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The varroa mite is the greatest threat to the western bee (Apis mellifera). The tiny parasite Varroa destructor feeds on its body fluid and attacks larvae in the hive, damaging its offspring and causing entire hives to die. "After about 18 months after the first infection, a hive is dead if nothing is done about it," says Dr. Stanislav Balouchev of the Max Planck Institute for Polymer Research. Together with Katharina Landfester, the researcher hopes to use smart technology to protect bees from this scourge.

Fighting parasites with heat

Over time, bees have learned to defend themselves against the parasite. One method is to increase the temperature in the hive. Bees can do this by pressing their chest onto a honeycomb and raising the temperature inside the honeycomb by moving the pectoral muscles to such an extent that the mite multiplies much less and the colony dies within a short time. Insects infested by the pathogen also send out chemical warning signals, so that other healthy bees rush to the rescue and scratch the mite to make it fall off. But when it is cold, the insects lack the energy to do this.

In a project sponsored by the Volkswagen Foundation, the two researchers want to develop miniature temperature sensors that spatially measure the internal temperatures of the hive. "We want to measure the optimum temperature distribution in three dimensions," says Prof. Katharina Landfester. "The average temperature, as obtained with thermometers, for example, is of no use to us in this case - we want to use the three-dimensional temperature distribution to determine whether a hive is still healthy or is already infected in individual combs." For the experiment to succeed, the sensors must not only record the temperatures extremely accurately. The bees also have to accept the new "occupants".

3D printing mini temperature sensors

The researchers therefore want to design the sensors in such a way that they can be produced with a 3D printer as required. The goal is to measure the temperature of each individual honeycomb. "If we detect deviations from the optimum temperature distribution, the next step will be to develop an active temperature control system that allows the temperature to be raised at certain points in the hive," Landfester explains.

bb/siw

Nanoträger, die mit Wirkstoffen beladen sind und diese punktgenau bei erkrankten Zellen freisetzen, sind in der Krebsmedizin bereits im Einsatz. Nun könnte diese Wunderwaffe bald auch Pflanzenkrankheiten heilen. Ein Team um Frederik Wurm vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI) forscht seit einigen Jahren daran, diese Behandlungsmethode auch bei erkrankten Weinreben zu etablieren.

Nanowirkstoff reduziert Krankheitssymptome 

Im Fokus steht eine Therapie gegen die bei Winzern gefürchtete Rebholzkrankheit „Esca“. Weltweit sind etwa zwei Millionen Weinreben davon betroffen. Der Pilz agiert von innen heraus und zersetzt das Holz, was zum Absterben der Rebstöcke führen kann. Im Rahmen des EU-Projektes BIOrescure konnten die Max-Planck-Forscher ihre Nanotherapie erstmals erproben – und das mit Erfolg. „Nach zwei Jahren der Tests in unseren Labors und dann auf Riesling-Weinbergen in Deutschland sieht es so aus, als hätten wir es geschafft, die Symptome der Krankheit zu reduzieren. Weitere Tests werden zeigen, ob die Heilung von Dauer ist“, erklärt Frederik Wurm.

Bioabbaubare Nanokapseln aus Pilzkompost

Nanotransporter bestehen in der Regel aus Polymeren, die aus fossilen Brennstoffen hergestellt werden. Die von Wurm verwendete Nanokapsel hingegen ist biobasiert und biologisch abbaubar. Die kleine Menge eines Fungizides ist hier als Wirkstoff in einer Kugel aus Lignin verpackt. Dieser Stoff wurde wiederum aus Pilzkompost – einem Abfallprodukt der Landwirtschaft – durch chemische Umwandlung gewonnen. „Dies ist das erste Mal, dass wir versuchen, Nanocarrier aus landwirtschaftlichen Rückständen zu entwickeln, was sie zu einem echten Kreislaufprodukt macht“, erklärt Wurm.

Potenzial für zahlreichen Awendungen

Der Forscher ist überzeugt, dass es „nur eine Frage der Zeit ist“, bis seine bioabbaubaren Nanokapseln den Markt erobern. „Über den Agrarsektor hinaus bieten die Kapseln eine Vielzahl weiterer Anwendungsmöglichkeiten, von der Veredelung von Lebensmitteln bis hin zu pharmazeutischen Produkten“, argumentiert Wurm.

Das Projekt BIOrescure wurde vom Bio-based Industries Consortium (BIC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union unterstützt.

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Nano-carriers that are loaded with active substances and release these straight to the diseased cells are already in use in cancer medicine. Now this "magic bullet" could soon also cure plant diseases. A team led by Frederik Wurm from the Max Planck Institute for Polymer Research (MPI) has been working for several years on establishing this treatment method for diseased vines.

Nano-active substance reduces symptoms of disease

The focus is on a therapy against the vine wood disease "Esca" which is feared by winegrowers. Around two million grapevine plants worldwide are affected by this disease. The fungus acts from the inside out and decomposes the wood, which can lead to the death of the grapevines. As part of the EU BIOrescue project, the Max Planck researchers were able to test their nanotherapy for the first time - successfully. "After two years of testing in our labs and then on Riesling vineyards in Germany, it looks like we have managed to reduce the symptoms of the disease. Further tests will confirm if this cure is a solution in the long term," explains Frederik Wurm.

Biodegradable nanocapsules from fungal compost

Nanotransporters usually consist of polymers made from fossil fuels. The nanocapsule used by Wurm, on the other hand, is bio-based and biodegradable. The small amount of a fungicide is packaged as an active ingredient in a lignin ball. This substance was in turn obtained from fungal compost - a by-product of agriculture - by chemical conversion. "This is the very first time we try to develop them from agricultural residues, which makes them a truly 'circular' product," explains Wurm.

