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Kartoffeln, Mais und Co. werden heutzutage auf weitläufigen Feldern angepflanzt, damit Landmaschinen das Areal bearbeiten können – selbst an Standorten, wo Nutzpflanzen keine optimalen Wachstumsbedingungen vorfinden. In solchen Fällen kommen meist Dünger und Pflanzenschutzmittel zum Einsatz, um den Nachteil wettzumachen und gute Erträge zu erzielen. Doch diese gängige Anbaumethode stößt zunehmend an ihre Grenzen. Eine Alternative könnte das Konzept des sogenannten Spot Farming sein.

Spot Farming – ein Konzept für die Zukunft

„Ziel des Spot Farming ist es, unterschiedliche Pflanzen dort anzubauen, wo sie jeweils optimale Wachstumsbedingungen vorfinden. Damit werden sie resilienter, ertragreicher und wir schützen unsere Umwelt“, erklärt Jens Wegener vom Julius Kühn-Institut, der die Methode des Spot Farming mitentwickelt hat. Bei dieser Methode wird der Anbau der Pflanzen demnach nicht wie bisher an der Schlagkraft der Landmaschinen ausgerichtet. Hier muss sich die Technik dem Pflanzenanbau anpassen. Das Prinzip: Teile des Feldes werden jeweils unterschiedlich bepflanzt. Um die kleinen Flächen – die sogenannten Spots – zu bewirtschaften, werden auch kleine Maschinen und Roboter benötigt.

Noch ist diese Anbaumethode nur eine Idee und findet in der Praxis keine Anwendung. Im Projekt „Zukunftslabor Agrar“ (ZLA) haben Forschende vom IGB gemeinsam mit Partnern dieses Konzept nun genauer unter die Lupe genauer. Daran beteiligt sind neben dem IGB, das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI), die Universität Osnabrück, die Hochschule Osnabrück, die Georg-August-Universität Göttingen, die Technische Universität Braunschweig, das Thünen-Institut und die Universität Vechta. Das Vorhaben wird im Rahmen des Zentrums für Digitale Innovationen Niedersachsen (ZDIN) vom Land mit 3,7 Mio. Euro gefördert.

Auf dem Weg zur Realisierung

„Im ZLA sind wir auf dem Weg hin zur Realisierung von Spot Farming eklatante Schritte weitergekommen“, berichtet Jens Wegener. Unter anderem entwickelten Forschende am IGB eine agrarwissenschaftliche Methode, um die unterschiedlichen Wachstumsbedingungen der Spots in einem Feld zu identifizieren. Dafür wurden frei zugängliche Geodaten genutzt. Auf dieser Grundlage entstand gemeinsam mit dem Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) ein Tool, mit dem automatisiert Feldkarten mit Spots erstellt werden, die mit Robotern bewirtschaftet werden können. Forschende der TU Braunschweig konstruierten wiederum den physischen Prototyp einer Universalsämaschine, die die Saat in idealen Abständen für das Wachstum der Pflanzen in die Erde einbringt und an einem Roboter befestigt wird.

Nowadays, potatoes, maize and other crops are planted in extensive fields so that agricultural machinery can work the land - even in locations where crops do not have optimal growing conditions. In such cases, fertilisers and pesticides are usually used to compensate for the disadvantage and achieve good yields. However, this common cultivation method is increasingly reaching its limits. An alternative could be the concept of spot farming.

Spot farming - a concept for the future

‘The aim of spot farming is to cultivate different plants where they have the best growing conditions. This makes them more resilient, higher-yielding and protects our environment,’ explains Jens Wegener from the Julius Kühn Institute, who helped develop the spot farming method. With this method, plants are not cultivated according to the power of the agricultural machinery, as was previously the case. Instead, the technology has to adapt to the crop cultivation. The principle: parts of the field are planted differently. To cultivate the small areas - the so-called spots - small machines and robots are also required.

This cultivation method is still just an idea and is not yet being used in practice. In the ‘Future Lab Agriculture’ (ZLA) project, researchers from IGB and partners have now scrutinised this concept more closely. In addition to IGB, the German Research Centre for Artificial Intelligence (DFKI), the University of Osnabrück, Osnabrück University of Applied Sciences, the Georg August University of Göttingen, the Technical University of Braunschweig, the Thünen Institute and the University of Vechta are involved in the project. The project is being funded by the state with 3.7 million euros as part of the Centre for Digital Innovations Lower Saxony (ZDIN).

On the way to implementation

‘At the ZLA, we have made significant progress towards the realisation of spot farming,’ reports Jens Wegener. Among other things, researchers at the IGB developed an agronomic method to identify the different growing conditions of the spots in a field. Freely accessible geodata was used for this. On this basis, a tool was developed together with the German Research Centre for Artificial Intelligence (DFKI), which can be used to automatically create field maps with spots that can be cultivated with robots. Researchers at TU Braunschweig in turn constructed the physical prototype of a universal sowing machine, which places the seeds in the soil at ideal distances for the plants to grow and is attached to a robot.

Der Strukturwandel im Rheinischen Revier ist in vollem Gange. Wo derzeit noch Braunkohle abgebaut wird, entsteht eine Modellregion für nachhaltiges und biobasiertes Wirtschaften. In einem anderen Themendossier auf bioökonomie.de werden die großen Forschungskonsortien der Modellregion Bioökonomie im Rheinischen Revier ausführlich vorgestellt (vgl. auch Infoboxen).

Der Wandel hin zu einer Bioökonomieregion lässt sich jedoch nicht nur durch Forschung erreichen. Die Transformation ist ein vielschichtiger und langfristiger Prozess, für dessen Gelingen zukunftsfähige und wirtschaftlich tragfähige Konzepte sowie das Zusammenspiel aller Akteure aus Politik, Wirtschaft, Wissenschaft und Zivilgesellschaft von zentraler Bedeutung sind.

