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Insektenraupen, Schnecken und Blattläuse haben eins gemeinsam: Sie machen sich über Gemüse her und sind daher so manchem Landwirt und Hobbygärtner ein Dorn im Auge. Doch nicht alle Pflanzen sind so wehrlos gegen ihre Fraßfeinde. Viele haben ein ausgeklügeltes Notrufsystem entwickelt, um sich der Angreifer zu erwehren. Der Trick: Sie verströmen sehr spezielle Düfte und locken so die Feinde der Pflanzenfresser als Verstärkung an. So ein Geruch zieht beispielsweise Wespen an, die Raupen als Wirtstiere nutzen, um ihre Eier in ihnen abzulegen, wodurch diese getötet dann werden.

Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung von Wissenschaftlern des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) Halle-Jena-Leipzig fand nun heraus, dass sich die Zusammensetzung der duftenden Signale, die solche Pflanzen verströmen, je nach Art des Angreifers unterscheiden. Wie die Forscher im Fachjournal „New Phytologist“ berichten, hatten sie dafür den Einfluss von zwölf Pflanzenfressern, darunter Raupen, Blattläuse und Nacktschnecken auf die wilde Kohl-Art Rübsen (Brassica rapa) genannt, untersucht.

Pflanzen passen Duftnoten dem Angreifer an

Das Ergebnis: Die Kohl-Pflanzen passten ihre Gerüche den jeweiligen Eigenschaften der ungebetenen Gäste an. Zur Überraschung der Forscher sandten die Rübsen darüber hinaus ganz andere Duftnoten aus, wenn sie von nicht-heimischen Insekten befallen wurden. Mithilfe eines hochpräzisen Massenspektrometers, einem Gaschromatografen, zeigte sich, dass sich die Reaktionen der Pflanzen auf exotische und einheimische Pflanzenfresser nicht anhand einer einzigen flüchtigen Substanz unterschieden, sondern anhand des Verhältnisses verschiedener Substanzen. „Das passt zu dem, was wir über die Wahrnehmung und das Verhalten von parasitoiden Wespen und anderen Prädatoren wissen. Sie nutzen eine Mischung aus verschiedenen Geruchs-Substanzen, um Informationen über ihre Beute zu erhalten“, erklärt Studienleiterin Nicole van Dam vom Deutschen Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv).

Pflanzen erkennen Exoten unter heimischen Fressfeinden

Pflanzen erkennen also, ob heimische Fraßfeinde an ihnen knabbern oder aber exotische. Das Problem mit den exotischen Pflanzenfressern: Sie können ähnliche Gerüche wie einheimische Arten auslösen, wodurch die einheimischen Pflanzenfresser verwirrt werden, von denen manche die exotischen Pflanzenfresser nicht nutzen können, um in ihnen ihre Eier abzulegen. Bei der im Rahmen der Studie untersuchten wilden Kohl-Art war das nicht der Fall. Hier lösten die nicht-einheimischen Pflanzenfresser ganz andere Gerüche aus als ihre einheimischen Kollegen, selbst wenn sie auf ähnliche Weise an der Pflanze fraßen. „Die Pflanzen haben vielleicht weder ein Nervensystem noch Augen, Ohren oder einen Mund, doch sie können unterscheiden, wer sie angreift. Dadurch können sie parasitischen Wespen verlässliche Informationen übermitteln. Was ich wirklich beeindruckend finde, ist, dass sie sogar in der Lage sind, zwischen einheimischen und fremden Pflanzenfressern zu unterscheiden“, so van Dam. Erst kürzlich hatten iDiv-Forscher in einer anderen Studie gezeigt, dass Bäume am Speichel der Rehe erkennen können, ob ein Tier an den Ästen knabbert oder eine Windböe am Geest zerrt.

bb

Um Biodiversität auf den Äckern zu erforschen, braucht man einen guten Durchblick und einen langen Atem. Ein Paradebeispiel für ein Freilandlabor für die Biodiversitätsforschung ist das „Jena-Experiment“. Es wurde 2002 vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie und der Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU) ins Leben gerufen. Der Freilandversuch ist damit nicht nur das am längsten dauernde Biodiversitäts-Experiment Europas, sondern auch das größte. Mit einem zweitägigen Symposium wird seit dem 7. Februar in Jena das 15-jährige Jubiläum gefeiert.