Potential for numerous applications

The researcher is convinced that it is "only a matter of time" before his biodegradable nanocapsules conquer the market. "Beyond the agricultural sector, the capsules have a myriad of other potential applications from food enhancement to pharmaceutical products," argues Wurm. 

The BIOrescure project was supported by the Bio-based Industries Consortium (BIC) as part of the European Union's Horizon 2020 research and innovation program.

bb/um

„Hier in Heidelberg ist sehr deutlich geworden: Wir können das machen. Wir haben neue Einblicke und Partner gewonnen und neue Allianzen geschmiedet. Wir haben das Wissen und den Willen zusammenzuarbeiten und einander dabei zu unterstützen, die Paris-Vereinbarung umzusetzen.“ Mit diesen Worte fasste Bundesumweltministerin Svenja Schulze am Donnerstagnachmittag die zweitägige Konferenz „ICCA2019 – International Conference on Climate Action“ zusammen. Rund 900 internationale Experten aus allen Regierungsebenen – vom Bürgermeister bis zum Minister – und aus Wirtschaft und Wissenschaft waren zusammengekommen, um Lösungen auszutauschen, wie die unterschiedlichen Ebenen eines Landes zusammenarbeiten können, um effektive Klimaschutzmaßnahmen umzusetzen. Ebenfalls im Fokus standen Beispiele internationaler Kooperation.

Klimaschutz betrifft alles

Bereits zu Beginn der Konferenz hatte Mauro Petriccione, der Generaldirektor Climate Action der Europäischen Union, betont: „Der Klimaschutz ist nicht etwas Zusätzliches, das wir machen müssen, sondern betrifft alles, was wir machen.“ Und Sheela Patel, Vorsitzende der Slim Dwellers International, gab den Teilnehmern mit auf den Weg, dass Klimaschutzmaßnahmen nicht isoliert betrachtet werden können, sondern Kompromisse mit anderen Zielen wie sozialer Gerechtigkeit sein müssen: „Die Champions der UN-Nachhaltigkeitsziele und die Champions der UN-Klimaschutzziele stehen manchmal im Widerspruch.“

Schwerpunkt der Agenda stellten die Städte da, die bereits heute 60% Anteil an den globalen CO₂-Emissionen haben und in den kommenden drei Jahrzehnten um 1,5 Milliarden Menschen wachsen werden. So warnte Dirk Messner, Direktor des Instituts für Umwelt und menschliche Sicherheit an der Universität der Vereinten Nationen, dass die Zeit der Dekarbonisierung mit der Zeit der schnellsten Urbanisierung in der menschlichen Geschichte zusammenfalle. Allein der Bau der nötigen Infrastruktur für das Städtewachstum infolge von Urbanisierung und Bevölkerungszunahme würde bis 2050 fast das gesamte CO₂-Budget verbrauchen, das das 1,5-Grad-Ziel der Menschheit noch lasse. „Wir müssen Städte anders bauen!“, lautete seine dringende Forderung, Baustoffe wie Zement, Stahl und Aluminium CO₂-neutral herzustellen oder zu ersetzen.

Kreislaufwirtschaft und Bioökonomie

Wiederkehrende Themen waren dementsprechend auch Kreislaufwirtschaft und Bioökonomie. Vertreter vieler Länder betonten, dass sie daran arbeiten, Abfälle besser zu managen und das Recycling zu verbesser – was nicht zuletzt Arbeitsplätze schaffe. Lisa Helps, die Bürgermeisterin der kanadischen Stadt Victoria, äußerte sogar die Hoffnung, dass es 2050 keine Mülldeponien mehr geben müsse. Dazu gehöre aber nicht nur Recycling, sondern ein Systemwandel, betonte Joke Dufourmont vom niederländischen Unternehmen Circle Economy: „Konsumismus wird immer noch geschätzt.“ Produkte müssten von Anfang an auf Wiederverwertbarkeit entworfen werden. So sei Baumwollkleidung prima wiederverwertbar – solange sie kein Polyester enthalte. Die Fasern seien nicht mehr trennbar, das ganze Kleidungsstück Müll. Problematisch sei auch die gefühlte Obsoleszenz: Aus Modegründen werde Kleidung heute 80% kürzer getragen als früher. Dufourmont zitierte abschließend eine Studie, derzufolge die Kreislaufwirtschaft in der Europäischen Union netto 700.000 Arbeitsplätze schaffen könnte.

Positive Wirkung auf den Arbeitsmarkt

Helps hatte dafür zwei Beispiele aus Victoria, wie diese Arbeitsplätze sogar Langzeitarbeitslosen eine Perspektive schaffen können: So gäbe es das „Binners‘ Project“, in dem sich arbeitslose Pfandsammler zusammengeschlossen haben und mit Konferenzcentern und anderen Einrichtungen kooperieren, um Wertstoffe aus den Abfällen zu sortieren. „Die Arbeitslosen sind jetzt Manager“, freute sich deren Bürgermeisterin. Gleiches gelte für das „Food Rescue Program“: Menschen, die zunächst ähnlich den Tafel-Kunden in Deutschland von Resten aus Bäckereien und fast abgelaufenen Lebensmitteln lebten, haben ein Geschäft daraus gemacht, Lebensmittel, die sonst weggeworfen würden, zu Essen zu verarbeiten und zu verkaufen. Inzwischen hat das Programm ein eigenes Gebäude und arbeitet nach industriellen Standards.

"Here in Heidelberg it has become very clear: We can do this. We have gained new insights and partners and forged new alliances. We have the knowledge and the will to work together and support each other in implementing the Paris Agreement." With these words, Federal Environment Minister Svenja Schulze summed up the two-day conference "ICCA2019 - International Conference on Climate Action" on Thursday afternoon. Around 900 international experts from all levels of government - from mayor to minister - and from business and science came together to exchange solutions on how the different levels of a country can collaborate to implement effective climate protection measures. International cooperation examples were also on the agenda.

