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Mehr als zehn Prozent der Ernte wichtiger Nutzpflanzen wie Weizen oder Kartoffeln gehen jährlich durch Nematodeninfektionen verloren. Nematoden (Fadenwümer) sind mikroskopisch kleine Parasiten, die ihren Wirtspflanzen Nährstoffe und Wasser entziehen. Forschern der Universität Bonn und dem Sainsbury Laboratory in Norwich haben einen Rezeptor auf der Pflanzenoberfläche entdeckt, der Nematoden erkennt, und daraufhin eine Abwehrreaktionen gegen die Eindringlinge auslöst. Die Ergebnisse haben sie im Fachjournal "PLOS Pathogens" publiziert.

Ein Rezeptor gegen viele Nematoden

Die Pflanzenforscher aus Bonn und Norwich identifizierten ein Gen namens NILR1 in der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), das es den Gewächsen ermöglicht, die Nematoden zu erkennen. Das Team konnte aber auch bereits nachweisen, dass Nutzpflanzen wie Tomaten und Zuckerrüben ebenfalls über dieses Gen verfügen. Florian Grundler von der Universität Bonn erklärt: „NILR1 ist der genetische Code für ein Rezeptorprotein, das auf der Oberfläche von Pflanzenzellen sitzt und andere Moleküle binden und erkennen kann. Vermutlich erkennt NILR1 ein von den Nematoden abgegebenes Molekül, und leitet die Aktivierung der pflanzlichen Immunabwehr ein.”

Das Besondere an dem Fund: NILR1 erkennt ein breiteres Spektrum von Nematoden. Es wurden zwar schon einige Rezeptorproteine identifiziert, allerdings waren diese jeweils hochspezifisch für bestimmte Nematodenarten. Diese Besonderheit betont auch Shahid Siddique, Arbeitsgruppenleiter in der Molekularen Phytomedizin: „Das Gute an NILR1 ist, dass es in verschiedenen Nutzpflanzen vorkommt und dass es gegen viele Nematodenarten Schutz verleiht.“

Signal der Nematoden führt zu neuem Pflanzenschutz

Das nächste Ziel der Forscher ist es, das Molekül zu isolieren, welches an NILR1 bindet und dadurch die Immunabwehr aktiviert. Die Ergebnisse der Wissenschaftler könnten neue Perspektiven für die Züchtung resistenter Pflanzen eröffnen. Denn sobald das Signalmolekül der Nematoden charakterisiert ist, steht potenziell eine neue Generation von natürlichen Substanzen zur Verfügung, mit der sich Abwehrreaktionen der Pflanze aktivieren und somit Nematoden sicher und umweltfreundlich bekämpfen lassen.

jmr

Schon seit 1970 wird der 22. April auch als „Earth Day“ betitelt. Damals gingen erstmals Millionen Amerikaner auf die Straße, um für eine gesunde und nachhaltige Umwelt zu demonstrieren. Seitdem ist diese Bewegung immer mehr gewachsen, und befasst sich inzwischen auch mit den Themen „Globale Erwärmung“ und „Grüne Energie“. In den ersten Wochen nach dem Amtsantritt von Präsident Trump in den USA gab es zahlreiche Kundgebungen – so auch der „Women’s March“. Angespornt von dessen Erfolg und etlichen negativen Äußerungen der Trump-Regierung bezüglich Wissenschaft und Forschung schlossen sich einige Wissenschaftler in den USA zusammen, und planten einen „Scientist’s March on Washington“. Die Idee wuchs jedoch schnell über sich hinaus und wurde zu einem weltweiten Event – dem „March for Science“. Als Termin für die Kundgebung wurde passenderweise der 22. April 2017 – „Earth Day“ – ausgewählt. Mittlerweile sind an dem Tag Kundgebungen in über 500 Städten weltweit geplant.

Forschungsorganisationen, Nobelpreisträger, Politiker dabei

Auch wenn die Kundgebung ursprünglich einer „Anti-Trump-Stimmung" entwachsen ist, so geht es inzwischen doch um viel mehr als das. Mittlerweile geht es den Veranstaltern darum, die Bedeutung der Wissenschaft für unser tägliches Leben, aber auch für unsere Gesundheit, Sicherheit, Wirtschaft und in der Politik hervorzuheben – und das mit Unterstützern weltweit. Allein in Deutschland sind an 20 Orten 21 Veranstaltungen rund um den "March for Science" geplant. Unter anderem auch in Helgoland, wo es vermutlich die weltweit kleinste Kundgebung geben wird.

Die größte deutsche Demonstration ist hingegen in Berlin geplant. Hier werden sich die Teilnehmer um 13:00 Uhr vor der Humboldt-Universität treffen, um dann zum Brandenburger Tor zu marschieren. Unterwegs ist auch ein Zwischenstopp vor der Ungarischen Botschaft geplant, hier wird der Zug sich demonstrativ für die Freiheit der Wissenschaft stark machen, die erst vor Kurzem durch Änderungen des Hochschulgesetzes infrage gestellt wurde. Vor dem Brandenburger Tor werden prominente Akteure sprechen, unter anderem der Regierende Bürgermeister von Berlin, Michael Müller, und der Wissenschaftsjournalist und TV-Moderator Ranga Yogeshwar. Auf der langen Liste der Unterstützer des March for Science in Deutschland finden sich neben den vielen Namen einzelner Wissenschaftler auch Nobelpreisträger, sowie der Deutsche Wissenschaftsrat und die Allianz der Wissenschaftsorganisationen.

Frösche sind ein wichtiger Bestandteil des ökologischen Gleichgewichts. Zum einen sind sie eine bevorzugte Nahrungsquelle für viele Vögel und Säugetiere, zum anderen verspeisen sie selbst enorme Mengen von Insekten, und sind somit unabdingbar bei der Kontrolle von Schädlingen. In Deutschland und Europa werden Froschschenkel als Delikatessen immer beliebter. Wird die steigende Nachfrage jedoch durch Wildfänge anstelle von nachhaltigen Zuchtfarmen gedeckt, kann das ökologische Gleichgewicht schnell aus den Fugen geraten. Deswegen hat ein Forscherteam des Museums für Naturkunde Berlin eine neue Methode der Isotopenanalyse entwickelt, um die Herkunft der Froschschenkel eindeutig zu bestimmen.

Isotopenanalyse verrät Herkunft

Jährlich werden rund 500 Millionen Frösche verzehrt. Damit sich diese großen Mengen  nicht negativ auf das Ökosystem auswirken, werden Frösche – ähnlich wie Hühner oder Rinder –  nachhaltig auf Farmen gezüchtet. Kostengünstiger sind jedoch illegale Fänge und die Verarbeitung von Wildfröschen. Dem wollen Forscher des Naturkundemuseum in Berlin eine Herkunftserkennung mittels Isotopenanalyse entgegensetzen. Das Team um Carolin Dittrich veröffentlichte seine Ergebnisse im Fachjournal „Ecology and Evolution“.