Pflanzenvielfalt auf früherem Ackerland

Das knapp zehn Hektar große Areal am Saaleufer war einst eine gewöhnliche Ackerfläche. Heute wachsen auf über 600 verschiedenen Versuchsflächen Kräuter, Gräser und Leguminosen zwischen Blüten, die jedes Jahr im Sommer Insekten, Würmer, Vögel und andere Kleintiere anlocken. „Ziel ist es herauszufinden, wie sich die Vielfalt und Zusammensetzung der Pflanzen auf die Stoffkreisläufe im Boden oder das Zusammenleben der Tierwelt auswirken“, erläutert die wissenschaftliche Koordinatorin des "Jena-Experiment" der Universität Jena, Anne Ebeling.

Die Kartoffel ist nach Weizen, Reis und Mais die viertwichtigste Nutzpflanze auf der Welt. Mehr als 325 Millionen Tonnen der Knollenfrucht werden jedes Jahr geerntet. Kartoffeln sind allerdings auch äußerst anfällig für Krankheiten – sich rasch ausbreitende Pilze, Viren oder Fadenwürmer können massive Ernteausfälle verursachen. Ertragreiche und krankheitsresistente Kartoffeln sind daher die zentralen Ziele der Züchter.

Smart Breeding auf dem Vormarsch

Die vielen verschiedenen Kartoffelsorten sind das Ergebnis jahrhundertelanger Auslesezüchtung. Diese allein auf phänotypischen Merkmalen beruhende Züchtung ist äußerst aufwendig und langwierig. Bis zu zehn Jahre dauert es, bis eine neue Sorte entwickelt und auch für den Anbau zugelassen ist. Deswegen haben auch in der Kartoffelzüchtung molekularbiologische Testverfahren und bioinformatische Analysen – das sogenannte Smart Breeding – Einzug gehalten. Im Rahmen der BMBF-Förderinitiative KMU-innovativ haben Pflanzenzüchter wertvolle diagnostische Werkzeuge entwickelt, die dazu eingesetzt werden, Kartoffelsorten voneinander zu unterscheiden und im Genom nach relevanten Resistenzgenen gegen Krankheitserreger zu fahnden.

Molekulare Marker im Kartoffelgenom

Die Grundlagen dafür legte das KMU-innovativ-Verbundprojekt „Retrokartoffel“ in den Jahren 2009 bis 2012. An diesem vom BMBF mit insgesamt mehr als 530.000 Euro unterstützten Forschungsprojekt war der Züchtungsbetrieb Norika GmbH in Sanitz zusammen mit der Technischen Universität Dresden und dem Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben beteiligt. Das Ziel: Ein DNA-Analyse-Verfahren für die Erkennung und Erfassung aller bekannten Kartoffelsorten entwickeln.

Kinder vor Gefahren zu bewahren, ist ein Uranliegen von Eltern. Erfahrungen werden weitergegeben, um die Zöglinge vor Unheil zu schützen. Diese fürsorgliche Eigenschaft ist nicht nur dem Mensch eigen. Auch Pflanzen geben ihren Nachkommen Informationen weiter, um sie für die Zukunft zu wappnen. Neben dem Erbgut werden so vor allem Umwelterfahrungen übermittelt, welche die Pflanze selbst erlebt hat. Dieses Phänomen wird als „parentaler Umwelteffekt“ bezeichnet. Er wird aber nicht nur von Klimabedingungen bestimmt, sondern auch von dem Maß, in dem die Pflanzen mit anderen Pflanzen um Ressourcen wie Wasser und Nährstoffe konkurrieren, die sogenannte Pflanzendichte. Theoretisch ist dieses Phänomen seit langem bekannt.