Climate protection impacts everything

Mauro Petriccione, Director General Climate Action of the European Union, had already stressed at the beginning of the conference: "Climate protection is not an extra cost to pay – it is about doing everything differently and changing the way we spend our resources". Sheela Patel, President of Slim Dwellers International, told the participants that climate protection measures cannot be considered in isolation, but must be reconciled with other goals such as social justice: "The champions of the UN sustainability goals and the champions of the UN climate protection goals are sometimes at odds".

At the heart of the agenda were the cities, which already account for 60% of global CO2 emissions and will grow by 1.5 billion people in the next three decades. Dirk Messner, Director of the Institute for Environment and Human Security at the United Nations University, warned that the time of decarbonization coincided with the time of the fastest urbanization in human history. Just building the necessary infrastructure for urban growth as a result of urbanization and population growth would consume almost the entire CO2 budget by 2050 that humankind's 1.5-degree target still leaves behind. "We must build cities differently," was his urgent demand to produce or replace CO2-neutral building materials such as cement, steel and aluminium.

Recycling economy and bioeconomy

Accordingly, recurring topics included the circular economy and bioeconomy. Representatives from many countries emphasized that they are working to better manage waste and improve recycling - which not least creates jobs. Lisa Helps, the mayor of the Canadian city of Victoria, even expressed the hope that there would be no more landfills by 2050. Joke Dufourmont of the Dutch company Circle Economy stressed that this does not only includes recycling, but also systemic change: "Consumerism is still held in high esteem." Products must be designed to be recyclable right from the start, Dufourmont said. For example, cotton clothing is perfectly recyclable - as long as it does not contain polyester. The fibres are no longer separable, the entire garment is discarded. The perceived obsolescence is also problematic: for fashion reasons, clothing is now worn for an 80% shorter time period than before. Dufourmont concluded by quoting a study according to which the circular economy in the European Union could create 700,000 net jobs.

Positive effect on the job market

Helps had two examples from Victoria of how these jobs can create a perspective even for the long-term unemployed: There is the Binners' Project, in which unemployed deposit collectors have joined forces and cooperate with conference centres and other institutions to sort recyclables from waste. "The unemployed are now managers," their mayor was pleased to say. The same applies to the "Food Rescue Program": People who initially lived on bakery leftovers and almost expired food products, similar to Tafel customers in Germany, made a business out of processing food that would otherwise be thrown away into food and selling it. The programme now has its own building and works according to industrial standards.

Mit der Genomschere CRISPR-Cas und der Genom-Editierung hat sich in den vergangenen Jahren die Möglichkeit eröffnet, Erbgut in noch nie dagewesener Genauigkeit verändern zu können. Zwar scheint die Spezifität der Eingriffe nicht so hoch zu sein, wie ursprünglich erhofft, doch die Forschung sorgt kontinuierlich für Verbesserungen. Zum Einsatz bei Menschen, insbesondere in der Keimbahn, aber auch in der Pflanzenzüchtungsforschung hat sich nun die Max-Planck-Gesellschaft positioniert.

Ethische und rechtliche Herausforderungen

„Das Positionspapier reflektiert das große Potenzial der Genom-Editierung und die dadurch entstehenden ethischen und rechtlichen Herausforderungen. Die Max-Planck-Gesellschaft will aufzeigen, wie die Wissenschaft dieses Potenzial verantwortungsbewusst nutzen kann, um wichtige Erkenntnisse, gerade auch im Hinblick auf neue Anwendungen etwa im Bereich von Medizin und Ernährung, zum Wohl der Gesellschaft zu gewinnen“, erläutert der Präsident der Max-Planck-Gesellschaft, Martin Stratmann. Anfang Juni will die Organisation das Diskussionspapier veröffentlichen, das der aktuellen Stellungnahme zugrunde liegt. „Die Stellungnahme soll die Diskussion über eine Reihe forschungsrelevanter Themen anregen. Die Max-Planck-Gesellschaft möchte ihre Expertise in den öffentlichen Diskurs einbringen, damit die Politik informierte Entscheidungen in einem gesellschaftlich wichtigen, aber auch sehr komplexen Themengebiet treffen kann“, führt Stratmann weiter aus.

Großes Potenzial für die Medizin

Ausdrücklich betonen die Ethiker der Organisation das Potenzial für die Medizin, da sich mit der Methode grundsätzlich Erbkrankheiten, Virusinfektionen wie HIV und auch Krebs therapieren lassen. Während die Gesellschaft diese Eingriffe in Körperzellen befürwortet, spricht sie sich deutlich gegen Eingriffe in Keimzellen aus, diein Deutschland verboten sind. Fragen der Sicherheit und der Ethik seien noch ungeklärt. Auch gebe es mit der Präimplantationsdiagnostik sicherere Alternativen, heißt es. Zudem wären auf diesem Weg nicht nur heilende Genom-Editierungen, sondern auch Optimierungen körperlicher Eigenschaften möglich.

Zwischen transgenfreier Genom-Editierung und Transgenen differenzieren

Kritik üben die Forscher zudem an der im vergangenen Jahr vom Europäischen Gerichtshof getroffenen Entscheidung, das genom-editierte Tiere oder Pflanzen der gleichen Regulation unterliegen wie gentechnisch veränderte Organismen. Da Genom-Editierungen natürliche Mutationen innerhalb einer Art imitieren, fordert das Positionspapier, die entsprechende EU-Richtlinie zu überarbeiten. Ansonsten werde die Pflanzenforschung massiv behindert und auch bestimmte Maßnahmen gegen krankheitsübertragende Insekten erschwert, die darauf beruhen, eine Genom-Editierung innerhalb der Art zu verbreiten, die die Tiere immun oder unfruchtbar macht.