Hier setzt das Verbundprojekt Bioökonomie – Verstehen. Verbinden. Unterstützen (Bioökonomie-VVU) an. In dem Begleitforschungsprojekt wollen Forschende die Bedingungen für eine erfolgreiche Umsetzung des Strukturwandels im Rheinischen Revier untersuchen.

Das Projekt umfasst zum einen die Begleitforschung durch ein Konsortium wissenschaftlicher Institute der RWTH Aachen und der TU Dortmund, zum anderen eine Geschäftsstelle, die gemeinsam vom Institut für Technologie- und Innovationsmanagement (TIM) der RWTH Aachen und dem Institut für Pflanzenwissenschaften (IBG-2) des Forschungszentrums Jülich betrieben wird. Das auf fünf Jahre angelegte Vorhaben wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung bis 2026 mit insgesamt 6,3 Mio. Euro gefördert.

Professionelle Begleitung der Flaggschiff-Projekte

Im Fokus des Projektes steht dabei die professionelle Begleitung der beiden Flaggschiff-Projekte der Modellregion Bioökonomie im Rheinischen Revier: das Kompetenzzentrum Bio4MatPro und das Innovationscluster BioökonomieREVIER. „Wir verstehen uns als eine Art Metaprojekt und schauen uns an, was braucht es eigentlich auf dem Weg hin zu dieser Modellregion Bioökonomie“, sagt Christina Dienhart vom Institut für Technologie- und Innovationsmanagement (TIM) der RWTH Aachen. „Hier arbeiten wir mit allen Akteuren in der Region zusammen, vor allem aber mit den großen Flaggschiffen Bio4MatPro und BioökonomieREVIER. Diese Projekte wollen wir beim Strukturwandel unterstützen, um eine Bioregion im Rheinischen Revier zu gestalten.“ Dienhart zufolge geht es nicht darum, den Flaggschiffen „auf die Finger zu schauen“, sondern Erkenntnisse und Erfahrungen aus der Modellregion zu systematisieren und nutzbar zu machen. 

The structural change in the Rhenish mining district is in full swing. In areas where lignite is still being mined today, a model region for sustainable and bio-based economic activities is emerging. In another thematic dossier on bioökonomie.de, the major research consortia of the bioeconomy model region in the Rhenish mining district are introduced in detail (see also the information boxes).

However, the transition to a bioeconomy region cannot be achieved through research alone. The transformation is a multifaceted and long-term process, for which future-proof and economically viable concepts, as well as the collaboration of all stakeholders from politics, industry, science, and civil society, are of central importance.

This is where the collaborative project "Bioeconomy – Understanding. Connecting. Supporting (Bioökonomie-VVU)" comes in. In this accompanying research project, researchers aim to investigate the conditions necessary for the successful implementation of the structural change in the Rhenish mining district.

The project includes both the accompanying research by a consortium of scientific institutes from RWTH Aachen and TU Dortmund, as well as a secretariat jointly operated by the Institute for Technology and Innovation Management (TIM) at RWTH Aachen and the Institute for Plant Sciences (IBG-2) at the Forschungszentrum Jülich. The five-year project is funded by the Federal Ministry of Education and Research with a total of €6.3 million until 2026.

Professional support for flagship projects

At the heart of the project is the professional support of the two flagship projects of the bioeconomy model region in the Rhenish mining district: the Bio4MatPro Competence Centre and the BioökonomieREVIER Innovation Cluster. “We see ourselves as a kind of meta-project, looking at what is needed on the way to this bioeconomy model region,” says Christina Dienhart from the Institute for Technology and Innovation Management (TIM) at RWTH Aachen. “Here, we work with all the stakeholders in the region, but primarily with the major flagship projects, Bio4MatPro and BioökonomieREVIER. We want to support these projects in the structural change process to shape a bio-region in the Rhenish mining district.” According to Dienhart, the goal is not to “micromanage” the flagship projects, but rather to systematize and make use of insights and experiences from the model region.

Weizen ist eine der wichtigsten Kulturpflanzen – nicht nur in Deutschland, sondern auch weltweit. Hierzulande wird Weizenmehl vor allem zum Backen verwendet. Doch die erforderliche hohe Backqualität für Lebensmitteln wie Brot steht und fällt mit dem Proteingehalt des Weizens. Maßgeblich für die Bewertung ist bislang der Eiweißanteil im Korn, der in der Regel mit einer intensiven Stickstoffdüngung verbunden ist und damit mitverantwortlich für die hohen Treibhausgasemissionen in der Landwirtschaft. Im Verbundprojekt MAGIC-KlimaBack wollen Forschende nun den Weg für den Einsatz neuer Backweizensorten ebnen, die eine hohe Backqualität aufweisen und zugleich das Klima schonen.

Das Vorhaben wird vom Max Rubner-Institut (MRI) koordiniert und von Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms „Klimaschutz in der Landwirtschaft“ mit 1.127.913 Euro gefördert. Daran beteiligt sind das Julius Kühn-Institut (JKI), die Martin-Luther-Universität (MLU) Halle-Wittenberg, die Universität Bielefeld und das Unternehmen KWS Saat SE.

Proteinnutzungseffizienz beim Weizen verbessern

Ziel des Projektes MAGIC-KlimaBack ist es, durch innovative Methoden der Pflanzenzüchtung die Entwicklung von Weizen mit einer verbesserten Proteinnutzungseffizienz voranzutreiben. Mithilfe modernster Züchtungs- und Analysemethoden wollen die Projektpartner dafür sorgen, dass Weizen künftig mit hoher Backqualität bei verringertem Einsatz von Stickstoffdünger produziert und damit Brotbacken klimafreundlicher wird.

Das MRI wird hierbei seine Expertise bei der Bestimmung der Getreidequalität einbringen. Im Projekt wird der geerntete Weizen auf die erforderlichen Backeigenschaften untersucht und die Ergebnisse für die untersuchten Weizengenotypen und ihre Backqualität praxisnah beschrieben. Darüber hinaus werden mithilfe einer flüssigkeitschromatografischen Auftrennung die für die Backqualität wichtigen Proteinfraktionen der Gliadine, Glutenine und Glutenin-Makropolymere untersucht sowie die Stärkequalität bestimmt.