Viele Elemente kommen in der Natur mit unterschiedlichen Gewichten (Isotopen), und somit mit unterschiedlichen chemischen Eigenschaften vor. Je nach dem wie die Isotope zusammengesetzt sind, lässt dies Rückschlüsse über die Herkunft und Lebensweise der getesteten Tiere zu. Denn die Isotopen-Zusammensetzung variiert überall auf der Erde, und einige seltenere, schwere Isotope reichern sich auch über die Nahrungskette an. Zum Beispiel ist der Anteil von schwerem Stickstoff im Gewebe größer, je mehr tierische Nahrung aufgenommen wurde.

Auskunft über den Speiseplan

Im Fall der Frösche haben Carolin Dittrich und ihre Kollegen die Zusammensetzung der stabilen Isotope von Stickstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff in den Muskeln und Knochen der Froschschenkel untersucht. Dittrich erklärt: „Dadurch können wir herausfinden, von was sich ein Tier hauptsächlich ernährt hat. Und selbst die Vielfalt des Speiseplans ist in der Signatur der Isotopen festgehalten.“ So konnte das Team feststellen, dass die Froschschenkel mit großer Wahrscheinlichkeit tatsächlich aus den angegebenen Ländern stammten – allerdings nur teilweise auch wirklich auf Farmen aufwuchsen. Laut der Isotopenanalyse wuchs etwa die Hälfte der Tiere unter natürlichen Bedingungen – also in freier Wildbahn – auf.

Für die Stabilität des Ökosystems

Zudem konnten die Forscher mittels molekularer Analysen feststellen, dass die Artangaben auf den Verpackungen nicht immer korrekt waren. Ihr Ziel: Die neue Methode soll ein Werkzeug für den Naturschutz und Zoll werden, um die Herkunft von Froschschenkeln zu überprüfen, und so den Handel mit Tieren aus Wildpopulationen weiter zu minimieren. Mark-Oliver Rödel, Wissenschaftler am Museum für Naturkunde Berlin, fasst die Bedeutung und zukünftigen Möglichkeiten der Ergebnisse zusammen: „Dadurch könnte der Jagddruck von natürlichen Populationen genommen, zur Stabilität von Ökosystemen beigetragen, und somit letztlich auch der jeweiligen Bevölkerung geholfen werden.“

jmr

The CRISPR-Cas system is a revolutionary and unique genome editing tool. It is the basis for countless new molecular research projects. And especially the applied research in the biotechnology sector is benefiting from the new approach – which is why it is being hailed as a remarkable breakthrough worldwide. There are currently a number of global projects underway that are investigating how best to apply the genome editing tool – medical researchers and plant breeding programs alike are testing and applying the new method.

Charpentier has been a director at the Max Planck Institute for Infection Biology in Berlin since 2015, where she is heading the department “Regulation in Infection Biology”. In the future she will be managing her own research centre: The Max Planck Unit for the Science of Pathogens. The unit will initially be situated at the MPI for Infection Biology, but will most likely receive its own address in the near future. In early April the Joint Science Conference (Gemeinsame Wissenschaftskonferenz – GWK) decided to integrate this new research unit into its federal funding system.

Charpentier originally discovered CRISPR-Cas as a part of the natural virus-defence system occurring in bacteria. These microbes stop viruses by cutting their DNA. After working in the US and Austria, she moved to the University in Umeå in 2009. In 2012 Charpentier and her collleague Jennifer Doudna published a complete manual on the CRISPR-Cas cutting mechanism in the journal Science. Since then researchers worldwide have been using this new genome editing mechanism.

In early 2013 Charpentier moved to Germany where she held an Alexander von Humboldt Professorship at the Helmholtz Centre for Infection Research in Braunschweig. Over the last few years Charpentier has received a number of prestigious academic awards for her groundbreaking work.

jmr/pg

Chronische Wunden wie sie etwa als Langzeitfolge von Diabetes auftreten, heilen nur schwer. Die Gefahr, dass über die verletzte Haut Erreger eindringen, ist somit groß. Wissenschaftler vom Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden und der Klinik für Dermatologie der Universität Leipzig haben nun gemeinsam spezielle Hydrogel-Wundauflagen entwickelt, die nachweislich den Heilungsprozess bei chronischen Wunden beschleunigen. Der Clou: Wie ein Schwamm bindet das Material entzündungsfördernde Stoffe aus dem Wundbereich - und unterstützt somit den Heilprozess. Wie die Wissenschaftler im Fachjournal „Science Translation Medicine“ berichten, handelt es sich dabei um eine Klasse natürlich vorkommender Kohlenhydrate, um sogenannte Glykosaminoglykane.

Hydrogel bindet entzündungsfördernde Signalproteine

Im Rahmen der Studie hatte das Team einen neuen Ansatz zur Neutralisierung entzündungsfördernder Signalproteine, sogenannter Chemokine, untersucht. Die Chemokine sorgen dafür, dass Immunzellen in die Wunden einwandern. Durch die biomolekularen Wechselwirkungen von Hydrogel und Chemokinen konnten die entzündungsfördernden Signalproteine aus der Haut gebunden und somit ausgeschaltet werden.

Breites Potenzial für medizinische Anwendungen

In Tierversuchen mit diabetischen Mäusen konnten die Forscher die entzündungsdämpfende Wirkung des neuartigen auf eine Wundauflage aufgebrachten Hydrogels bereits nachweisen. Das Team ist zuversichtlich, dass das neuartige Material nicht nur neue Behandlungsmöglichkeiten für chronische Hautwunden bietet, sondern auch für andere medizinische Anwendungen geeignet ist. Die Entwicklung der Hydrogel-Wundauflage wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Transregio-Sonderforschungsbereichs „Funktionelle Biomaterialien zur Steuerung von Heilungsprozessen in Knochen- und Hautgewebe“ gefördert.

bb/pg

Despite great advances in technologies, precise weather forecasts are still very difficult to make. Thus, many researchers rely on computer models. However, these models are built upon specific data sets, which are difficult to come by. In particular agriculture requires exact forecasts and is largely negatively affected by the ongoing climate change.

An international team of researchers is now establishing a new Land-Atmosphere Feedback Observatory (LAFO), in order to track changes in weather and climate. Their hope is that this will  provide additional information to benefit the global food security. LAFO director and climate expert Volker Wulfmeyer at the University of Hohenheim emphasizes: “It is very important for society and businesses to be able to better predict droughts or heavy precipitation so they can give more precise advance warning.”

Investigating climate change on 9 square kilometres

On the western side of the University of Hohenheim, on 9 square kilometres of the Heidfeldhof, the new Land-Atmosphere Feedback Observatory (LAFO) is being built. The institute will remain part of the Hohenheim Research Center for Global Food Security and Ecosystems. Furthermore, a number of German and international research partners will be involved, such as the Institute of Meteorology and Climate Research at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT), and the Terrestrial Environmental Observatories (TERENO) at the Helmholtz Society.

The researchers aim to decipher wind, temperature, and humidity fluctuations in the lower atmospheric layers. Additionally, they plan to investigate the turbulent transportation of moisture and warmth up to a height of around two kilometres. The Carl Zeiss Foundation is supporting the project with €800.000 over four years.