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In recent years, CRISPR-Cas9 technology and genome editing have opened up the possibility of modifying genetic material with unprecedented accuracy. Although the specificity of the interventions does not appear to be as high as originally hoped, research is continuously improving them. The Max Planck Society has now published its position on its use in humans, particularly in the germ line, but also in plant breeding research.

Ethical and legal challenges

"The position paper reflects the great potential of genome editing and the ethical and legal challenges it poses. The Max Planck Society wants to show how science can use this potential responsibly in order to gain important insights for the benefit of society, especially with regard to new applications in the fields of medicine and nutrition," explains Martin Stratmann, President of the Max Planck Society. At the beginning of June, the organization plans to publish the discussion paper on which the current statement is based. "The statement is intended to stimulate discussion on a number of research-related issues. The Max Planck Society would like to contribute its expertise to the public discourse so that politics can make informed decisions in a socially important but also very complex area," Stratmann continues.

Considerable potential for medicine

The organization's ethicists expressly emphasize the potential for medicine, as the method can be used to treat inherited diseases, viral infections such as HIV and cancer. While the Society supports these interventions in body cells, it is clearly against interventions in germ cells, which are prohibited in Germany. Questions of safety and ethics have not yet been clarified. It is also said that preimplantation diagnostics offer safer alternatives. In addition, this method would not only allow the editing of healing genomes, but also the optimization of physical properties.

Differentiating between transgenic-free genome editing and transgenes

The researchers are also critical of the European Court of Justice's decision last year that genome-edited animals or plants are subject to the same regulation as genetically modified organisms. Since genome edits imitate natural mutations within a species, the position paper calls for the corresponding EU directive to be revised. Otherwise, plant research would be massively impeded and certain measures against disease-transmitting insects would be made more difficult, based on disseminating genome editing within the species that makes the animals immune or infertile.

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Wohin mit der Gülle? Diese Frage beschäftigt viele Landwirte, deren Viehbestände mehr Exkremente produzieren als die Landwirte auf eigenen Flächen ausbringen dürfen. Eine gute Alternative sind Biogasanlagen, in denen die Gülle bakteriell zu Gas und Dünger abgebaut wird. In dem Projekt „Grüne Kaskade – Hochlastvergärung“ haben Forscher der FH Münster gemeinsam mit Partnern aus Deutschland und den Niederlanden einen Reaktor zur Güllevergärung entwickelt, der besonders leistungsfähig ist. Das Projekt lief von Juni 2016 bis Mai 2019 und wurde unter anderem vom Bundeswirtschaftsministerium und der Europäischen Union gefördert.

Herausforderung Verweildauer

„Wir haben drei Jahre lang Versuche durchgeführt und wissen jetzt, wie wir die Parameter Temperatur, Verweilzeit und Raumbelastung ansetzen müssen“, berichtet Tobias Weide vom Fachbereich Energie – Gebäude – Umwelt an der FH Münster. Die Herausforderung bestand darin, dass Biogasanlagen kontinuierlich geführt werden, also ein steter Stoffstrom die Anlage durchfließt, der aber mit dem Gärrest immer auch Bakterien hinaus spült. Das ist im Fall der Güllevergärung besonders unpraktisch, weil die dafür entscheidenden anaeroben Bakterien sich nur langsam vermehren. Verweilt die Gülle zu kurz im Reaktor, sinkt die Zahl der Bakterien, bis die Vergärung zum Stillstand kommt. Ist die Verweildauer zu hoch, wird der Prozess unwirtschaftlich.

Granulat hält Mikroorganismen zurück

Ein früheres Projekt der Münsteraner hat bereits gezeigt, dass Mikroorganismen mittels Granulaten zurückgehalten werden können und dadurch kürzere Verweildauern des Substrats möglich sind. Was seinerzeit mit Textilabwässern gelang, hat das Projekt „Grüne Kaskade – Hochlastvergärung“ nun auf landwirtschaftliche Abfälle übertragen. Für Biogasanlagen bedeutet der Fortschritt eine ganz neue Entwicklungsstufe und erheblich kürzere Verweilzeiten.

Vermeidung von Treibhausgasen

Erprobt wurden im Projekt drei unterschiedliche Hochlastreaktoren, darunter auch ein Feststoffreaktor, mit unterschiedlichen Güllearten. Die neue Technologie kann zudem in kleineren Bioreaktoren eingesetzt werden, was die Investitionskosten deutlich reduziert. Dieser Abbau der Gülle ermöglicht auch eine effektivere Nutzung der enthaltenen und nicht abgebauten Nährstoffe, insbesondere Stickstoff, im Anschluss an die energetische Nutzung. Obendrein vermeidet die Vergärung der Gülle gegenüber dem Ausbringen auf dem Feld erhebliche Mengen Treibhausgase.

Nach der erfolgreichen Analyse der Rahmenbedingungen im halbtechnischen Versuchsreaktor wollen die Forscher im nächsten Schritt die Technologie in einer großtechnischen Biogasanlage testen.

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Weidenholz wurde bereits vor Jahrhunderten zum Korbflechten genutzt, weil es äußerst biegsam, leicht und trotzdem zugfest ist. Die in wasserreichen Gegenden beheimateten Bäume wachsen im Vergleich zu anderen Hölzern wie Buche außerdem sehr schnell und sind daher als nachwachsender Rohstoff für die Bioökonomie äußerst interessant. Die Eigenschaften des Weidenholzes wollen sich Forscher der Universität Kassel nun zunutze machen. Im Verbundprojekt TETHOK - Textile Tektonik für den Holzbau geht es um die Entwicklung sogenannter Endlosfäden aus Massivholz für textile Werkstoffe. 