Vegetationsökologen der Universitäten Tübingen und Hohenheim haben nun diese Fähigkeit zur Anpassung von Pflanzen an ihre Umwelt bestätigt. Wie das Team im Fachjournal „New Phytologist“ berichtet, zeigten sich bei Tests im Gewächshaus und im Feld, wie sich der parentale Umwelteffekt verändern kann und entsteht. Außerdem liefern die Forscher den Beweis, dass die Fähigkeit der Pflanzen, Nachkommen auf eventuelle Umweltbedingungen vorzubereiten auch zwischen Populationen innerhalb einer Art verschieden sein kann.

Samen überdauern in trockenen Böden

Das Vermögen, Umweltbedingungen der künftigen Generation vorherzusagen ist vor allem für Pflanzen existenziell, die in Wüstenregionen mit stark schwankenden Regenmengen wachsen. Im Rahmen der Studie wurden daher zwei einjährige Gewächse untersucht, die in den trockenen Regionen Israels leben: der Kreuzblütler Biscutella didyma und das Gras Bromus fasciculatus. In der Wüste können Pflanzen nur überleben, wenn sie im Boden eine Samenreserve anlegen, erklärt der Tübinger Biologe, Christian Lampei. „Ein Teil der Samen ruht schlafend im Boden. Wenn bereits in der Elterngeneration festgelegt werden kann, wann ein günstiger Zeitpunkt für die Keimung ist, kann dies Verluste durch Auskeimen in einem schlechten Jahr minimieren.“

Die Wissenschaftler verglichen daher vier Populationen der Pflanzen, um zu ermitteln, wie stark der parentale Umwelteffekt den unterschiedlichen Klimabedingungen ausgesetzt ist. Dafür wurden die Pflanzen unter kontrollierten Bedingungen und mit unterschiedlicher Bewässerungsintensität aufgezogen und die Keimung der Samen vergleichen. Zusätzlich wurden Langzeit-Regendaten, Daten zu Pflanzendichten und zur durchschnittlichen Samenproduktion herangezogen, um zu berechnen, wie gut sich anhand der Regenmenge eines Jahres die Anzahl konkurrierender Pflanzen im Jahr vorhersagen lassen und wie sich diese Konkurrenz auf die Samenproduktion auswirkt.

Je trockener um so größer die „Vorsorge“

Das Ergebnis: Bei dem Kreuzblütler Biscutella didyma wurde der parentale Umwelteffekt um so stärker, je trockener es in den Populationen zuging. Je trockener die Umgebung, desto mehr bildeten die Pflanze ihre „Vorsorge“ für den Nachwuchs aus. Parallel zur Regenmenge des Vorjahres wuchs gleichfalls aber auch die Pflanzendichte. Denn je besser sich die Konkurrenzsituation für das folgende Jahr vorhersagen ließ, um so stärker war der Effekt ausgeprägt. Die Studie zeigt, dass in den Jahren mit hoher Pflanzendichte Pflanzen im Schnitt weniger Samen produzieren. Die Forscher sehen damit ihre Vermutung bestätigt, dass es vorteilhaft ist, in Jahren mit hoher Pflanzendichte die Auskeimung durch viele Reserven zu verzögern.

Anders als der Kreuzblütler war der Effekt bei dem Gras Bromus fasciculatus nicht zu erkennen. „Tatsächlich zeigt Bromus fasciculatus eine hohe Trockenresistenz. Das könnte eine Samenreserve überflüssig machen", vermutet Lampei. Die Forscher sehen darin frühere Studien bestätigt, wonach einjährige Pflanzen noch weitere Strategien nutzen können, um in variablen Ökosystemen zu überleben.

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Cultivating tomatoes in space — it all sounds rather alien! Yet that extra-terrestrial mission is central to a project currently being developed by the researchers from the German Aerospace Centre (DLR). Preparations for the mission: Eu:Cropis (Euglena and Combined Regenerative Organic Food Production in Space) are in full swing. Scientists hope to send a satellite carrying tomato seeds into space before the end of the year.