Proteinkandidaten für Backqualität identifizieren

Gemeinsam mit der Universität Bielefeld werden die Forschenden am MRI die Proteine und Stoffwechselprodukte im Weizenmehl analysieren und jene Proteine identifizier, die für das Backverhalten entscheidend sind, um die korrespondierenden Gene ermitteln zu können. Auf dieser Grundlage könne die Getreidezüchtung „Sorten auswählen, die besonders viele dieser gewünschten Proteine enthalten“, schreiben die Forschenden. Die Analyse der Proteine und Metabolite erfolgt mithilfe der Massenspektrometrie an der Universität Bielefeld.

Darüber hinaus werden Datenpools mit sogenannten Kandidatenproteinen erstellt, die einen positiven Einfluss auf die Backqualität von Weizen bei relativ geringem Proteingehalt haben. Diese Datenpools sind wiederum die Arbeitsgrundlage für die Universität Halle-Wittenberg zur Detektion von genetischen Markern für die Backqualität sowie die Entwicklung neuer, proteinnutzungseffizienterer Weizensorten durch die KWS.

Mit KI geeignete Pflanzen und Gene für Züchtung auswählen

Die MLU wird wiederum eine neuartige, multi-parentale Winterweizenpopulation und vorhandene Gensequenzdaten bereitstellen und zugleich das Winterweizensaatgut unter Hoch- und Niedrig-Stickstoffdüngungen in Halle/Saale anbauen. Die Daten aus Feldversuch sowie dem Labor werden anschließend mithilfe künstlicher Intelligenz ausgewertet. Dabei werden Pflanzen und deren Gene identifiziert, die die Backqualität bei gemäßigter Stickstoffdüngung positiv kontrollieren und später für die Züchtung neuer Backweizensorten zur Verfügung stehen.

Ermittlung des Einsparpotenzials der Treibhausgase

Die KWS wird ebenfalls Feldversuche durchführen und Saatgut unter konventionellen und ökologischen Bedingungen produzieren. Aufgabe des JKI wird es sein, das Treibhausgas-Minderungspotenzial der neuen proteinnutzungseffizienten Weizensorten zu bewerten. Dafür wird der Anbau von Backweizen deutschlandweit über viele Jahre simuliert. „Die zu erwartenden Erkenntnisse sollen helfen, die Treibhausgas-Minderungspotenziale künftig möglichst effektiv erschließen zu können“, schreiben die Forschenden.

bb

Die Domestizierung von Nutzpflanzen ist eine der größten technologischen Revolutionen in der Menschheitsgeschichte. Dabei hat der Mensch nur etwa 250 der insgesamt 374.000 Pflanzenarten unserer Welt domestiziert. Rund 20 davon werden heute für die landwirtschaftliche Produktion in großem Maßstab genutzt. 

15 Jahre bis zu einer neuen Sorte

Viele positive Eigenschaften wie ein sehr guter Ertrag, Resistenz gegen Krankheitserreger, synchrone Erntezeiten, ein hoher Stärke-, Eiweiß- oder Zuckergehalt und eine gute Lagerfähigkeit auf dem Feld müssen in einer einzigen Sorte kombiniert werden. Das erreicht die Züchtung, indem sie mehrere Elternpflanzen kreuzt, die jeweils die gewünschten Eigenschaften aufweisen. Nach weiteren Kreuzungsschritten entstehen neue Linien, in denen die positiven Eigenschaften vereint, aber auch manche positiven Eigenschaften der Wildpflanzen – etwa Schädlingsresistenz – verloren gegangen sind. Viele weitere Schritte und ein sehr zeit- und arbeitsintensiver Prozess sind erforderlich, bis nach bis zu 15 Jahren eine neue Sorte registriert werden kann. 

„Wie kann dieser Prozess in Anbetracht des dramatisch voranschreitenden Klimawandels beschleunigt werden?“, fragt Klaus Palme, CSO der ScreenSYS GmbH, einer Ausgründung der Universität Freiburg. Denn Pflanzenzüchtung ist komplex: Genomabschnitte, die beispielsweise für die Anpassung an bestimmte Witterungsbedingungen verantwortlich sind, entscheiden über Wuchshöhe, Blühzeitpunkt, Fruchtgröße und -menge. Diese Eigenschaften werden oft nicht nur von einem einzelnen Gen, sondern von vielen Genen bestimmt. Diese Gene haben individuell meist nur einen geringen, in ihrer Kombination jedoch einen wichtigen Einfluss auf die Merkmalsausprägung.

Stabile Eigenschaften setzen Reinerbigkeit voraus

Um genetisch stabile Pflanzen zu erhalten, ist Reinerbigkeit an all diesen merkmalsbestimmenden Genen gewünscht, da dann die Nachkommen genetisch identisch sind und nicht mehr aufspalten. Um solche Linien durch Mendelsche Segregation zu erhalten, ist ein arbeitsintensiver Aufwand von sich wiederholenden Runden der Selbstbestäubung und Selektion über viele Generationen erforderlich. Während der Aufwand bei nur einem Gen, welches auf Reinerbigkeit gezüchtet werden soll, überschaubar ist, wird mit zunehmender Anzahl von an dem Erscheinungsbild beteiligten Genen der Aufwand immer größer. „Allein bei sechs merkmalsbestimmenden Genen müssten 4⁶ , also 4.096 Nachkommen nach einer Selbstkreuzung gescreent werden, um wenigstens eine Pflanze mit den gewünschten Eigenschaften zu erhalten“, rechnet Palme vor. 

The domestication of crops is one of the greatest technological revolutions in human history. Humans have domesticated only about 250 out of the total 374,000 plant species in the world. Around 20 of these are currently used for large-scale agricultural production.