„Im Grunde nehmen wir buchstäblich einen Faden wieder auf, der vor etlichen Jahrzehnten abgerissen ist – Korbflechterei hat in Mitteleuropa eine lange Tradition", sagt Projektleiterin Stefanie Silbermann. „Auch für die Holzweberei gab es Ansätze im Handwerk des 19. und frühen 20. Jahrhunderts. Bemühungen an der Akademie der Landwirtschaftswissenschaften der DDR in Eberswalde in den 1980er Jahren, endlose Fäden aus Weidenholz zur Bestückung von Webstühlen zu entwickeln, brachen mit der deutschen Wiedervereinigung ab.“

Endlosfäden aus Weiden flechten 

Gemeinsam mit Gestaltern der Universität Kassel will das Team nun leichte, flexible und zugfeste Flechtweidenschienen mit einem Querschnitt von wenigen Quadratmillimetern stirnseitig zu einem Endlosfaden zusammenfügen. So soll ein neuartiges Halbzeug für die Weiterverarbeitung zu textilen Strukturen entstehen. Je nach Weiterbehandlung erhält die Holzfaser dann ihre Festigkeit. Das sogenannte Monofil lässt sich aufspulen und anschließend mit unterschiedlichen Verarbeitungsverfahren zum Beispiel verknoten, weben, flechten, legen und wickeln. Am Ende der Projektlaufzeit 2020 soll die automatisierte Fertigung der Endlosfäden aus Weidenholz an Web- und Flechtmaschinen sowie Leg- und Wickelrobotern möglich sein

Perspektiven für die Landwirtschaft 

„Unsere Entwicklung vereint die Vorteile von Textilien mit den Vorteilen von Massivholz“, erklärt die Sprecherin des Verbundprojektes, Heike Klussmann. „Textilien sind leicht, flexibel, sehr formbar und ästhetisch. Dazu kommt, dass Holz nachhaltig ist und sein vielseitiger Anbau Perspektiven für die Landwirtschaft bietet, auch in Deutschland.“ Nicht nur die Landwirtschaft würde davon profitieren. Auf Grund der zahlreichen Vorteile textiler Werkstoffe sehen die Forscher ein breites Anwendungsspektrum für ihre neuen textilen Massivholzfasern vor allem in der Architektur, im Bauwesen, im Fahrzeugbau und im Produktdesign. Daraus könnten beispielsweise textile Formholzteile für Strukturbauteile, Fassaden, Möbel oder Innenausstattungen von Autos hergestellt werden. 

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Ozeane sind ein wichtiger CO₂-Speicher. Doch in den vergangenen Jahren hat der Anstieg der Treibhausgase den pH-Wert des Meerwassers sinken und die Ozeane versauern lassen. Vor allem kalkbildende Meeresorganismen wie Muscheln bekommen das zu spüren. Kieler Forscher fanden erst kürzlich heraus, dass vor allem junge Miesmuscheln, bei denen sich die Kalkschale noch in der Entwicklung befindet, sehr empfindlich darauf reagieren.

Doch nicht nur in den kühlen Gewässern wie der Ostsee, sondern auch im Südpazifik sind die Folgen des CO₂-Anstiegs mittlerweile sichtbar, wie die Studie eines internationalen Forscherteams im Fachjournal „Nature Communications“ verdeutlicht. Daran beteiligt waren auch Wissenschaftler vom Leibniz-Zentrum für Marine Tropenforschung (ZMT).

Veränderte Wasserchemie auch in den Tropen messbar

Die Folgen der Ozeanversauerung sind im kühlen Wasser deutlich stärker zu spüren, denn sie nehmen mehr CO₂ auf als tropische Gewässer. Die aktuelle Studie belegt erstmals, dass auch diese wärmeren Meere mittlerweile die veränderte Wasserchemie widerspiegeln. Das konnten die Forscher an Korallen der Gattung Porites, die in den Riffen des Südpazifiks zu finden sind, nachweisen. Dabei handelt es sich um massive und sehr resistente Steinkorallen, die teilweise bis zu 1.500 Jahre alt sind. Sie bilden riesige Halbkugeln und können mehrere Meter groß werden. „Wir sehen eigentlich in ihnen die zukünftigen ‚Gewinner ‘ im Überlebenskampf, den die Veränderung der Umwelt den Korallen aufzwingt“, erklärt Henry Wu, Geologe am ZMT in Bremen und einer der Autoren der aktuellen Studie.


Isotope der Steinkoralle belegen CO₂-Anstieg 

Vor Papua-Neuguinea entnahmen die Forscher Bohrproben dieser Korallen und untersuchten deren Kohlenstoffisotope. An dieser Stelle strömt besonders viel vulkanisches CO₂ ins Meer und säuert das Meer an. Ähnlich wie bei Bäumen ist das Wachstum dieser Steinkoralle an entsprechenden Ringen ablesbar. In ihrem Kalkskelett sind die Kohlenstoffisotope C12 und C13 eingebettet. Die Forscher fanden heraus, dass der Anteil der beiden Isotope über viele Jahrhunderte weitgehend konstant war und nur geringe natürliche Schwankungen aufwies. Das änderte sich jedoch Mitte des 20. Jahrhunderts mit der Industrialisierung. „Wir fanden ab 1950 einen deutlich ansteigenden Anteil an C12“, berichtet Henry Wu. „Das nennen wir ‚alten‘ Kohlenstoff, denn es ist der, der über Millionen von Jahren im Erdboden lagert und erst durch die Nutzung fossiler Brennstoffe wieder in die Atmosphäre gelangt.“

