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Viele Lebensmittel enthalten Farbstoffe, um sie attraktiver aussehen zu lassen. Selten sind es natürliche Zusätze wie etwa das orangefarbene Carotin der Möhre, das Getränken und Speisen die gewünschte Farbe gibt. In der Regel werden Lebensmittelzusätze verwendet, die in ihrer chemischen Struktur dem natürlichen Vorbild gleichen, aber synthetisch hergestellt wurden. Die Lebensmittelindustrie drängt daher auf Alternativen. Denn auch der Ruf der Verbraucher nach natürlichen Farbstoffen wird lauter.

Reststoffe der Apfelsaft-Produktion nutzen

Im Projekt „APPO“ wollen die ASA Spezialenzyme GmbH und das Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV nun natürliche Farbextrakte für Lebensmittel entwickeln. Konkret geht es dabei um Brauntöne, wie sie beispielsweise in Cola-Getränken genutzt werden. Das Team will dafür Reststoffe verwenden, die bei der Herstellung von Apfelsaft als Pressrückstände anfallen.

Farbsubstanz enzymatisch aufbereiten

„In Äpfeln sind sogenannte Polyphenole enthalten, die für die Braunfärbung verantwortlich sind. Diese Inhaltsstoffe möchten wir extrahieren und enzymatisch oxidieren, um so einen färbenden Lebensmittelzusatz zu erhalten“, erklärt ASA-Chef und Enzymexperte Arno Cordes. Das Team greift hier auf ein bekanntes Phenomen zurück: Wenn Äpfel gestückelt werden, kommen sie mit Sauerstoff in Kontakt und werden schnell braun.

Verfahren zur industriellen Nutzung 

In den kommenden drei Jahren will das APPO-Team ein Verfahren entwickeln, um diese farbgebende Substanz aus dem Apfel industriell verwenden zu können. „Unser Ziel ist ein großtechnisch realisierbares Verfahren, das industrielle Reststoffe verwendet und einen gesunden natürlichen Farbextrakt für alltägliche Lebensmittel liefert“, sagt Cordes. Das Projekt wird im Rahmen des ZIM-Kooperationsnetzwerks „Waste2Value“ vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI) mit 320.000 Euro unterstützt.

bb

Der viele Regen in diesem Jahr hat Landwirte bundesweit um ihre Ernte bangen lassen. Felder standen unter Wasser und setzten Nutzpflanzen wie Raps und Weizen zu. Experten fürchten, dass solche Wetterextreme in Zukunft noch häufiger auftreten werden. Forscher der Christian-Albrechts-Universität Kiel haben untersucht, wie der Klimawandel das Wachstum der Pflanzen beeinflusst. Im Fokus der aktuellen Studie stand die Frage, wie Pflanzen auf vorübergehenden Nässestress reagieren. Wie das Kieler Team im Fachjournal „Plant Physiology“ berichtet, weichen die Wurzeln besonders nassen und sauerstoffarmen Bodenbereichen horizontal aus, statt weiter in die Tiefe zu wachsen.

Folgen und Anpassungsverhalten bei Staunässe untersucht

Dafür haben Entwicklungsbiologin Emese Eysholdt-Derzsó und Kollegen sieben Tage alte Keimlinge der bekannten Modellpflanze Ackerschmalwand abwechselnd mit nassen und sauerstoffarmen oder aber normalen Wachstumsbedingungen konfrontiert. „In ihrer Arbeit beschreibt Eysholdt-Derzsó erstmals im Detail, welche Auswirkungen Staunässe und der damit verbundene Sauerstoffmangel auf das Wachstum der Acker-Schmalwand-Wurzeln hat und welche genetischen Mechanismen die Anpassung der Pflanze steuern“, erklärt die Leiterin der Forschungsgruppe, Margret Sauter.

Wurzeln meiden Nässe

Die Versuche zeigten: Wurzeln versuchen besonders nassen und sauerstoffarmen Böden auszuweichen. Die Forscher identifizierten einen genetisch festgelegten Regelmechanismus der dafür sorgt, dass die Wurzeln nicht wie üblich nach unten wachsen, sondern eine Biegung machen. Die Wurzeln weichen stattdessen horizontal in Richtung trockenerer und damit sauerstoffreicherer Böden aus. „Wir konnten zeigen, dass dieser Ablauf reversibel ist. Sobald ausreichend Sauerstoff zur Verfügung steht, wachsen die Wurzeln wieder wie üblich nach unten“, sagt die Erstautorin Eysholdt-Derzsó.