15 years to develop a new variety

Many desirable traits, such as high yield, resistance to pathogens, synchronized harvest times, high starch, protein, or sugar content, and good field storage capacity, must be combined in a single variety. Breeders achieve this by crossing multiple parent plants, each exhibiting the desired traits. After further crossing steps, new lines emerge that combine positive traits, although some beneficial traits of wild plants—such as pest resistance—may be lost. Numerous additional steps and a very time- and labor-intensive process are required before a new variety can be registered, which can take up to 15 years.

“How can this process be accelerated in light of the dramatically advancing climate change?” asks Klaus Palme, CSO of ScreenSYS GmbH, a spin-off from the University of Freiburg. Plant breeding is complex: Genome segments responsible for adapting to specific weather conditions determine plant height, flowering time, fruit size, and yield. These traits are often not determined by a single gene but by many genes, which individually may have only a small effect but collectively play a significant role in trait expression.

Stable traits require pure lines

To obtain genetically stable plants, purity is desired in all these trait-determining genes, ensuring that the offspring are genetically identical and do not segregate further. Achieving such lines through Mendelian segregation requires labor-intensive repetitive rounds of self-pollination and selection over many generations. While the effort involved in breeding for the purity of a single gene is manageable, it increases significantly with the number of genes involved in the phenotype. “With just six trait-determining genes, 46—or 4,096—offspring would need to be screened after self-crossing to obtain at least one plant with the desired traits,” explains Palme.

Der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 2024 geht an die US-Forscher Victor Ambros und Gary Ruvkun für die für die Entdeckung der microRNA und ihrer Rolle bei der Genregulation. Ambros und Ruvkun entdeckten im Fadenwurm C. elegans eine neue Klasse winziger RNA-Moleküle, gerade einmal 22 Nukleotide lang, die nicht für Proteine kodieren, sondern eine entscheidende Rolle bei der Genregulation spielen.

Diese Entdeckung offenbarte ein völlig neues Prinzip der Genregulation, das sich als wesentlich für alle mehrzellige Organismen, einschließlich des Menschen, herausstellte. Inzwischen ist bekannt, dass das menschliche Genom über eintausend microRNAs kodiert. MicroRNAs erweisen sich als grundlegend wichtig für die Entwicklung und Funktionsweise von Organismen.

Die Entdeckung der microRNAs ist auch für die Pflanzenforschung und die Züchtung zentral. Die kurzen RNA-Moleküle sind in vielen Prozessen der Pflanzenentwicklung als Genregulatoren beteiligt, zum Beispiel in der Meristem-Entwicklung und bei der Entwicklung von Blättern und Blüten.

Auch bioökonomie.de hat über einige Entwicklungen aus diesem Forschungsfeld berichtet. Hier ein kleiner Überblick: 

Immer mehr Tier- und Pflanzenarten sind nach Einschätzung von Fachleuten schon heute vom Aussterben bedroht – und der Klimawandel könnte den Ökosystemen weltweit noch mehr schaden und den Verlust der Artenvielfalt weiter vorantreiben. Mit dem ersten globalen Zustandsbericht zur Artenvielfalt zeigte der Weltbiodiversitätsrat (IPBES) 2019 erstmals, wie dramatisch die Lage ist. Mit dem „Faktencheck Artenvielfalt“ liegt nun zum ersten Mal ein umfassender Lagebericht zur Biodiversität in Deutschland vor. Es handelt sich um ein Projekt der BMBF-Forschungsinitiative zum Erhalt der Artenvielfalt (FEdA). 

Nationaler Zustandsbericht zur Biodiversität

„Der Faktencheck Artenvielfalt ist weltweit eines der ersten Beispiele, wie große internationale Berichte – wie die globalen und regionalen Assessments des Weltbiodiversitätsrates IPBES – auf einen nationalen Kontext zugeschnitten aussehen können; mit dem Ziel, Handlungsoptionen für die konkrete nationale und subnationale Politik aufzuzeigen und zu entwickeln“, erklärt Christian Wirth von der Universität Leipzig und Mitherausgeber des Reports.

An dem über 1.000 Seiten umfassenden Bericht mit dem Titel „Faktencheck Artenvielfalt. Bestandsaufnahme und Perspektiven für den Erhalt der biologischen Vielfalt in Deutschland“ haben 150 Forschende von 75 Institutionen und Verbänden zusammengearbeitet. Im Rahmen des Projektes wurden Erkenntnisse aus über 6.000 Publikationen zur Artenvielfalt in Deutschland ausgewertet und in einer eigens dafür entwickelten Datenbank zusammengeführt. Am 30. September wurde der Bericht in Berlin vorgestellt.

Mehr als die Hälfte aller Lebensräume in schlechtem Zustand

Die Ergebnisse des Reports sind „ernüchternd“. Der Studie zufolge sind 60 % der 93 untersuchten Lebensraumtypen in einem „unzureichenden oder schlechten Zustand“. 10.000 Arten seien „bestandsgefährdet“. Besonders schlecht ist demnach der Zustand einstmals artenreicher Äcker, Moore, Moorwälder, Sümpfe und Quellen und des Grünlands. Anhand der ausgewerteten Studien konnten die Forschenden klar belegen, dass die intensive landwirtschaftliche Nutzung den „stärksten negativen Effekt“ auf die biologische Artenvielfalt hat. Aber auch erste Auswirkungen des Klimawandels seien sichtbar, heißt es.

„Wir dürfen nicht an dem Ast sägen, auf dem wir sitzen. Einen Planeten B haben wir nicht“, sagte Bundesforschungsministerin Bettina Stark-Watzinger anlässlich der feierlichen Präsentation des Berichts. Artenschutz sei eine „ökologische, ökonomische und ethische Verpflichtung“ so die Ministerin und forderte dazu auf, „den technologischen Fortschritt und Innovationen zu nutzen, um dem Artensterben entgegenzuwirken“.