Urine-based plant fertiliser

The project is particularly unique in that the researchers have developed a complex self-sustaining food-production system that enables the growth of vegetables in the kinds of conditions found on Mars or the moon. To that end, the scientists are relying on the help of bacteria and the single-celled algae Euglena gracilis to provide the plants with vital nutrients. Those nutrients come from artificial urine. First, the bacteria help to transform the ammonia contained in the urine into nitrite and finally into nitrate, a plant fertiliser, causing fruit to grow and produce new seeds.

Rotating satellite greenhouse

Tomato seeds are not the only unusual passengers to have their endurance tested in space. DNA samples and algae were previous guests on the International Space Station (ISS), where they managed to successfully survive cold shock. The researchers are using another mode of transport this time, however. The reason? The ISS cannot be made to rotate in the same way as Mars or the moon as required. For that purpose, a 250 kilogram lighter satellite has been created at the German Aerospace Centre in Bremen that rotates around its longitudinal axis during flight at a height of approximately 600 kilometres, thus simulating different levels of gravity. For six months in each case, the satellite will simulate two greenhouses that are expected to grow tomato seeds in the kinds of conditions found on the moon and Mars, respectively. The two greenhouses are housed in a special pressure tank made from carbon-fibre composite that maintains a constant internal pressure of 1 bar. Sixteen small cameras will document the growth of the tomato plants over an 18-month period. The fresh fare will be tucked into by astronauts should the experiment prove successful.

Preventing deforestation

However, land ecosystems have changed. Forests are being felled for agricultural purposes or existing arable land is being cultivated in new ways. According to the report by climate researchers at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT) in the scientific journal "Nature Geoscience" , the transformation of land ecosystems clearly had more of an impact on the balance of CO₂ than had been thought to date. Not only do land ecosystems store greenhouse gases, they also release considerable amounts of CO₂ as a result of deforestation. "There is no doubt that our research findings support efforts to prevent further large-scale deforestation, which not only has a positive effect on the climate, but also plays a vital role in nature conservation and species survival", explains Almut Arneth.

Re-forestation increases 'carbon sink'

Unlike previous studies, the international team led by Arneth were the first to incorporate different methods of land and field management into their research. The new models employed by the researchers indicate that the actual levels of CO₂ absorbed by plants and soil are even higher than was previously thought and that, therefore, the emissions caused by land-use change are also considerably larger. Based on these findings, the researchers assume that it was not only previous acts of deforestation that caused an increased release of CO₂. According to the study, measures for re-forestation also have greater links to CO₂ than hitherto expected.

Call to improve tools for forecasting

Despite this new model of calculation, it remains uncertain going forward as to what extent land ecosystems will absorb the greenhouse gas CO₂ from the air, making climate change predictions even more difficult. "To quantify the effect of cultivation on CO₂  emissions, we need to go beyond modelling the necessary processes of human behaviour in ecosystem models. We also need to be able to better estimate past events and future forecasts, which type of land-use did people employ when and where or what might happen in the future", explains Arneth.

Seit 2015 können sich Gründerteams in den Bereichen Chemie, Verfahrenstechnik und Biotechnologie um den ACHEMA-Gründerpreis bewerben. Der Wettbewerb wurde gemeinsam von der Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. (DECHEMA), der DECHEMA Ausstellungs-GmbH, dem Business Angels FrankfurtRheinMain e.V. und dem High-Tech Gründerfonds (HTGF) gestartet. Die offizielle Preisverleihung findet auf der Chemie-Messe ACHEMA in Frankfurt/Main statt. An der traditionsreichen Veranstaltung nehmen alle drei Jahre mehr als 3.800 Aussteller teil, tausende Fachbesucher aus aller Welt informieren sich hier über neueste Entwicklungen der Chemie- und Anlagebranche. Zuletzt stand die Biotechnologie bei den Ausstellern hoch im Kurs. Die nächste ACHEMA ist für Mitte Juni 2018 geplant. 