Combined know-how for LAFO

In order to understand the complex processes underlying weather- and climate phenomenons, LAFO will approach the questions threefold: for remote sensing the LIDAR systems (Light Detection and Ranging) will be used. These systems are able to measure turbulent wind, temperature, and moisture structures in the atmosphere at the same time. The second pillar will be sensors that measure energy flows on the land surface and the state of the soil and vegetation. These measurement stations will determine the exchange of energy, water, and trace gases between the land surface and the atmosphere near the soil. Moreover, there will be a soil moisture measurement network at play, which will serve to investigate the connection between evaporation and soil moisture. The third approach will entail devices to characterize the vegetation.

jmr

Alte, morsche Bäume sind viel mehr als nur Brennholz. Sie sind der Lebensraum zahlreicher Vögel, Insekten und Mikroben, die für den Erhalt des Ökosystems Wald sorgen. Auch der Nutzen des alternden Holzes für Klima und Natur ist durch Studien belegt. Biodiversitätsforscher machen sich daher seit Langem für den Erhalt des sogenannten Totholz im Wald stark, um das Leben im Ökosystem zu schützen. Im Projekt „FunWood IV“ wollen Wissenschaftler der Universität Coburg nun den Einfluss der vermodernden Bäume auf das Ökosystem Wald genauer untersuchen und dabei auch die Auswirkungen der Land- und Forstwirtschaft auf die Biodiversität von Totholz analysieren.

Mechanismen des Holzabbaus erkunden

Ziel des Projektes ist es herauszufinden, wie die Mechanismen beim Holzabbau wirken und wie diese die Biodiversität beeinflussen. Dabei stehen auch die Intensität der Waldbewirtschaftung und ihr Einfluss auf das Waldökosystem im Fokus der Studie. Bekannt ist, dass der Masseverlust je nach Holzart, Pilzart und Temperatur variiert. In Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Institut für Umweltforschung in Leipzig will das Coburger Team um Matthias Noll daher Totholz aus drei Waldgebieten in Deutschland untersuchen. Dafür wurden in der Schorfheide-Chorin, in Hainich-Dün und in der Schwäbischen Alb auf je 12 Flächen jeweils 13 verschiedene Stämme alternden Holzes darunter Eiche, Kiefer und Birke ausgelegt.

DFG unterstützt Waldforschung

In regelmäßigen Abständen wollen die Forscher Holzproben auf die darin lebenden Mikroorganismen untersuchen und daraus Proteine extrahieren, um die Rolle der Mikroben beim Holzabbau zu erkunden. Anhand neuer Holzstäbe, die in die Tothölzer eingesetzt werden, soll der Verlauf des Abbaus aufgezeigt und untereinander verglichen werden. Proben von Holzmehl sollen den Forschern wiederum Antwort auf die Frage geben, wie sich Temperaturschwankungen auf das mikrobielle Ökosystem auswirken. Das Vorhaben wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Schwerpunktprogramms Biodiversitäts-Exploratorien mit 400.000 Euro gefördert. Die Nutzung von Totholz und deren Bedeutung für die Biodiversität stehen auch in dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) seit 2015 geförderten Verbundvorhaben "Bioholz" im Fokus.

bb

Kirschessigfliegen gehören zu der Familie der Fruchtfliegen (Drosophila), und sind eine landwirtschaftliche Plage. Sie haben sich in den letzten zehn Jahren vom Südosten Asiens nach Europa und Nordamerika ausgebreitet. Während viele Fruchtfliegenarten matschige und bereits leicht faulende Früchte für ihre Eiablage aussuchen, bevorzugt die Kirschessigfliege D. suzukii hingegen reife Früchte. Auf Grund des resultierenden Larvenfraß und Infektionen an der Einstichstelle verfaulen diese dann aber schnell. Dadurch richten die Kirschessigfliegen in der Landwirtschaft bei Früchten wie Kirschen, Himbeeren, Pfirsichen, Trauben oder Erdbeeren verheerende Schäden an.

Unterschiedliche Vorlieben beim Eiablageplatz

Für die Eiablage nutzen alle Fruchtfliegenweibchen ihren Legestachel, um die Haut der Früchte zu durchdringen. Ein Team aus Münchner Biologen (LMU und TU) um Nicolas Gompel und Ilona Grunwald Kadow hat mit franzöischen Kollegen untersucht, warum Kirschessigfliegen sich in ihrem Verhalten von ihren nahen Verwandten unterscheiden. Ihre Ergebnisse auf der Basis von genetischen und verhaltensbiologischen Experimenten haben sie im Fachjournal „Current Biology“ veröffentlicht.

Die Forscher gingen davon aus, dass evolutionäre Veränderungen den beobachteten Unterschieden zu Grunde liegen. Sie untersuchten dazu, wie drei nahe Verwandte – die Fruchtfliegenarten Drosophila melanogaster, D. biarmipes und D. suzukii, ihren bevorzugten Eiablageplatz auswählen.

Fliege kann reife Früchte „schmecken“

Im Vergleich zu ihren Verwandten besitzen D. suzukii einen vergrößerten und gezahnten Legestachel, mit dem sie auch die straffe Haut reifer Früchte durchstechen können. Zudem scheinen diese Fliegen gezielt reife Früchte für die Eiablage auszuwählen. „Aus unseren Ergebnissen schließen wir, dass sich im Verlauf der Evolution der Wahrnehmungsapparat von D. suzukii zunehmend verändert hat, sodass die Fliegen eine Vorliebe für die typischen Eigenschaften reifer Früchte entwickelten“, sagt Gompel.

Denn mit ihren Versuchen konnten die Forscher zeigen, dass sowohl die Festigkeit des Obstes als auch sein chemischer Duft-Cocktail, der für das jeweilige Reifestadium typisch ist, bei der Auswahl des Ablageplatzes eine Rolle spielen. Mit anderen Worten fühlen, riechen und „schmecken“ die Fliegen also ihre bevorzugte Eiablagestelle heraus.

Genetische Ursachen für Anatomie und Verhalten ermitteln

D. melanogaster legt die Eier bekanntermaßen in faulende und etwas matschige Früchte, während D. suzukii die straffe Haut reifer Früchte bevorzugt. D. biarmipes hingegen liegt genau dazwischen. Diese Fliegen sind zwar nicht so fixiert auf faulendes Obst wie D. melanogaster, können ihre Eier aber aufgrund der Anatomie ihres Legestachels nur in weiche oder beschädigte Früchte legen. Dies ist ein weiteres Indiz dafür, dass sich Verhalten und Stachelanatomie zusammen weiterentwickelt haben. Allerdings vermutet Gompel, dass der vergrößerte Legestachel eine sekundäre Errungenschaft darstellt. In einem nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler nun auch den genetischen Grundlagen der veränderten Wahrnehmung auf den Grund gehen. „Möglicherweise beruhen sie auf Modifikationen in Genen, die für Rezeptoren der Sinneswahrnehmung codieren“, sagt Gompel. „Wir wollen auch erforschen, wie sich diese Modifikationen auf die beteiligten Nervenzellen auswirken.“

jmr

Damit Urzeitpflanzen aus dem Wasser auf das Land übersiedeln konnten, mussten sie eine Schutzschicht entwickeln, die sie vor der Austrocknung schützt. Diese wachsartige Oberfläche, die sogenannte Kutikula, entwickelte sich bei Pflanzen vor mehr als 450 Millionen Jahren und ermöglichte es ihnen, sich auch auf dem Land auszubreiten und komplexe Ökosysteme auszubilden.