Unzureichende Datenlage erschwert wissenschaftliche Auswertung

Der Report ist aber nicht nur ein Zustandsbericht. Er identifiziert auch Trends und Treiber und gibt Empfehlungen, wie dem Verlust der Artenvielfalt entgegengewirkt werden kann und wo Forschungsbedarf besteht. So stellten die Forschenden fest, dass es bei all den Forschungsaktivitäten und vorhandenen Daten „kein einheitliches, arten- und lebensraumübergreifendes System“ gibt, um die biologische Vielfalt zu erfassen, was die wissenschaftliche Auswertung erschwert. Hinsichtlich der Bodenbiodiversität und der Artenvielfalt in urbanen Räumen war die Datenlage deutlich schlechter.

„Durch die unzureichende Datengrundlage sind auch die genauen Ursachen des Verlusts biologischer Vielfalt nur ungenügend bekannt. Das liegt vor allem daran, dass die von uns Menschen verursachten Einflüsse bislang entweder gar nicht oder nur unvollständig und in den meisten Fällen unabhängig von der Erfassung der biologischen Vielfalt erhoben werden“, sagt Josef Settele vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) und Mitherausgeber des Reports.

Doch es gibt auch einige positive Entwicklungen. Demnach hat sich die Wasserqualität der Flüsse und die Förderung natürlicher Strukturelemente in Wäldern und in der Agrarlandschaft verbessert. Für eine echte Trendwende müsse man jedoch lernen, mit der Natur zu wirtschaften, erklärt Nina Farwig von der Universität Marburg und Mitherausgeberin. „Das kann auch bedeuten, dass wir ökologische Folgekosten in Wirtschaftsberichten bilanzieren. Vor allem müssen neue biodiversitätsbasierte Landnutzungssysteme entwickelt werden. Moderne Technologien können hierbei helfen.“

Mit hoher Biodiversität steigt die Vielfalt an Ökosystemleistungen

In den Kernaussagen des Faktenchecks unterstreichen das Autorenteam die Rolle der biologischen Vielfalt für Ökosysteme und uns Menschen. Biologisch vielfältige Lebensgemeinschaften erbringen essenzielle Leistungen, etwa die Versorgung mit Nahrungsmitteln, die Blütenbestäubung, Aufrechterhaltung von Nährstoffkreisläufen, Klimaschutz oder den Rückhalt von Wasser. „Mit hoher biologischer Vielfalt steigt auch die Vielfalt an Ökosystemleistungen“, heißt es unter anderem in der Zusammenfassung des Faktenchecks. 

„Ökosysteme – Wälder, Flussauen, Feldlebensräume und viel mehr, werden stabil und krisenfest, wenn sie reich an Arten sind“, bringt es Christian Wirth in einem Interview mit der Süddeutschen Zeitung auf den Punkt. „Je vielfältiger die Artengemeinschaft in einem Lebensraum ist, desto produktiver ist er.“ Landschaften mit einem dichten Netz aus Arten seien ungleich stabiler gegen Krisen. „Das ist auch eine wichtige Botschaft für Gesellschaft und Politik: Eine nachhaltige Bewirtschaftung von Ökosystemen rentiert sich.“

Papier ist aus unseren Alltag nicht wegzudenken. Vor allem die Verpackungsindustrie ist auf den Wertstoff angewiesen und sieht darin zunehmend eine Alternative zu Kunststoffverpackungen. Doch gerade hier sind dem Einsatz noch Grenzen gesetzt, denn Papier reagiert empfindlich auf Feuchtigkeit, Hitze und Sauerstoff und ist daher nicht so lange haltbar. Um die Haltbarkeit zu verlängern, werden Papierverpackungen daher meist mit Kunststoffen beschichtet, die jedoch das Recycling erschweren. Im Rahmen des Projektes BioPLas4Paper haben Forschende vom Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST gemeinsam mit Partnern einen Weg gefunden, den Einsatz von pflanzenbasierten Beschichtungen zu verbessern.

In enger Zusammenarbeit mit der TU Darmstadt und dem Thünen-Institut für Holzforschung gelang es dem Fraunhofer-Team mithilfe der sogenannten Plasmapolymerisation, eine auf Pflanzenstoffen basierende Barriereschicht auf Papier zu erzeugen, die homogen und wasserabweisend ist. Zur Herstellung der Barriereschicht wurden Pflanzenstoffe wie Oregano- oder Chiaöl sowie Extraktstoffe aus Rindenmaterial genutzt, die auch für ihre antibakterielle Wirkung bekannt sind.

Pflanzliche Moleküle mit Plasma vernetzen

Bei der Polymerisation handelt es sich um ein Beschichtungsverfahren. Hier werden Pflanzenstoffe durch Zugabe von Stickstoff in ein Aerosol überführt und als dampfförmige organische Vorläuferverbindungen in das Plasma eingeschleust, wo sie sich zu Plasmapolymeren verbinden. Diese winzigen Tröpfchen vernetzen sich mit dem Papier. Den Forschenden zufolge legen sie sich flächig auf das raue Papiersubstrat und dringen tief in die Poren und Fasern der Oberfläche ein. 

„Erst durch den Einsatz des Plasmas werden die pflanzlichen Moleküle reaktiv und vernetzen sich zu Polymeren“, erklärt Martin Bellmann, vom Fraunhofer IST in Braunschweig. Im Projekt konnten die Forschenden nachweisen, dass sich die biobasierten Stoffe mittels Plasma „reproduzierbar und homogen abscheiden und abtrennen lassen“. Besonders wasserabweisend waren demnach Beschichtungen mit Oliven- und Chiaöl. Abhängig von den Vorläuferverbindungen und den Beschichtungsparametern konnte das Team die Barriereschichten beeinflussen und optimieren.