Die Genomverdopplung ist ein Phänomen, das vor allem bei Pflanzen weit verbreitet ist. Eine Vervielfachung des Erbguts beider Eltern hat das Überleben vieler Pflanzen im Laufe der Evolution erst möglich gemacht. Durch die Vervielfachung der Chromosomensätze in einer Zelle, auch Polyploidisierung genannt, können sich Eigenschaften bei Pflanzen schneller ausprägen. Das Anpassungspotenzial der Pflanzen an Klimaveränderungen scheint für Forscher daher vielversprechend, auch hinsichtlich der Züchtung neuer Nutzpflanzen.

Schneller Ausstieg aus Zellteilung

„Die Pflanzenzüchtung nutzt die Genomverdoppelung, etwa um robustere oder ertragreichere Pflanzen zu erzeugen“, erklärt Arp Schnittger von der Universität Hamburg. Gemeinsam mit seinem Team hat der Entwicklungsbiologe den Mechanismus der Genomverdopplung in Wurzeln der Modelpflanze Arabidopsis thaliana untersucht und den Auslöser des Prozesses gefunden. Wie die Gruppe im Fachjournal „Developmental Cell“ berichtet, kommt es zur Genomverdopplung, wenn die Zellteilungsmaschinerie gestört wird.

Wie auch bei Tieren koordiniert in den Pflanzen ein sogenannter Spindelapparat-Checkpoint, dass die für die Kernteilung verdoppelte DNA des Zellkerns auf zwei Tochterzellen aufgeteilt werden kann. Wird die Ausbildung der Spindelfasern gestört, werden die weiteren Abläufe der nun folgenden Zellteilung erst mal gestoppt. Wie die Hamburger entdeckten, dauert diese Phase bei den Pflanzen aber nur etwa zwei Stunden lang. Dann startet die Zelle einen neuen Zellzyklus mit Kern- und Zellteilung. Das Erbgut hat sich damit verdoppelt. „Der schnelle und aktive Ausstieg aus der Zellteilung hat uns sehr erstaunt. Möglicherweise hat er sich als großer Gewinn in der Evolution der Pflanzen erwiesen“, sagt Schnittger. Bei Tieren kann die Wartephase durch einen gestörten Spindelapparat-Aufbau mehr als 20 Stunden dauern. Dabei sterben die meisten Zellen ab.

Forschungsverbund nimmt Hybride ins Visier

Die neuen Erkenntnisse will das Team um Schnittger im Forschungsverbund „Hybride – Chancen und Herausforderungen von neuen genomischen Kombinationen“, weiter verfolgen. Hier soll geklärt werden, ob Genomänderungen bei der Hybridbildung, also der Kreuzung zweier Arten, bestimmten Gesetzmäßigkeiten folgen. Die Forscher hoffen über diesen Weg zu erfahren, ob die genomischen Veränderungen der Pflanze etwa Vorteile bei der Anpassung an den Klimawandel verschaffen und ob diese für die biotechnologische Nutzung geeignet sind.

Hybridforschung umfasst Pflanzen- und Tierarten

Im Fokus der Untersuchung steht nicht nur die Modellpflanze Ackerschmalwand. Auch Pappel- und Schlickgras sowie Schnecken-, Fisch- und Lemuren-Arten nimmt das Hybride-Team ins Visier. „Die Organismen sind so ausgewählt, dass wir zentrale Fragen der Hybridforschung an je einer Pflanzen- und einer Tierart untersuchen können. Ausgehend von der Hybridverbreitung und einer Untersuchung der genomischen Bedingungen für wichtige biologische Funktionen sollen die Grundlagen für die Leistungsfähigkeit von Hybriden und schließlich die Genome selbst analysiert werden“, erklärt Schnittger. An dem bis 2020 laufenden  Projekt sind neben der Universität Hamburg, das Bernhard-Nocht-Institut für Tropenmedizin (BNI) und des Climate Service Center Germany (GERICS) beteiligt.

bb/pg

Ob Antibiotika oder Krebsmedikamente: Viele Mikroorganismen wie Bakterien produzieren Naturstoffe, die für die Medizin interessant sind. Meist sind es Stoffwechselprodukte, die für das Zusammenleben der Organismen mit anderen Lebewesen überlebenswichtig sind. Forscher der Goethe-Universität Frankfurt am Main haben sich daher auf die Suche nach neuen natürlichen Vorbildern für Arzneimittel begeben.