Deutsch-französisches Forscherteam

Ralf Reski von der Universität Freiburg und Danièle Werck-Reichhart vom Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) Institut für Pflanzenmolekularbiologie (IBMP) in Straßburg leiteten das Forschungsteam, das seine Ergebnisse im Fachjournal „Nature Communications“ veröffentlicht hat. Darin beschreiben sie den biochemischen Reaktionsweg, der bei Moosen für die Entwicklung der Kutikula verantwortlich ist.

Die Forscher untersuchten die Entstehung der Kutikula an der Moospflanze Physcomitrella patens, welche Reski bereits vor 30 Jahren zu einem weltweit anerkannten Modellorganismus etabliert hat. Das Besondere an Moosen ist, dass bei ihnen kein Lignin vorkommt. Das Biopolymer Lignin, sowie Cutin und Suberin werden jedoch von den evolutionär jüngeren Samenpflanzen verwendet, um ihre Schutzschicht herzustellen. Vor allem das Lignin führt zu einer Verholzung der Zellwände und ermöglicht es Bäumen, hoch zu wachsen. Bisher war allerdings nicht bekannt, welcher biochemische Reaktionsweg bei Moosen zur Ausbildung der Kutikula führt.

Ein gemeinsamer Vorfahre von Moosen und Samenpflanzen

Im Detail zeigen die Ergebnisse, dass das Enzym CYP98 aus der Familie der Cytochrome P450 eine entscheidende Rolle für die Kutikulaentwicklung spielt: Während es in Samenpflanzen die Produktion von Lignin einleitet, ist es im Moos zuständig für die Ausbildung einer Kutikula, die zu einem großen Teil aus Phenolen besteht. Schalten die Forscher das für die Synthese des Enzyms maßgebliche Gen ab, entwickelt das Moos keine Kutikula. Dadurch ist die Pflanze weder gegen äußere Einflüsse geschützt, noch kann sie komplexe Organe ausbilden. Ein wichtiger Bestandteil des Phenolstoffwechsels ist Kaffeesäure. Wenn Forscher die betroffenen Moose mit Kaffeesäure versorgten, konnten sie den Gendefekt kompensieren.

Die Schlussfolgerung: die Entwicklung der Kutikula bei den Moosen ging der Evolution von Lignin, Cutin und Suberin in Samenpflanzen zeitlich voraus. Somit wurde die Kutikula also vermutlich das erste mal von Ur-Landpflanzen, den gemeinsamen Vorfahren von Moosen und Samenpflanzen, gebildet. Diese Ur-Landpflanzen, konnten auf Grund der Kutikula das Wasser verlassenen, auf Steinen wachsen und so die Grundlage für alle heutigen Ökosysteme auf den Kontinenten schaffen. Neben der Bedeutung für die Pflanzenevolution erhofft sich Reski weitere Vorteile durch die neuen Erkenntnisse: „Zudem ermöglichen sie eine neue biotechnologische Strategie, Biopolymere in Pflanzen herzustellen – abseits der wissenschaftlich gut untersuchten Produktion von Lignin bei Bäumen.“

Moose als Überlebenskünstler

Außerdem strebt Reski unter der Federführung der Universität Freiburg und des zusammen mit dem Korea Polar Research Institute (KOPRI/Südkorea) und mit dem Koreaner Hyoungseok Lee weiterführende Kooperationsprojekte an. In ihrem nächsten Forschungsprojekt untersuchen sie das Genom eines antarktischen Vertreters der Moosart Sanionia uncinata, und vergleichen es mit dem Genom des Modellmooses Physcomitrella patens, das nicht in der Antarktis wachsen kann. Reski erwarten von dieser Kooperation neue Erkenntnisse über die Anpassung der Pflanzen an raue Umweltbedingungen. Denn obwohl die Antarktis mehr als 100 Moosarten beheimatet, ist bisher noch nicht bekannt wie Pflanzen unter solch widrigen Witterungs- und Boden-Bedingungen überhaupt überleben können. „Wir werden in dem Moos nach noch unbekannten Signalmechanismen suchen, die sich seit Millionen von Jahren entwickelt haben, um das Leben in entlegenen und unwirtlichen Orten zu ermöglichen.“

jmr

Den Kohlendioxid-Ausstoß zu drosseln ist eines der zentralen Ziele, die auch die Bundesregierung mit ihrer Klimapolitik und der aufgelegten Nachhaltigkeitsstrategie verfolgt. Trotz aller Bemühungen, stiegen die Emissionen nach einer Studie des Umweltbundesamtes 2016 im Vergleich zum Vorjahr um etwa 4 Millionen Tonnen auf rund 906 Millionen Tonnen an. Energiewirtschaft und chemische Industrie gelten noch immer als Hauptverursacher des Klimagases. Im Kopernikus-Projekt P2X fördert die Bundesregierung daher vielversprechende Ansätze, den Klimakiller Nummer eins sinnvoll als Rohstoff oder Baustein für innovative Produkte in der Chemie- und Energiewirtschaft zu nutzen.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt das Vorhaben im Rahmen der Förderinitiative „Chemische Prozesse und stoffliche Nutzung von CO₂“ mit 30 Mio. Euro. Weitere 8,3 Mio. Euro werden von Industriepartnern beigesteuert. „Mit unserer Maßnahme tragen wir dazu bei, langfristig einen Strukturwandel unserer Industrie einzuleiten – weg vom Öl und hin zu einer grünen Wirtschaft", sagte Bundesforschungsministerin Johanna Wanka bei der Eröffnung der 3. Statuskonferenz der Förderinitiative Anfang April in Berlin.

Mit Strom CO₂ in Kohlstoffverbindungen verwandeln

Experten sind sich einig: CO₂ könnte als Quelle für Kohlenstoff die teure und endliche Ressource Erdöl zum Großteil bei der Herstellung von Chemikalien und Kunststoffen ersetzen. Im Kopernikus-Projekt P2X werden daher die Kompetenzen aus Energiewirtschaft und chemischer Industrie auf dem Feld der sogenannten „Co-Elektrolyse“ gebündelt. Dabei wird Kohlendioxid mithilfe regenerativ erzeugten Stroms zu Kohlenstoff verwandelt. Mit der RWTH Aachen, dem Forschungszentrum Jülich und der Dechema sind insgesamt 17 Forschungseinrichtungen, 26 Industrieunternehmen sowie drei zivilgesellschaftliche Organisationen an dem visionären Projekt beteiligt. Erste Ergebnisse der dabei zur Anwendung kommenden sogenannten Power-to-X-Technologie stellten die Forscher kürzlich im Fachjournal „Angewandte Chemie“ vor.