Neues Plasmaquellenkonzept entwickelt

Plasma wird mittels einer Plasmaquelle durch die Ionisierung von Gas zwischen zwei rotationssymmetrischen Elektroden erzeugt, an die Hochspannung angelegt wird. Im Rahmen des Projekts BioPlas4Paper wurde nun ein neuartiges Plasmaquellenkonzept entwickelt, mit dem unter Atmosphärendruck eine reproduzierbare Prozessumgebung geschaffen werden kann, die die Einflüsse der Umgebungsluft auf ein Minimum reduziert und so homogene, reproduzierbare Beschichtungsergebnisse erreicht. 

Verändert wurden demnach die geometrische Anordnung der Elektroden und die Art, wie das Aerosol eingeleitet und das Plasma gezündet wird. „Aufgrund der Rauheit der Papieroberfläche kommt es bei hohen Verarbeitungsgeschwindigkeiten zur Verwirbelung der Umgebungsluft, was die Plasmaeigenschaften verändert. Diese schädlichen Einflüsse können wir durch unser Konzept vermeiden“, sagt Bellmann. Die Umgebungsluft wird komplett verdrängt, weil die Plasmaquelle dicht an die Papieroberfläche herangeführt wird.

Einsatzmöglichkeiten für pflanzenbasierte Beschichtungen erweitert

Das Vorhaben BioPlas4Paper wurde vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) von Mai 2021 bis April 2024 gefördert. Mithilfe des neuen Verfahrens haben die Forschenden die Einsatzmöglichkeiten pflanzenbasierter Beschichtungen für Papierverpackungen nicht nur erheblich verbessert, sondern auch für anspruchsvollere Anwendungen nutzbar gemacht. „Ein Anwendungsbeispiel sind Umzugskartons, die mit unseren hydrophoben Schichten auch länger Regen ausgesetzt sein können, ohne aufzuweichen“, sagt Bellmann.

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Im Jahr 2022 hatte Bundesforschungsministerin Bettina Stark-Watzinger bei ihrem Besuch in australischen Bundesstaat Queensland eine Vereinbarung zur Stärkung der gemeinsamen Bioökonomie-Forschung unterzeichnet. Mit dem „Joint Declaration of Intent“ wollen Deutschland und Australien ihre seit Jahren bestehende Forschungszusammenarbeit ausbauen. 

Grundlage für die Zusammenarbeit bildet die Fördermaßnahme „Bioökonomie International“. Im Rahmen dieser Initiative werden internationale Forschungsverbünde mit Ländern außerhalb Europas gefördert. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert ausschließlich die deutschen Forschungsakteure, die Co-Finanzierung der internationalen Forschungspartner wird durch die nationalen Förderorganisationen bereitgestellt. 

Kürzlich sind die ersten drei Projekte aus der ersten von vier Förderrunden in der Deutschland-Queensland-Kooperation an den Start gegangen. Der Regierung von Queensland stellt für jedes Projekt ca. 250.000 australische Dollar bereit (mehr in dieser Presseinformation).
 

In 2022, Federal Research Minister Bettina Stark-Watzinger signed an agreement to strengthen joint bioeconomy research during her visit to the Australian state of Queensland. With the ‘Joint Declaration of Intent’, Germany and Australia want to expand their long-standing research cooperation.

The basis for the cooperation is the ‘Bioeconomy International’ funding programme. This initiative funds international research alliances with countries outside Europe. The Federal Ministry of Education and Research (BMBF) exclusively funds the German research players, while the co-financing of the international research partners is provided by the national funding organisations.

The first three projects from the first of four funding rounds in the Germany-Queensland co-operation were recently launched. The Queensland Government is providing approximately 250,000 Australian dollars for each project (more in this press release).

Weizen zählt zu den wichtigsten Nahrungspflanzen weltweit und ist auf die Versorgung mit Stickstoff angewiesen. In der Landwirtschaft wird daher Stickstoff in Form von Dünger ausgebracht, um das Wachstum der Pflanze zu fördern und gute Erträge zu erzielen. Doch es kommt auf die richtige Menge an. Stickstoff, den die Pflanze nicht verarbeiten kann, landet in der Umwelt und belastet die Ökosysteme. Doch wie kann die Versorgung mit Weizen gesichert werden, ohne die Umwelt weiter zu belasten?

Ernteertrag neuer Weizensorten bei Klimaerwärmung simuliert

Eine Lösung könnte die Züchtung neuer Weizensorten sein, wie ein Forschungsteam um den Agrarwissenschaftler Senthold Asseng von der TU München in der Fachzeitschrift Nature Plants schreibt. Gemeinsam mit Wissenschaftlern vom französischen Forschungsinstitut für Landwirtschaft, Ernährung und Umwelt (INRAE) hatte das Team neue, noch im Versuchsstadium befindliche Weizensorten untersucht. Dafür wurden Daten von weltweit fünf Versuchsfeldern genutzt, auf denen besonders hohe Erträge erzielt werden. Mithilfe von Simulationsmodellen wurde für verschiedene Klimaszenarien der Ernteertrag der getesteten Sorten bei Zugabe unterschiedlich hoher Stickstoffmengen berechnet. Bei den Klimaszenarien wurde eine Erderwärmung um ein Grad und um 4,8 Grad berücksichtigt.

Mehr Ertrag bei gleicher Düngemenge

Den Forschenden zufolge lieferten neue Weizensorten unter den aktuellen klimatischen Bedingungen 16 % mehr Ertrag als bisher eingesetzte Weizensorten, wenn sie mit der gleichen Menge gedüngt werden. Durch die bessere Stickstoffnutzung verbesserte sich auch der ökologische Fußabdruck. Gleichzeitig stellte das Team fest, dass „der Stickstoffbedarf im Zuge der Erderwärmung generell steigen wird, wenn man das Erntepotenzial der Pflanzen voll ausschöpfen möchte“. Doch auch hier sei die Stickstoffeffizienz der im Projekt getesteten neuen Weizensorten im Vergleich zu den bisher eingesetzten besser.