Neue Hinweise zur Entwicklung des Meeresspiegels 

Die Studie zeigt deutlich, dass die Folgen des CO₂-Anstiegs selbst vor robusten Steinkorallen in tropischen Gewässern nicht Halt machen. Darüber hinaus liefern die beiden Kohlenstoffisotope den Forscher ungeahnte Hinweise: „Wir haben herausgefunden, dass die Kohlenstoffisotope uns viel genauere Aussagen bezüglich der Änderungen des Meeresspiegels in der Vergangenheit erlauben, als bisher möglich war“, so Henry Wu. „Die Vergangenheit zu verstehen wiederum hilft, Prognosen für die Zukunft zu machen.“

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Bakterien, die den menschlichen Körper besiedeln, können mit ihren Stoffwechselprodukten das Verhalten ihres Wirts beeinflussen – dafür finden Forscher immer mehr Beispiele. Ein Team der Universität Leipzig, des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung und des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung berichtet nun darüber, wie Milchsäurebakterien aus Joghurt oder Sauerkraut eine Komponente des menschlichen Immunsystems aktivieren.

Signalmolekül aus fermentierter Nahrung

Im Fokus der Studie, die im Fachjournal „PloS Genetics“ erschienen ist, steht der Zellwandrezeptor HCA3, den als einzige Säugetiere Menschenaffen und Menschen besitzen. „Wir haben evolutionäre, pharmakologische, immunologische und analytische Methoden kombiniert und untersucht, warum dieser Rezeptor uns während der Evolution erhalten geblieben ist“, schildert Studienleiterin Claudia Stäubert vom Rudolf-Schönheimer-Institut für Biochemie der Universität Leipzig. „Wir haben im Zuge dieser Studie entdeckt, dass eine Substanz, die in hohen Konzentrationen in fermentierter Nahrung wie Sauerkraut vorkommt, den Rezeptor HCA3 aktiviert und so die Funktion des menschlichen Immunsystems beeinflusst“, erklärt Stäubert weiter.

Evolutionärer Ursprung vermutet

Bei der von den Milchsäurebakterien abgegebenen Substanz handelt es sich um D-Phenylmilchsäure. Dieses Molekül signalisiert Immunsystem und Fettzellen über den Rezeptor HCA3, dass zum einen Fremdstoffe und zum anderen Energie in den Körper gelangt sind. Evolutionär begründet könnte diese Interaktion dadurch sein, dass unsere Vorfahren Zeiten durchlebten, in denen wenig frisches Obst verfügbar war und Menschen daher vermehrt herabgefallene und bereits fermentierte Früchte gegessen haben. „Unsere evolutionären und funktionellen Analysen stützen die Hypothese, dass dieser Rezeptor in Menschen und großen Menschenaffen während der Evolution als neues Signalsystem erhalten geblieben ist, um Funktionen des Immunsystems anzusprechen“, resümiert Stäubert.

Möglicher Ansatzpunkt für neue Therapien

Wie genau D-Phenylmilchsäure das Immunsystem und die Energiespeicherung beeinflusst, wollen die Forscher als Nächstes untersuchen. Außerdem möchte das Team herausfinden, ob der Rezeptor HCA3 auch als Ansatzpunkt für die Therapie von Stoffwechselerkrankungen wie dem Reizdarmsyndrom dienen kann. Studienleiterin Stäubert gibt sich zuversichtlich: „Unzählige Studien zeigen positive Effekte auf, die durch Milchsäurebakterien und fermentierte Nahrungsmittel vermittelt werden. Wir sind überzeugt davon, dass der HCA3 für einige dieser Effekte verantwortlich sein muss.“

bl

Die Kartoffel ist weltweit die drittwichtigste Kulturpflanze, mehrere Tausend Sorten sind seit Beginn ihrer Kultivierung entstanden. Und doch ist sie ein Sorgenkind der Pflanzenzüchter, denn die biologischen Eigenschaften der Pflanze machen es ihnen nicht leicht: Zum einen ist das Erbgut der Kartoffel tetraploid, das heißt, von jedem Gen liegen vier Kopien vor, von denen jede unterschiedlich sein kann. Welche Version – oder gar welche Kombination an Versionen – da die besten Eigenschaften für die Pflanze verspricht, ist schwierig zu erkennen. Zweitens produziert eine Kartoffelpflanzen im Vergleich zu anderen Kulturpflanzen relativ wenige Nachkommen, was die Auswertung neuer Züchtungen erschwert.

Großer Bedarf an neuen Sorten

Der Bedarf an neuen Sorten ist jedoch ungebrochen: Die Industrie wünscht sich Kartoffeln mit hohem Stärkeanteil, die Lebensmittelbranche hofft auf einen höheren Nährstoffgehalt und die Landwirte benötigen Sorten, die gegen Krankheiten und Schädlinge resistent sind und an die Veränderungen in Folge des Klimawandels angepasst wurden.

Pflanzenforscher der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf wollen deshalb gemeinsam mit Züchtungsunternehmen eine Art Werkzeugset für die schnellere Züchtung neuer Kartoffelsorten entwickeln. Für das auf drei Jahre angelegte Projekt PotatoTools stellen die beteiligten Unternehmen und das Bundeslandwirtschaftsministerium rund 2,7 Mio. Euro zur Verfügung.

Es fehlt ein Referenzgenom

Ziel des Projektes ist es, mit Hilfe genetischer Marker das Potenzial der jeweiligen Kartoffelzüchtung vorhersagen zu können. Dazu fehlt nicht nur ein Referenzgenom der Kulturkartoffel. Auch wichtige molekularbiologische Methoden sind für das Nachtschattengewächs noch nicht etabliert, beispielsweise das sogenannte Hochdurchsatzscreening mittels SNP-Arrays, also Mutationen einzelner Basenpaare. All diese Werkzeuge wollen die Projektpartner durch PotatoTools erschaffen. Nicht zuletzt soll das Projekt aufzeigen, wie sich die neuen Methoden schließlich optimal in den etablierten Züchtungsablauf integrieren lassen.