Die Schwerpunktprogramme (SPP) der DFG sind so etwas wie ein Seismogramm für die derzeit wohl spannendsten Zukunftsfelder in der akademischen Grundlagenforschung. Die SPPs zeichnen sich durch eine stark interdisziplinär geprägte Forschung, aktuelle Fragestellungen sowie die Anwendung innovativer Methoden aus. Die Beschäftigung mit originellen Themen wird durch ortsübergreifende Zusammenarbeit erreicht. Neben der Forschungsnachwuchsförderung ist auch die Geschlechtergleichstellung ein zentrales Auswahlkriterium der SPPs. Inklusive der neuen Schwerpunktprogramme (SPP) werden derzeit 97 SPPs von der DFG gefördert.

100 Millionen Euro für 17 Netzwerke

In der aktuellen Auswahlrunde wurden 66 Anträge eingereicht, aus denen jetzt 17 von den Gutachtergremien ausgewählt wurden. Diese nehmen 2018 ihre Arbeit auf und werden für den ersten Förderzeitraum von drei Jahren mit insgesamt 100 Mio. Euro gefördert. Meist werden die Projekte im Anschluss für weitere drei Jahre gefördert. Die SPPs selber stellen dabei jeweils ein Oberthema dar, zu dem in den nächsten Monaten Einzelanträge ausgeschrieben werden. Die daraufhin eingehenden Förderanträge werden anschließend mit Blick auf ihre wissenschaftliche Qualität und den potenziellen Erkenntnissgewinn bezüglich des Oberthemas streng begutachtet.

Drei der im Rahmen der Lebenswissenschaften geförderten SPPs sind für die Bioökonomie besonders relevant: Sie reichen von der Erforschung des Genomscheren-Systems CRISPR-Cas über die Forschung der Rhizosphäre bis hin zur Entschlüsselung des Mikrobioms von Pflanzen.

Weiteren Funktionen von CRISPR-Cas auf der Spur

Entdeckt wurde die Genschere CRISPR-Cas als bakterielle Abwehrmethode gegen Viren. Inzwischen wird sie vor allem in der Pflanzenforschung als vielseitiges Genome-Editing-Tool eingesetzt. Doch das CRISPR-Cas System ist nicht nur bei der Virenabwehr aktiv, sondern beispielsweise auch bei der DNA-Reparatur und der kollektiven Verhaltenssteuerung. Deshalb sollen mit dem neuen SPP die verschiedenen Funktionen, in die CRISPR-Cas involviert ist, sowie deren biologisches Potenzial genauer untersucht werden. Die Koordination dieses SPPs liegt bei Anita Marchfelder von der Universität Ulm. Im Koordinationsteam mitwirken wird auch die Max-Planck-Forscherin Emmanuelle Charpentier aus Berlin. Die Französin gilt als die Entdeckerin des für die Molekularbiologie revolutionären Präzisionswerkzeugs. Erst kürzlich wurde bekannt, dass Charpentier bald eine eigene Max-Planck-Forschungsstelle leiten wird. In dem Schwerpunktprogramm sollen auch ethisch-moralische Fragen behandelt werden. Außerdem sollen geeignete Kommunikationsstrategien entwickelt werden, um das komplexe Thema sachgemäß und verständlich in die gesellschaftliche Diskussion zu bringen.

Das pflanzliche Mikrobiom entschlüsseln

Das Mikrobiom, präziser Mikrobiota genannt, umfasst die mikrobielle Gemeinschaft eines bestimmten Lebensraums. Im Falle eines pflanzlichen Mikrobioms geht es um alle Mikroorganismen, die eine Pflanze besiedeln. Die Entstehung und das Zusammenspiel des Mikrobioms ist vor allem für die Nutzpflanzenforschung von großem Interesse. Die Koordination des SPPs "Dekonstruktion und Rekonstruktion der pflanzlichen Mikrobiota (DECRyPT)" übernimmt Alga Zuccaro von der Universität zu Köln liegen. Von 2011 bis 2016 leitete sie ihre eigene Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg und seit 2014 ist sie Professorin am Botanischen Institut der Universität Köln.

Lebensraum Wurzel auf den Grund gehen

Als Rhizosphäre wird der unmittelbar durch eine Wurzel beeinflusste Raum im Erdboden bezeichnet. Dabei werden sowohl biologische, also auch chemische und physikalische Einflüsse mit eingeschlossen. In diesem Bereich finden hochkomplexe Interaktionen zwischen der Pflanzenwurzel und etlichen Mikroorganismen statt. Für die Gesundheit der Pflanze und somit die für die Ertragsgröße ist die Rhizosphäre von großer Bedeutung. Deswegen hat es sich das SPP "Räumlich-zeitliche Organisation der Rhizosphäre – der Schlüssel zum Verständnis von Rhizosphärenfunktionen" zum Ziel gemacht, das komplexe System der Rhizosphärenfunktion zu verstehen. Doris Vetterlein vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) wird das Netzwerk koordinieren. AM UFZ leitet Vetterlein seit 2009 die Arbeitsgruppe „Soil-Plant-Interactions“, und seit 2013 ist sie außerdem Professorin an der Universität Halle-Wittenberg.

jmr/pg

Das kalte Wetter vor allem in der zweiten Aprilhälfte besorgt zur Zeit viele Obstbauern in Deutschland – sie fürchten Ernteeinbußen durch Frostschäden an den Blüten und Trieben. Auch die Weinstöcke in den deutschen Anbaugebieten sind von den extremen Wetterkapriolen betroffen. Ein internationales und multidisziplinares Forscherteam mit deutscher Beteiligung vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) untersucht deswegen, welche Anbauregionen vom Klimawandel und Wetterextremen besonders betroffen sind, und wie sich die Weinbaugebiete in Zukunft verändern werden.

Weinanbau weltweit von Wetter bedroht

Weltweit gibt es kein Weinbaugebiet, das nicht von Extremwetter oder Naturkatastrophen bedroht ist. Die daraus resultierenden Ernteeinbußen der Weinindustrie liegen bei jährlich mehr als 10 Mrd. US-Dollar. James Daniell vom KIT hat zusammen mit australischen und englischen Kollegen aus diversen Disziplinen, sowie dem Karlsruher Unternehmen Risklayer GmbH einen globalen Risikoindex für Weinregionen erstellt – ihre Studie erfasst mehr als 7500 Weinbaugebiete in 131 Ländern. Auf der Website „WineRisk“ fassen die Forscher die Ergebnisse der Studie zusammen und stellen mögliche Lösungen für die Weinregionen vor. Für seine Arbeit wurde Daniell auf der diesjährigen Jahresversammlung der European Geosciences Union (EGU) in Wien zudem mit dem „Early Career Scientist Award in Natural Hazards for 2017“ ausgezeichnet.