Züchtung neuer Weizensorten empfohlen 

Die Forschenden kommen zu dem Schluss, dass die neuen Weizensorten „in wichtigen Aspekten“ den bisherigen überlegen sind und daher ein „Baustein zur Ernährungssicherheit“ sein können. Da Stickstoff jedoch eine kostenintensive Ressource ist, empfehlen die Forschenden „die im Modell getesteten Weizensorten nun in Zuchtprogrammen weiter zu nutzen“.

„Mit verbesserter Züchtung können wir es schaffen, für die nächsten 20 bis 30 Jahre die Lücke an Nahrungsmitteln zu schließen. Allein mit neuen Sorten wird uns der Spagat aus weltweiter Ernährungssicherheit, Umweltschutz und Wirtschaftlichkeit aber nicht gelingen“, sagt Senthold Asseng. „Was wir brauchen, ist ein systemischer Ansatz, der neben agrarwissenschaftlichen Methoden wie moderner Züchtung auch Umweltaspekte, sozio-ökonomische Faktoren und die Rolle der Politik betrachtet.“

Das Projekt wurde von der internationalen Wheat-Initiative gefördert.

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Wheat is one of the most important food crops in the world and is dependent on a supply of nitrogen. In agriculture, nitrogen is therefore applied in the form of fertiliser to promote plant growth and achieve good yields. However, the right amount is important. Nitrogen that the plant cannot process ends up in the environment and pollutes ecosystems. But how can the supply of wheat be secured without further harming the environment?

Simulating the yield of new wheat varieties in a warming climate

One solution could be the breeding of new wheat varieties, as a research team led by agricultural scientist Senthold Asseng from the Technical University of Munich writes in the scientific journal Nature Plants. Together with scientists from the French Research Institute for Agriculture, Food and Environment (INRAE), the team analysed new wheat varieties that are still at the experimental stage. Data from five trial fields worldwide, where particularly high yields are achieved, were used for this. With the help of simulation models, the yield of the tested varieties was calculated for various climate scenarios with the addition of different amounts of nitrogen. In the climate scenarios, global warming of one degree and 4.8 degrees was taken into account.

More yield using the same amount of fertiliser

According to the researchers, under the current climatic conditions, new wheat varieties produced 16% more yield than previously used wheat varieties when fertilised with the same amount of fertiliser. Better nitrogen utilisation also improved the ecological footprint. At the same time, the team found that ‘nitrogen requirements will generally increase in the course of global warming if the harvest potential of the plants is to be fully utilised’. However, in this case too, the nitrogen efficiency of the new wheat varieties tested in the project was better than those used previously.

Breeding of new wheat varieties recommended

The researchers conclude that the new wheat varieties are superior to the previous ones ‘in important aspects’ and can therefore be a ‘building block for food security’. However, as nitrogen is a cost-intensive resource, the researchers recommend ‘continuing to use the wheat varieties tested in the model in breeding programmes’.

‘With improved breeding, we can manage to close the food gap for the next 20 to 30 years. However, we will not succeed in balancing global food security, environmental protection and economic efficiency with new varieties alone,’ says Senthold Asseng. ’What we need is a systemic approach that considers environmental aspects, socio-economic factors and the role of politics in addition to agricultural science methods such as modern breeding.’

The project was funded by the international Wheat Initiative.

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Als Sauerstoffproduzenten und CO₂-Speicher tragen Algen zum Überleben des marinen Ökosystems bei und leisten damit auch einen entscheidenden Beitrag zum Klimaschutz. Auch für die Industrie sind Algen, wie die Grünalge Ulva, längst zu einer wichtigen Rohstoffquelle geworden. Aus ihnen werden Wirkstoffe für die Medizin oder biobasierte Chemikalien gewonnen, Lebens- und Futtermittel oder Kosmetikprodukte hergestellt. Mit der Entschlüsselung des Genoms der marinen Großalge Ulva hatten Forschende aus Jena bereits vor einigen Jahren die Grundlage gelegt, um das vielfältige Potenzial des sogenannten Meersalates weiter auszuschöpfen.

Neue Erkenntnisse zur Interaktion von Alge und Bakterien 

Nun liefern Jenaer Forschende vom Leibniz-Institut für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) und der Friedrich-Schiller-Universität erstmals detaillierte Informationen über die chemische Zusammensetzung der Ulva-Algenzellen und deren Wechselwirkungen mit Bakterien.

Algen leben in Symbiose mit Bakterien und sind damit für deren Wachstum und Entwicklung entscheidend. Bisher war es jedoch schwierig, diese Interaktion in Echtzeit zu untersuchen, ohne den sensiblen Prozess zu beeinträchtigen. „Unser Ziel war es, eine Technik zu entwickeln, die es ermöglicht, die feinen Unterschiede in der Zellstruktur der Algen und die Interaktionen mit den Bakterien genau zu erfassen“, erklärt Constanze Schultz vom Leibniz-IPHT und Erstautorin der Studie, die im Sonderforschungsbereich ChemBioSys an der Friedrich-Schiller-Universität Jena durchgeführt wurde.

Laserlicht macht symbiotische Interaktion sichtbar 

Wie das Team im Fachmagazin „ChemPhysChem" berichtet, gelang es ihm mithilfe der sogenannten Raman-Spektroskopie, die symbiotische Interaktion von Alge und Bakterien auf sanfte Weise zu ergründen. Bei der Methode werden mithilfe von Laserlicht die Moleküle in den Zellen untersucht. Auf diese Weise werden Veränderungen in der Zellstruktur sichtbar, ohne Farbstoffe oder Marker hinzuzufügen. „Die Raman-Spektroskopie bietet uns eine einzigartige Möglichkeit, diese Prozesse direkt im Wasser und ohne Beeinträchtigung der Proben zu analysieren“, so Schultz.