Ideen sind keine Grenzen gesetzt

Inzwischen ist der Bewerbungsprozess für den Gründerpreis angelaufen. Wissenschaftler, Gründungswillige und Start-ups sind nun aufgerufen, ihre Ideen, Konzept und Businesspläne bis Ende November 2017 einzureichen. Anders als beim ersten Mal ist das Thermenspektrum offen und Ideen vom Anlagenbau bis zur industriellen Biotechnologie gefragt. Am Ende soll jeweils ein Sieger in den Sparten Energie, industrielle Biotechnologie sowie Messtechnik/Analytik gekürt werden. Eine weitere Vorraussetzung für die Teilnahme: Die bewerbenden Start-ups dürfen erst nach dem 1. Juli 2015 gegründet worden sein.

Sie sind in Kosmetika, Pharmazeutika, Wasch- und Reinigungsmitteln, auf Saatgut und sogar in Feuerlöschern zu finden: Tenside. Diese Substanzen setzen die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit oder die Grenzflächenspannung zwischen zwei flüssigen Phasen herab. Mit ihnen können eigentlich nicht miteinander mischbare Stoffe vereint beziehungsweise kontrolliert voneinander getrennt werden. Mitte Dezember vermeldete die Biotensidon GmbH, eine in Karlsruhe ansässige Tochterfirma der Schweizer Biotensidon International AG, einen „Durchbruch“ bei der Massenproduktion von Rhamnolipid-Tensiden.

Rhamnolipide gehören zu den sogenannten Biotensiden, also aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnenen und meist biologisch abbaubaren Tensiden. Neben der Gewinnung aus Raps- oder Palmöl nimmt die mikrobielle Herstellung in Bioreaktoren an Bedeutung zu. Laut Rolf Hartmann, Mitglied des Verwaltungsrates der Schweizer Gesellschaft, beruht der Durchbruch „nicht auf einer einzelnen Errungenschaft“. Nachdem man zunächst in den Besitz eines produktionsstarken, aber dennoch nicht-pathogenen Stamms des Bakteriums Pseudomonas aeruginosa gekommen war, fand Biotensidon in den vergangenen Monaten den richtigen Nährstoff und eine geeignete Prozesstechnologie für die industrielle Herstellung von Rhamnolipiden mit Hilfes dieses Einzellers. Demnächst soll ein Joint Venture mit einem Unternehmen aus dem Pharma-, Kosmetik- oder Tierfutter-Bereich gegründet werden.

Markt für Biotenside wächst

Mit 370.000 Tonnen machen Biotenside nur einen geringen Anteil der Tensidjahresproduktion von 18 Mio. Tonnen aus. Der Großteil wird aus Erdöl gewonnen. Doch der Markt für Biotenside wächst jährlich um mehr als 4% (Mehr Infos: Branchen-Überblick Konsumgüter). Rhamnolipide sind laut Marktforscher Fractovia mit mehr als 8% das lukrativste Gebiet. Auch der Chemie-Riese Henkel verwendet seit mehreren Jahren Biotenside – zum Beispiel in Glasreinigern. „Rhamnolipide sind eine wichtige Klasse von Biotensiden, welche neben den Sophorolipiden am intensivsten erforscht ist. Bisher setzen wir Rhamnolipide nicht ein, verfolgen aber die anwendungsorientierten Forschungen gemeinsam mit externen Partnern“, heißt es bei Henkel. Der Spezialchemiekonzern Evonik ist hier einen Schritt weiter: Derzeit entsteht in der Slowakei eine Pilotanlage zur Produktion von Rhamnolipiden.

Millionen für Rhamnolipid-Produktion

Biotensidons Geldgeber – Hartmann zufolge ein „privater Investor, der in einem anderen Wirtschaftssektor tätig ist“ – hat für die nun anstehende Skalierung der Produktion eine weiteres Kapital in zweistelliger Millionenhöhe beigesteuert. „Damit werden wir die ersten beiden Produktionsphasen in Deutschland umsetzen und 2017 eine Jahresproduktion von 200 Tonnen Rhamnolipid erreichen“, sagt Hartmann. „Für die ‚Full Production‘ ab 2019 wird ein geeigneter Standort weltweit gesucht.“ Hartmann schätzt, dass für die zweistufige Ausweitung der Produktionskapazität auf jährlich 2.000 Tonnen und 5.000 Tonnen jeweils ein dreistelliger Millionenbetrag benötigt wird.

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