Getreide ist ein Grundnahrungsmittel für Mensch und Tier. Es gibt unzählige Sorten die überall auf der Welt landwirtschaftlich angebaut und weiterverarbeitet werden. Weltweit führt dabei der Anbau von Mais und Reis, während in Deutschland der Weizenanbau an erster Stelle steht. Denn obwohl Müslis und Brötchen mit Hafer- und Gerstenflocken durchaus gern verzehrt werden, stellen sie nur einen geringen Teil des Getreideanbaus und der Weiterverarbeitung in der Nahrungsmittelindustrie. Dabei haben Gerste und Hafer durch ihren hohen Gehalt an Beta-Glucan das Potenzial, zur Prävention ernährungsbedingter Krankheiten wie Diabetes, Darmkrebs oder Herz-Kreislauf-Erkrankungen beizutragen. Ernährungswissenschaftler der Universität Jena untersuchen deshalb genau dieses gesundheitsfördernde Potenzial in geröstetem Hafer und Gerste.

Neuland bei der Getreideröstung

Zu den wichtigsten gesundheitsfördernden Inhaltsstoffen von Gerste und Hafer gehört das Beta-Glucan, ein langkettiges Polysaccharid. Dieser Ballaststoff gelangt unverdaut in den Dickdarm und wird dort durch Bakterien fermentiert, wobei kurzkettige Fettsäuren entstehen. Die bei der Fermentation entstehenden Stoffe haben positive Effekte auf die Darmgesundheit. Allerdings ist noch völlig unbekannt, was bei der Röstung mit den positiven Eigenschaften der Körner geschieht, und ob diese möglicherweise verloren gehen. Die Wissenschaftlerinnen Wiebke Schlörmann und Christine Dawczynski fassen die Schwierigkeit des Projekts zusammen: „Beim Rösten sollen die Eigenschaften verbessert werden, ohne dass wir Verluste bei den Inhaltsstoffen haben."

Jenaer Forscher schließen sich mit Industriepartnern zusammen

Das Forschungsprojekt, welches vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) für zunächst zwei Jahre mit 350.000 Euro gefördert wird, steht unter der Leitung der Ernährungswissenschaftler Michael Glei und Stefan Lorkowski von der Universität Jena. Glei beschreibt ihr Vorhaben: „Wir wollen Röstbedingungen für diese Getreide etablieren, die zu sensorisch hochwertigen Produkten führen."

Zu diesem Zweck haben sie mehrere kleine und mittelständische Unternehmen als Partner gewonnen, einschließlich eines führenden Herstellers für Röstmaschinen, sowie verschiedenen Mühlen und Bäckereien. Erste Pilotstudien lieferten bereits gute Ergebnisse. Im Rahmen dieses Projektes wird außerdem eine Studie durchgeführt, die die Kurz- und Langzeiteffekte einer Ernährung mit hohem Anteil an Gerste- und Haferprodukten untersucht. 

jmr

Die Entwicklung von Nutzpflanzen, die künftigen Anforderungen gewachsen sind, verlangt nach innovativen Forschungsansätzen. Die wachsende Weltbevölkerung und der Klimawandel lassen Forscher mit Hochdruck nach Möglichkeiten suchen, um die Ernährung der Menschen abzusichern. Das Wissen um die Genomsequenz bedeutender Nutzpflanzen ist eine wichtige Basis für die Züchtung neuer Sorten, mit denen sich auch bei schwankender Witterung stabile Ernten einfahren lassen und die gegen Krankheiten und Schädlinge gewappnet sind.

Getreidegenom im Fokus der Forschung

Die Gerste Hordeum vulgare ist nach dem Weizen hierzulande das zweitwichtigste Getreide. Sie steht seit Jahren im Fokus der Förderung der Pflanzengenomforschung durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF). Im Rahmen des in der Initiative „PLANT 2030“ geförderten Verbundprojektes „TRITEX“ stand die Hochdurchsatz-Sequenzierung der Gerste und weiterer mit ihr verwandter Getreide-Genome. Das Vorhaben unter der Leitung von Nils Stein vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben wurde von 2011 bis 2015 mit insgesamt 3 Mio. Euro gefördert.

Gemeinsam mit Kollegen vom Helmholtz-Zentrum München konnte das Team um Stein dabei auf die Ergebnisse vorangegangener Projekte aufbauen. Vor allem die Vorarbeiten des Projektes GABI-BARLEX lieferten den Forschern bereits eine erste Version einer „physikalischen Karte“.

Physikalische Karte der Gerste erweitern

Wenn Molekularbiologen von einer physikalischen Karte sprechen, meinen sie damit eine Art Genortsverzeichnis – für dessen Erstellung das gesamte Erbgut in tausende kleiner Abschnitte gerastert wird und diese gemäß ihrer „Koordinaten“ auf einer Chromosomenkarte angeordnet werden. Keine einfache Aufgabe: denn das Genom der Gerste erstreckt sich auf über sieben Chromosomen mit einer Gesamtlänge von 5 Milliarden Basenpaaren (5,1 Gbp) – das ist fast doppelt so groß wie beim Menschen.

„Eines der Hauptziele des Tritex-Projektes war es, die bereits vorhandene physikalische Karte des Gerste-Genoms in höherer Auflösung zu erhalten“, erläutert Stein. „Außerdem wollten wir eine zweite Version dieser Karte entwickeln, in der sich Informationen über die genomweite Diversität verschiedener Gerstevarianten herauslesen lassen.“

Genom handhabbar machen

Die physikalische Karte dient nicht nur einer groben Orientierung. Sie ist ein Hilfsmittel, um das Genom handhabbar zu machen und es überhaupt sequenzieren zu können. Dazu wird das komplette Erbgut zunächst in kleine Portionen aufgeteilt. Dafür wird die DNA aus der Pflanze isoliert und mit speziellen Enzymen in einzelne Pakete zerlegt. Diese DNA-Stücke werden in sogenannten BAC-Klonen abgelegt. So entsteht eine riesige Sammlung von BAC-Klonen, in die zunächst Ordnung gebracht werden muss. Dazu wird die DNA jedes BAC-Klons sequenziert. „So können wir die einzelnen BAC-Klone miteinander vergleichen und vorhersagen, welche davon sich überlappen“.

9.000 Puzzleteilen zusammensetzen

Die Gen-Karte der Gerste, die den Forschern zu Projektstart 2011 vorlag, bestand aus insgesamt 9.000 Puzzleteilen. Im Tritex-Projekt galt es, diese einzelnen Puzzlestücke lückenlos in der richtigen Reihenfolge anzuordnen. Zur Hilfe kamen den Forschern dabei sogenannte molekulare Marker, charakteristische Sequenzunterschiede, die sich leicht erkennen lassen. Hierfür mussten jedoch ausreichend Sequenzdaten generiert werden, um das komplexe Genom der Gerste abzubilden.