Naturstoffe bedienen wichtige Funktionen

„Wir vermuten, dass die Produktion von Naturstoffen für das Leben von Mikroorganismen wie Bakterien oder Pilzen wichtige Funktionen besitzt. Wenn wir diese verstehen würden, gelänge es vermutlich häufiger, eine verwandte Anwendung für diese Substanzen zu finden", erläutert der Frankfurter MIkrobiologe Helge Bode. Der Merck-Stiftungsprofessor für Molekulare Biotechnologie untersucht seit Jahren die Stoffgemische der beiden verwandten Bakteriengattungen Photorhabdus und Xenorhabdus. Diese Gattungen produzieren nicht nur viele verschiedene Naturstoffe. Sie leben als Symbionten im Darm von Fadenwürmern und fördern deren Wachstum. Zum anderen verbünden sie sich mit den Würmern, um sie vor Insektenlarven zu schützen und töten die Angreifer.  

Neue Analysemethode beschleunigt Suche

Um die Funktionen der Naturstoffe und deren Entwicklung zu verstehen, nahm das Team um Bode gemeinsam mit Bioinformatikern Genome von insgesamt 30 Bakterienarten ins Visier. Wie die Forscher im Fachjournal „Nature Microbiology“ berichten, war es dank der Kombination bioinformatischer Methoden und modernster chemischer Analytik möglich, neue Naturstoffe schneller als üblich in den Bakteriengattungen Photorhabdus und Xenorhabdus zu finden. Gleichfalls war somit eine Identifizierung von Naturstoffen möglich, die in Untergruppen oder in fast allen Bakterienarten vorkommen. Die Forscher vermuten, dass Naturstoffe eine wichtige Rolle im Lebenszyklus der Bakterienarten spielen. „Die in unserer Publikation genutzten Technologien erlauben zwar die Identifizierung von biologisch relevanten Mustern, diese in ihrer Bedeutung im Detail zu verstehen, ist jedoch noch ein Stück Arbeit“, sagt Bode.

bb

Die Luftverschmutzung ist in Großstädten bekanntermaßen besonders schlimm. Straßenverkehr, Heizkraftwerke, Müllverbrennungsanlagen sowie Öfen und Heizungen treiben die Feinstaubbelastung in die Höhe und stellen ein Gesundheitsrisiko dar. Doch auch die frische Luft auf dem Land ist durch Feinstaub belastet, wie eine internationale Studie unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz zeigt.

Feinstaub-Konzentration durch weniger Dünger drosseln

Landwirtschaftliche Ammoniakemissionen, die durch Düngung und Viehhaltung verursacht werden, sind demnach ein wichtiger, bislang aber unterschätzter Treiber für die Luftbelastung, wie die Wissenschaftler im Fachmagazin „Atmospheric Chemistry and Physics“ berichten. Ihre Berechnungen ergaben: Besonders in Europa und Nordamerika könnte durch die Verringerung von Ammoniak-Emissionen aus Düngung und Viehhaltung die Feinstaub-Konzentration stark gedrosselt werden.

Weniger Todesfälle durch Luftverschmutzung

Eine Reduzierung um 50% würde die Zahl der jährlichen Todesfälle, die auf Luftverschmutzung zurückzuführen sind, weltweit bereits um 250.000 senken. Ein genereller Stopp von Ammoniakemissionen würde sogar 800.000 Menschen vor den tödlichen Folgen der Luftverschmutzung bewahren. „Eine effiziente Luftverbesserung setzt erst ab einem bestimmten Reduktionswert ein“, erläutert Andrea Pozzer, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Chemie und Hauptautor der Studie. Eine Verringerung der Ammoniakemissionen von über 50% wäre Pozzer zufolge daher besonders effektiv und wünschenswert.

Mit einem Durchmesser von weniger als 2,5 Mikrometern ist der unsichtbare Feinstaub laut der Weltgesundheitsorganisation (WHO) besonders gefährlich. Diese mikrometerkleinen Partikel gelangen mit jedem Atemzug in die Lunge und können Herz-Kreislauf- und Atemwegserkrankungen verursachen. In einer früheren Studie hatten Max-Planck-Forscher errechnet, dass im Jahr 2010 weltweit 3,3 Millionen Menschen vorzeitig an den Folgen von Luftverschmutzung starben. Schon damals hatten die Mainzer auf die Rolle der Landwirtschaft bei der Feinstaubbelastung hingewiesen. Im Rahmen der aktuellen Studie hatte sich das Team  auf Regionen konzentriert, in denen die Grenzwerte der Luftverschmutzung besonders häufig überschritten wurden: Nordamerika, Europa, Süd- und Ostasien.