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The potato is the third most important cultivated plant in the world and several thousand varieties have emerged since the beginning of its cultivation. And yet it is a "problem child" for plant breeders, as its biological properties do not make it easy for them: the potato's genetic material is tetraploid, which means that there are four copies of each gene, each of which can be different. It is difficult to tell which version - or even which combination of versions - promises the best properties for the plant. Additionally, a potato plant produces relatively few offspring compared to other cultivated plants, which makes it difficult to evaluate new varieties.

Great demand for new varieties

The demand for new varieties is high: industry requires potatoes with a high starch content, the food sector hopes for a higher nutrient content and farmers need varieties that are resistant to diseases and pests and that have adapted to climate change.

Plant researchers at the Heinrich Heine University in Düsseldorf are now working with breeding companies to develop a kind of toolkit for faster breeding of new potato varieties. The participating companies and the Federal Ministry of Agriculture are providing around 2.7 million euros for the three-year PotatoTools project.

Lacking a reference genome

The aim of the project is to use genetic markers to predict the potential of potato breeding. But a missing reference genome for the cultivated potato is not the only problem the team is facing. Important molecular biological methods, such as high-throughput screening using SNP arrays, i.e. mutations of individual base pairs, have not yet been established for the nightshade plant. The project partners hope to use PotatoTools to create these. Last but not least, the project aims to show how the new methods can be integrated into the established breeding process.

bl/siw

Pflanzenschädlinge und Infektionskrankheiten vernichten jedes Jahr große Teile der landwirtschaftlichen Ernten. Die Verluste wären noch viel größer, gäbe es nicht chemisch-synthetische Pflanzenschutzmittel. Doch die haben auch ihre Schattenseiten: „Eine zu hohe Dosierung kann zur Verunreinigung des Grundwassers führen und die Bodenfruchtbarkeit verschlechtern“, erläutert Frank Ewert, Wissenschaftlicher Direktor des Leibniz-Zentrums für Agrarlandschaftsforschung (ZALF). „Zudem weisen immer mehr wissenschaftliche Studien darauf hin, dass der Pestizideinsatz die Biodiversität und bei nicht sachgemäßer Verwendung die menschliche Gesundheit negativ beeinträchtigen kann.“ Nicht zuletzt sei über die Kombinationswirkungen von Pestiziden wenig bekannt.

Von einer Idee zur Roadmap

Bereits im vergangenen Jahr hat ein Team des ZALF gemeinsam mit Forschern des Julius-Kühn-Instituts (JKI) und des französischen Nationalen Instituts für Agrarwissenschaften (INRA) eine Forschungsstrategie entwickelt, deren Ziel ein Landwirtschaftssystem ist, das weitgehend ohne chemisch-synthetischen Pflanzenschutz auskommt. Jetzt haben die Partner dazu ein Strategiepapier und eine Roadmap erstellt – denn ein Verbot von heute auf morgen würde die Landwirtschaft vor große Probleme stellen und kann daher nicht die Lösung sein.

Agrarökologische Zusammenhänge besser verstehen

„Noch wissen wir zu wenig über die komplexen Wechselwirkungen und Zusammenhänge im System Landschaft-Landwirtschaft, um als Wissenschaft umfassende Empfehlungen an Politik und Gesellschaft auf dem Weg zu einer pestizidarmen Landwirtschaft aussprechen zu können“, erklärt Ewert. Trotz guter und wertvoller Erkenntnisse einzelner Untersuchungen fehle das Verständnis des Gesamtsystems und der komplexen ökologischen und sozio-ökonomischen Zusammenhänge.

Einige Ansätze erläutert Ewert: „Wir wollen die agrarökologischen Zusammenhänge in der Landschaft besser nutzen, um krankheitsresistentere Produktionssysteme zu entwickeln, etwa Schädlinge wieder verstärkt mit Nützlingen statt mit Pestiziden bekämpfen.“ Auch die Interaktion zwischen Pflanze, Insekten und Böden müsse besser verstanden werden und welche Faktoren die Artenvielfalt beeinflussen.

Wichtiger Beitrag der Pflanzenforschung

Neben der Agrarökologie soll auch die Pflanzenforschung eine zentrale Rolle spielen. „Widerstandsfähige Sorten stellen die umweltfreundlichste Art des Pflanzenschutzes dar“, betont JKI-Präsident Frank Ordon. „Molekulare Markertechniken sowie die Kenntnis der Genomsequenz vieler unserer Kulturarten werden zukünftig eine beschleunigte Identifikation von Resistenzgenen und deren züchterische Nutzung erlauben. Eine besondere Bedeutung im Rahmen der züchterischen Verbesserung von Resistenzeigenschaften kommt dabei der gezielten Nutzung der in Genbanken gelagerten genetischen Vielfalt zu“, so Ordon weiter. Nicht zuletzt solle auch die Rolle der Digitalisierung in der Landwirtschaft berücksichtigt werden.

Das Potenzial der in dieser Form außergewöhnlichen deutsch-französischen Forschungsinitiative fasst Ewert so zusammen: „Die europäische Agrarforschung könnte hier weltweit eine Vorreiterrolle einnehmen und gemeinsam mit Politik und der Praxis nicht nur klima- und umweltfreundlichere Anbausysteme, sondern auch neue innovative Produkte, Technologien und Dienstleistungen für eine zukunftsfähige Landwirtschaft des 21. Jahrhunderts hervorbringen.“

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Plant pests and infectious diseases destroy large parts of agricultural harvests every year. The losses would be even greater if there were no chemical-synthetic pesticides. But they also have their downsides: “Too high a dosage can lead to contamination of the groundwater and deterioration in soil fertility," explains Frank Ewert, Scientific Director of the Leibniz Centre for Agricultural Landscape Research (ZALF).
“In addition, more and more scientific studies indicate that the use of pesticides can negatively affect biodiversity and human health, particularly if used inappropriately and their combined effects are still not well understood.”