Technischer Forschritt beflügelt Genom-Sequenzierung

An dieser Stelle kam den Tritex-Forschern der technische Fortschritt zur Hilfe. „Viele  molekulare Marker konnten wir bereits in einer internationalen Zusammenarbeit mit Partnern in Schottland und den USA identifizieren. Wir konnten deshalb direkt mit der Sequenzierung des Gerstegenoms beginnen“, berichtet Stein. Das ursprüngliche Projektziel, die hochdichte genetische Verankerung der physikalischen Karte, wurde somit schneller erreicht und gab dem Projekt eine neue Ausrichtung.

Das Gerste-Chromosom 3H war im Rahmen eines anderen Projektes bereits von Stein und seinen Kollegen entschlüsselt worden. Nun konnte sich das Tritex-Team voll und ganz der Sequenzierung der anderen Chromosomen widmen, um das Gerste-Genom zu vervollständigen. Auch hier kamen den Pflanzenmolekularbiologen  neue Techniken und die bestehenden internationalen Kontakte zugute. „Das Tritex-Projekt erlaubte es uns, zwei weitere Chromosomen der Gerste, 1H und 4H, vollständig zu sequenzieren. Wir hatten also fast die Hälfte des Gersten-Genoms zur Sequenzierung in eigenen Händen“, sagt Stein. Das sei ein wichtiger internationaler Meilenstein gewesen. „So konnten wir im Rahmen des International Barley Genome Sequencing Consortium (IBSC) weitere Partner zur Sequenzierung der verbliebenen Chromosomen gewinnen.“

Neue Sequenziermethode etabliet

Die verbleibenden vier Chromosomen wurden mit Unterstützung von Forschern aus Schottland, England, Australien, Dänemark, USA und China sequenziert. Im Ergebnis konnten nicht nur alle sieben Gerstechromosomen, sondern auch jene Bereiche, die bis dato noch keinen Chromosomen zugeordnet werden konnten, vollständig sequenziert werden. Aber nicht nur das. „Wir konnten mit der Chromosome-Conformation-Capture-Sequenzierung (Hi-C) eine neue Methode für Gerste etablieren, um Zuordnungssequenzen auf der Basis der 3D-Architektur des Genoms zu gewinnen. Diese Methode hat in Tritex die Weichen für die vollständige Sequenzierung gestellt.“ Mithilfe der Hi-C-Methode war es überhaupt erst möglich, die DNA Sequenzen in der physikalischen Karte linear anzuordnen. Das Team um Nils Stein lieferte damit den Beweis, dass die bis dahin vornehmlich in der Humangenetik angewandte Technologie auch für so große Genome wie das der Gerste geeignet ist. Die Ergebnisse hat das internationale Konsortium im April 2017 im Fachjournal "Nature" veröffentlicht.

Werkzeug für die Pflanzenzüchtung

„Die Genomsequenz und die Positionierung der einzelnen Gene liefert jetzt wichtige Informationen, die ein Züchter nutzen kann, um bestimmte Eigenschaften gezielt züchterisch zu bearbeiten“, sagt Stein. Durch die Resequenzierung von 90 Elitegersten-Genotypen aus dem Sommer- und Wintergersten-Genpool konnte das International Barley Genome Sequencing Consortium  beispielsweise zeigen, dass sich beide Genpools in ihrer Genomzusammensetzung sehr stark unterscheiden. Zusätzlich lieferte das Tritex-Team mit der Erstellung der physikalischen Karte für das Weizenchromosom 6A einen wichtigen Baustein zur Sequenzierung des Weizengenoms. Trotz des Erfolgs: Noch sind die Informationen zum Gerste-Genom nicht 100-prozentig komplett. In einem neuem ebenfalls vom BMBF geförderten Projekt SHAPE wollen die Gaterslebener Pflanzenforscher daher von drei stark unterschiedlichen Genotypen der Gerste Genomsequenzen erstellen, um so die Information zum Gersten-Genom als Werkzeug für die Pflanzenzüchtung weiter zu perfektionieren.

Autorin: Beatrix Boldt

The development of agricultural crops that can meet the requirements of the future is demanding innovative approaches to research. Climate change and the growing world population are motivating researchers to look for new ways of safeguarding human nutrition. Here, knowledge about the genomic sequence of important agricultural crops represents a crucial basis for breeding new varieties that provide stable harvest yields even in varying weather conditions, and which are equipped to combat diseases and pests.

Crop genome in the research spotlight

Second only to wheat, the barley variety Hordeum vulgare is the most important cereal crop in Germany. In recent years, it has also been a focus of funding from the German Federal Ministry for Education and Research (BMBF) in the area of plant genome research. This has centred on the ‘TRITEX’ joint project, which was funded within the framework of the ‘PLANT 2030’ initiative and is pursuing the high-throughput sequencing of barley and other related crop genomes. The project is headed by Nils Stein from the Leibniz Institute for Plant Genetics and Cultivated Plant Research (IPK) in Gatersleben, and received a total of €3 million of BMBF funding between the years 2011 to 2015.

Alongside colleagues at the Helmholtz Center Munich, Stein and his team have been building on the foundations of earlier projects, in particular the exploratory work undertaken by the project GABI-BARLEX, which provided researchers with a first version of a ‘physical map’.

Broadening the physical map of barley

When molecular biologists speak of a physical map, they are referring to kind of directory for gene loci. To create this directory, the entire genetic material is rendered as thousands of small sections, which are arranged on a chromosome map according to their ‘coordinates’. This is no easy task: The barley genome spans seven chromosomes with total length of 5 billion base pairs (5.1 Gbp) – almost twice as large as the human genome.

“One of the principle goals of the TRITEX project was to achieve a higher resolution for the already existing physical map of the barley genome,” explains Stein. “In addition to this, we wanted to develop a second version of this map that could provide us with information on the genome-wide diversity of different varieties of barley.”

A more manageable genome

The physical map does more than provide a rough overview. It is a tool for making the genome more manageable and for enabling any subsequent sequencing. To achieve this, the entire hereditary material is first divided into small portions. Here, the DNA is isolated from the plant and separated into individual packets by special enzymes. These DNA fragments are stored in so-called BAC clones. The end result is a vast collection of BAC clones that require appropriate ordering, which itself necessitates the sequencing of the DNA of every BAC clone. “This allows us to compare the individual BAC clones and predict which are overlapping.”

A 9,000-piece puzzle

At the start of the project in 2011, the genome map of barley that was available to researchers comprised a total of 9,000 puzzle pieces. The goal of the TRITEX project was the uninterrupted arrangement of these individual pieces into the correct order. In this task, the researchers were assisted by molecular markers, namely characteristic and easily identifiable differences in the sequence. Before the complex genome of the barley could be mapped, however, it was necessary to generate sufficient quantities of sequence data.

Genome sequencing spurred by advances in technology

At this point of the project, the TRITEX researchers were greatly helped by a series of technical advancements. “In international collaboration with partners in Scotland and the US, we have already identified numerous molecular markers. This allowed us to directly commence with the sequencing of the barley genome,” says Stein. The original goal of the project, namely the high-density genetic anchoring of the physical map, could thus be achieved more quickly, giving the project a new orientation.