Potenzial für Biotechnologie und Umweltschutz

Nach Ansicht der Forschenden kann die Studie zu einem besseren Verständnis der Rolle von Algen und ihren bakteriellen Partnern im Ökosystem beitragen. Auf dieser Grundlage könnten zudem effizientere Methoden zur Kultivierung von Algen entwickelt werden, die für die Nahrungsmittelproduktion oder Energiegewinnung immer wichtiger werden. „Besonders die Einblicke in die molekulare Zellwandsynthese und die Entstehung von Fehlbildungen sind hierbei von hoher Relevanz, da sie helfen können, Resistenz gegen verschiedene Umwelteinflüsse sowie Krankheitsanfälligkeit besser zu verstehen“, schreiben die Forschenden.

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As oxygen producers and CO₂ reservoirs, algae contribute to the survival of the marine ecosystem and therefore also make a decisive contribution to climate protection. Algae, such as the green algae Ulva, have also long since become an important source of raw materials for industry. They are used to produce active ingredients for medicine or bio-based chemicals, food and animal feed or cosmetic products. By decoding the genome of the large marine algae Ulva, researchers from Jena laid the foundations a few years ago for further exploiting the diverse potential of the so-called sea lettuce.

New findings on the interaction between algae and bacteria

Researchers from the Leibniz Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) and Friedrich Schiller University in Jena are now providing detailed information on the chemical composition of Ulva algae cells and their interactions with bacteria for the first time.

Algae live in symbiosis with bacteria and are therefore crucial for their growth and development. Until now, however, it has been difficult to analyse this interaction in real time without compromising the sensitive process. ‘Our aim was to develop a technique that makes it possible to precisely record the subtle differences in the cell structure of the algae and the interactions with the bacteria,’ explains Constanze Schultz from Leibniz IPHT and first author of the study, which was carried out in the ChemBioSys Collaborative Research Centre at Friedrich Schiller University Jena.

Laser light makes symbiotic interaction visible

As the team reports in the journal 'ChemPhysChem', they were able to use Raman spectroscopy to gently analyse the symbiotic interaction between algae and bacteria. The method uses laser light to analyse the molecules in the cells. In this way, changes in the cell structure become visible without adding dyes or markers. ‘Raman spectroscopy offers us a unique opportunity to analyse these processes directly in the water and without affecting the samples,’ says Schultz.

Potential for biotechnology and environmental protection

According to the researchers, the study can contribute to a better understanding of the role of algae and their bacterial partners in the ecosystem. On this basis, more efficient methods for cultivating algae, which are becoming increasingly important for food production or energy generation, could also be developed. ‘Insights into molecular cell wall synthesis and the development of malformations are particularly relevant here, as they can help to better understand resistance to various environmental influences and susceptibility to disease,’ write the researchers.

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Enzyme sind die unsichtbaren Stars der Bioindustrie. Bei den komplexen Eiweißmolekülen handelt es sich um Biokatalysatoren, die sich als Spezialwerkzeuge nutzen lassen, um Prozesse zu beschleunigen oder biobasierte Produkte herzustellen. Nun haben Forschende vom LOEWE-Zentrum für Translationale Biodiversitätsgenomik (TBG) in Frankfurt am Main eine neue Quelle für Enzyme aufgetan. Wie das Team im Fachjournal „npj Biodiversity“ berichtet, handelt es sich dabei um das Gift von Spinnen.

Das Gift der Spinnen ist komplexes Stoffgemisch und beinhaltet mehr als 3.000 Moleküle. Dabei handelt es sich hauptsächlich um Neurotoxine – also Giftstoffe –, mit denen Spinnen auf Beutefang gehen oder sich verteidigen. In der Medizin werden derzeit bereits Substanzen aus Spinnengiften als Antibiotika oder Schmerzmittel erprobt. Auch für landwirtschaftliche Anwendungen sind sie zunehmend interessant.

Spinnengifte nach Enzymen durchsucht

Die Forschenden am LOEWE-Zentrum haben sich indessen auf die bisher wenig beachteten Enzyme in Spinnengiften fokussiert. Dafür wurden die Rohdaten aller Spinnen, deren Gifte bereits analysiert wurden, systematisch nach Enzymen durchsucht. „Dabei konnten wir zeigen, dass in ihren Giften insgesamt tatsächlich mehr als 140 verschiedene Enzymfamilien zu finden sind“, so Studienleiter Tim Lüddecke, Leiter der Arbeitsgruppe „Animal Venomics“ am Gießener IME-BR und der Justus-Liebig-Universität Gießen. „Dies bedeutet unter anderem, dass wir die chemische Vielfalt in Spinnengiften bisher dramatisch unterschätzt haben, da alle Kalkulationen zur Komplexität lediglich auf den Neurotoxinen basieren.“

Neue Perspektiven für die Nutzung von Spinnengiften

Die Forschenden sind überzeugt, dass ihre Erkenntnisse nicht nur „neue Forschungsansätze zum besseren Verständnis der Evolution und Funktion von Spinnengiften“ liefern, sondern auch „neue Perspektiven für ihre Nutzung“ eröffnen. Potenzial sieht das Team vor allem für bioökonomische Anwendungen. „Enzyme sind zentrale Bausteine der Bioökonomie. Einige Enzyme, die wir identifiziert haben, könnten durch ihre fettspaltende oder proteinabbauende Wirkung beispielsweise in Waschmitteln oder der Abfallbeseitigung eingesetzt werden. Sie könnten dort signifikant zu einer Nachhaltigkeitstransformation beitragen“, sagt Josephine Dresler, Doktorandin der Arbeitsgruppe und Erstautorin der Studie.

Noch steht die Forschung an Enzymen aus Spinnengiften am Anfang. Von weltweit 52.000 bekannten Spinnenarten sind bisher weniger als ein Prozent hinsichtlich ihrer Gifte erforscht. „Ich bin mir sicher, dass wir in den verbleibenden 99 % der weltweit vorkommenden Arten noch einige spannende Entdeckungen machen werden“, sagt Lüddecke. 

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