechtigt sind Hochschulen und außerhochschulische Forschungs- und Wissenschaftsinstitute, Bundes- und Landeseinrichtungen mit Forschungsaufgaben, Technologietransfer-Einrichtungen sowie Innovationsmittler, forschungsorientierte physische oder virtuelle Kooperationseinrichtungen aber Unternehmen aus der Wirtschaft vor allem kleine und mittlere Unternehmen (KMU), die ihren Sitz in Deutschland haben.