The barley chromosome 3H had already been deciphered by Stein and colleagues within the scope of a different project. The TRITEX team could now fully devote itself to sequencing the other chromosomes, with the aim of completing the barley genome. Here again, the plant molecular biologists benefitted from new techniques and existing international contacts. “The TRITEX project allowed us to sequence two further barley chromosomes in full: 1H and 4H. As a result, we had almost half of the barley genome available to us for sequencing,” says Stein. This represented an important international milestone. “In the framework of the International Barley Genome Sequencing Consortium (IBSC), we gained additional partners for sequencing the remaining chromosomes.”

Establishing new sequencing methods

The remaining four chromosomes were sequenced with the support of researchers from Scotland, England, Australia, Denmark, the USA, and China. This ultimately enabled the complete sequencing not only of all seven barley chromosomes, but also of those areas that had not yet been assigned to any chromosomes. But this was not all: “Our method of Chromosome Conformation Capture Sequencing (Hi-C) for sequence mapping, which is based on the 3D architecture of the genome, represents a new technique for barley. In TRITEX, this method set the course for the full sequencing.” Indeed, the linear arrangement of DNA sequences in the physical map was only possible thanks to the use of the Hi-C method. Nils Stein and his team provided the proof that the technology – to date predominantly used in human genetics – is also suitable for use within large genomes such as barley. The international consortium published their results in April 2017 in the journal “Nature”.

Tool for plant breeding

“The genome sequence and the positioning of individual genes now provides important information that breeders can utilise in the targeted breeding of specific characteristics,” says Stein. For example, by resequencing 90 genotypes from the gene pool of summer and winter barley, the International Barley Genome Sequencing Consortium has demonstrated that both gene pools differ greatly in their genome composition. In addition, with the compilation of the physical map for the wheat chromosome 6A, the TRITEX team has provided an important building block for the sequencing of the wheat genome. Despite this success, the picture of the barley genome is not yet 100% complete. In a new project titled SHAPE, which is also funded by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF), the plant researchers in Gatersleben are planning to create genome sequences for three greatly differing barley genotypes, with the aim of further perfecting information on the barley genome as a tool for plant breeding.

Author: bb

Spätestens seit dem rasanten Siegeszug der Genomschere CRISPR-Cas sind die neuen molekularbiologischen Techniken in aller Munde. Im Fokus der Diskussion steht das Genome Editing, der Oberbegriff für Verfahren, mit denen sich gezielt einzelne DNA-Bausteine im Erbgut von Zellen bearbeiten oder aber ganze Abschnitte nach Plan einfügen lassen. Per Genome Editing lassen sich gezielt genetische Veränderungen in Organismen herbeiführen.

Gerade für die Züchtung neuer Pflanzensorten oder Tierrassen mit interessanten Eigenschaften bergen die neuen Techniken großes Potenzial. Die Hoffnung: mit ihrem Einsatz ließe sich der sonst langwierige Züchtungsprozess enorm beschleunigen und es werden Kombinationen von Merkmalen möglich, von denen Züchter früher kaum zu träumen wagten. Die Forschung weltweit legt derzeit ein hohes Tempo vor, um die Genome-Editing-Verfahren weiterzuentwickeln. Doch wie sollte man die revolutionären Techniken in der Praxis einsetzen? Welche Chancen und Risiken sind mit dem Einsatz verbunden?

Genscheren auf der Agenda

Die großen deutschen Wissenschaftsakademien haben bereits mehrere Diskussionsveranstaltungen dem Thema gewidmet. Das Bundesforschungsministerium hat kürzlich eine eigene Förderinitiative zum Einsatz von Genome Editing für die Nutzpflanzenzüchtung ausgeschrieben. Nun hat das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) einen mehrteiligen Dialogprozess gestartet, um sich möglichst offen und transparent mit verschiedenen Akteuren und Interessenträgern über den Umgang mit dem Genome Editing auszutauschen.

Wegen der enormen Nachfrage wurde die Auftaktveranstaltung am 24. April in das Umweltforum Auferstehungskirche in Berlin verlegt. Mehr als 200 Interessierte waren zu der vom Erlanger Ethiker Peter Dabrock moderierten Tagung gekommen. Dabrock machte klar, im Sinne des verantwortungsvollen Umgangs mit den neuen molekularbiologischen Techniken gelte es, genau hinzusehen, angemessen zu urteilen und dann auch zu handeln. „Wir tragen Verantwortung für das was wir tun und das was wir unterlassen – deshalb ist jeder aufgerufen, sich aktiv am Diskurs zu beteiligen“.

Schon der griechische Arzt Hippokrates wusste um die heilende Wirkung des Zunderschwamms. Werkstoffingenieur Wilfried Rühle und sein Team vom Berliner Forschungsinstitut Biopol e.V. haben dafür gesorgt, dass der Zunderschwamm in Medizin und Kosmetik wieder an Bedeutung gewonnen hat. Rühle ist überzeugt, dass der von seinem Team identifizierte Naturstoffkomplex sogar das Potenzial hat, den Alterungsprozess zu beeinflussen.

Meerestiere gehören zu den Leidtragenden des Klimawandels. So wie der CO₂-Anteil in der Atmosphäre steigt, steigt auch der Anteil des Klimagases in den Weltmeeren, sodass der pH-Wert sinkt und die Gewässer versauern. Das wiederum beeinträchtigt die Bildung von Kalkstrukturen, wodurch Meerestiere wie Muscheln und Korallen bedroht sind. Dem Szenario zum Trotz scheinen einige Meerestiere mit den Veränderungen unerwartet gut zurecht zu kommen. In der Kieler Förde leben Miesmuscheln, die sich mit dem Leben in dem sauer werdendem Gewässer offenbar arrangiert haben, wie Meeresforscher herausfanden.

Wie Forscher vom GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung in Kiel im Fachjournal "Science Advances" berichten, zeigten sich Miesmuscheln in der Ostsee als äußerst anpassungsfähig. Im Vergleich zu ihren Artgenossen in der Nordsee pflanzte sich die Ostsee-Muschel selbst unter widrigen Bedingungen und in saurer werdendem Meerwasser weiter fort, wobei es ihnen gelang die lebensnotwendigen Kalkschalen weiter auszubilden.

Ostsee liefert Einblicke in maritime Zukunft

Gemeinsam mit Wissenschaftlern vom Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung Bremerhaven, der Universität Bremen und vom Institut Senckenberg am Meer in Wilhelmshaven hatte ein Team um den GEOMAR-Meeresbiologen Jörn Thomsen drei Jahre die Lebensräume der Miesmuschel in der Kieler Förde und vor Sylt untersucht. Während in der Ostsee der CO₂-Gehalt zeitweise sehr hoch ist, sind die Verhältnisse in der Nordsee diesbezüglich weniger bedenklich. „Die Ostsee mit ihren verschiedenen Becken gibt uns einen guten Einblick in marine Lebensbedingungen, die in anderen Regionen erst in vielen Jahrzehnten eintreten werden. So können wir aus Beobachtungen vor der eigenen Haustür vieles lernen – aber um sie auf die Zukunft übertragen zu können, sind viele weitere Analysen nötig“, erklärt Thomsen.