From an idea to a roadmap

Last year, a ZALF team, together with researchers from the Julius Kühn Institute (JKI) and the French National Institute of Agricultural Sciences (INRA), developed a research strategy aimed at developing an agricultural system that largely does without chemical-synthetic crop protection. Now the partners have drawn up a strategy paper and a roadmap - because a ban overnight would pose major problems for agriculture and therefore cannot be the solution.

Better understanding of agroecological interrelationships

“We still know too little about the complex interactions and interrelationships in the landscape-agriculture system to be able to make comprehensive recommendations from science to farmers, politicians and society for substantially reducing the use of pesticides," explains Ewert. Despite good and valuable findings from individual studies, there is a lack of understanding of the overall system and the complex ecological and socio-economic interrelationships.

“We want to make better use of the agro-ecological relationships in the landscape in order to develop more disease-resistant production systems”, says Prof. Ewert. “An example of such an interrelationship would be to use beneficial insects, such as ladybirds, rather than pesticides to control pests such as aphids.” The interaction between plants, insects and soils must also be better understood, as must the factors that influence species diversity.

Important contribution of plant research

In addition to agroecology, plant research will also play a central role. "Resistant varieties are the most environmentally friendly form of plant protection," stresses JKI President Frank Ordon. "Molecular marker techniques as well as knowledge of the genome sequence of many of our cultivated species will allow an accelerated identification of resistance genes and their breeding use in the future. The targeted use of genetic diversity stored in gene banks is of particular importance in the context of improving resistance characteristics in breeding," continued Ordon. Last but not least, the role of digitisation in agriculture should also be taken into account.

Ewert sums up the potential of this extraordinary Franco-German research initiative as follows: "European agricultural research could play a pioneering role worldwide and, together with politics and practice, could not only develop crop production systems that are climate and environmentally friendly, but also new innovative products, technologies and services for sustainable agriculture in the 21st century."

bl/siw

Viele Länder haben die Bioökonomie bereits auf die politische Agenda gesetzt, um den gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Wandel im Land voranzutreiben. Laut einer Studie des Bioökonomierates, einem Beratungsgremium der Bundesregierung, haben bislang 49 Länder entsprechende Programme zur Bioökonomie aufgelegt – darunter Brasilien. Die internationale Zusammenarbeit wird auf dem Weg in eine Bioökonomie immer wichtiger.

Voneinander lernen und profitieren

Gerade mit Brasilien bestehen hierzulande seit Langem enge Forschungspartnerschaften. So war es Wissenschaftlern aus Deutschland und Brasilien erst kürzlich gelungen, aus Reststoffen der Zuckerrohrverarbeitung Dünger und Biopolymere herzustellen. Am Rande der Bioökonomie-Messe „GreenRio“ Ende Mai wurde nun eine Forschungsallianz zwischen dem Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen am Julius-Kühn-Institut (JKI) und der brasilianischen Agrarforschungseinrichtung EMBRAPA beschlossen. „Die Unterzeichnung der Absichtserklärung auf der GreenRio ist ein weiterer Schritt, um eine länderübergreifende Forschungsallianz zu schmieden“, so JKI-Präsident Frank Ordon. Gerade jetzt, wo das Potenzial der Bioökonomie mit allen Facetten hoch auf der politischen Agenda stehe, wolle man voneinander lernen und profitieren. 


Nachhaltige Pflanzenproduktion

Im Fokus der Zusammenarbeit steht die nachhaltige Produktion von Kulturpflanzen. Hier wollen die Forschungspartner ausloten, inwiefern das durch die Anpassung von Pflanzen und Anbausystemen an den Klimawandel sowie die Entwicklung neuer umweltfreundlicher Pflanzenschutzstrategien möglich ist. Auch bei anderen Themen wie Pflanzengenetik, Bodengesundheit und Präzisionslandwirtschaft sind Forschungsverbünde denkbar. Bis Ende Juni 2019 wollen beide Partner eine Liste möglicher Themen erarbeiten.

bb

Many countries have already put the bioeconomy on the political agenda to drive social and economic change in the country. According to a study by the Bioeconomy Council, an advisory body to the German government, 49 countries - including Brazil - have launched bioeconomy programmes to date. International cooperation is becoming increasingly important on the road to a bioeconomy.

Learning and profiting from each other

Close research partnerships have been running in Germany for a long time, especially with Brazil. Scientists from Germany and Brazil, for example, recently succeeded in producing fertilisers and biopolymers from residues from sugar cane processing. On the fringes of the bio-economy trade fair "GreenRio" at the end of May, a research alliance between the Federal Research Institute for Cultivated Plants at the Julius Kühn Institute (JKI) and the Brazilian agricultural research institute EMBRAPA was signed. "The signing of the declaration of intent at GreenRio is a further step towards forging a transnational research alliance," said JKI President Frank Ordon. Especially at a time when the potential of the bioeconomy with all its facets is high on the political agenda, one wants to learn from and profit from each other. 


Sustainable plant production

The cooperation focuses on the sustainable production of cultivated plants. Here, the research partners want to sound out the extent to which this is possible by adapting plants and cultivation systems to climate change and developing new environmentally friendly crop protection strategies. Research alliances are also feasible for other topics such as plant genetics, soil health and precision agriculture. By the end of June 2019, both partners intend to draw up a list of possible topics.

bb/siw