Landwirtschaft als Feinstaubquelle vernachlässigt

“Öffentlich wird derzeit vor allem die Feinstaubbelastung durch den Verkehr diskutiert, andere Quellen wie etwa die Landwirtschaft werden dabei vernachlässigt“, sagt Jos Lelieveld, Direktor der Abteilung Atmosphärenchemie am Max-Planck-Institut für Chemie. Lelieveld verweist drauf, dass der meiste Feinstaub jedoch erst durch chemische Prozesse in der Atmosphäre während des Windtransports entsteht: Durch die Zersetzung von Gülle und durch die Düngung von Nutzpflanzen entweicht Ammoniak in die Atmosphäre. Hier reagiert der Stoff mit anorganischen Stoffen, wie Schwefel- und Salpetersäure zu Ammoniumsulfat und Nitratsalzen, woraus wiederum Feinstaubpartikel entstehen. „Daher könnte die Konzentration der Feinstaubteilchen in der Atmosphäre deutlich sinken, wenn Ammoniakemissionen in der Landwirtschaft vermieden würden“, so Lelieveld.

Grenzwerte für Ammoniak

Die Forscher appellieren: Maßnahmen zur Reduktion von Schwefeldioxid und Stickoxiden sollten mit einer Reduzierung von Ammoniak in der Landwirtschaft einher gehen. „Emissionsregelungen sollten insbesondere in Nordamerika und Europa striktere Grenzwerte für Ammoniak festlegen, um die Feinstaubkonzentrationen effektiv zu reduzieren“, sagt Lelieveld.

bb

Air pollution is most commonly associated with traffic and car emissions. However, there are a number of other sources for pollution, such as agricultural emissions due to fertiliser use. According to researchers at the Max Planck Institute for Chemistry in Mainz, Germany, reducing ammonia (NH₃) emissions by 50% could avoid the deaths of more than 250,000 people each year that are caused by air pollution worldwide. The results are published in Atmospheric Chemistry and Physics, a journal of the European Geosciences Union.

Fine particulate matter particularly harmful

According to the World Health Organization (WHO), fine particulate matter with a diameter less than 2.5 micrometers is particularly harmful to health, because the particles penetrate deep into the lungs and can cause cardiovascular and respiratory diseases. The “Global Burden of Disease” listed outdoor air pollution as the fifth-highest risk factor of global total mortality. “Currently, the public debate primarily focusses on the particulate load from traffic, while other sources such as agriculture are neglected”, says Jos Lelieveld, Director of the Atmospheric Chemistry Department at the Institute in Mainz. In fact, most fine particulates are the result of chemical processes in the air during transport by the wind. “The concentration of fine particulates in the atmosphere could be drastically reduced by preventing the release of ammonia from agriculture”, says Lelieveld.

Ammonia reacts to form the salts that make particulates

In an earlier study, the Max Planck researchers pointed out that 3.3 million people around the globe died in the year 2010 as a consequence of air pollution. And in many regions of the world industry and traffic are in fact not the leading sources of air pollution and instead agriculture can play an important role. The scientists identified the release of ammonia from animal husbandry and fertiliser use as a leading cause of air pollution, especially in large parts of Europe. Ammonia contains nitrogen which is an important nutrient for plants, but it escapes to the atmosphere from manure and by fertilising agricultural crops.

50% less ammonia emissions could save 250,000 lives

In their present study, the scientists concentrated on North America, Europe, South and East Asia as the four regions frequently exceed particulate air quality limits. The scientists determined mortality rates in two stages: first, they calculated how strongly fine particulates would be reduced by decreasing ammonia emissions. Their calculations show that a 50% reduction of agricultural emissions would lead to 8% or 250,000 fewer deaths attributable to air pollution. If ammonia emissions could be fully excluded, about 800,000 deaths from air pollution related diseases would be avoided globally.

Based on an additional model, which describes the public health impacts that occur for a given particulate exposure, the researchers calculated the influence on mortality by lung cancer, cardiovascular and respiratory diseases. In particular Europe would profit from a reduction in ammonia emissions and the consequent decrease of fine particulates: for example, a Europe-wide NH₃ reduction of 50% would decrease mortality by almost 20%, meaning that about 50,000 deaths per year could be avoided.

As the effect of ammonia reduction on particulate formation is non-linear, a reduction of ammonia emissions of more than 50% would be most effective and desirable.

jmr

Vor 10.000 Jahren hat der Mensch begonnen, Wildpflanzen auszuwählen und sie nutzbar zu machen und anzubauen. Systematisch und gezielt gehen Pflanzenzüchter erst seit rund einhundert Jahren vor. Am Grundprinzip hat sich dabei nicht viel geändert: Der Mensch greift in die Evolution der Pflanzen ein, beschleunigt sie und richtet sie für seine Zwecke aus.

Um zu neuen Sorten zu gelangen, sind dafür drei Schritte zentral: zunächst geht es darum, die genetische Vielfalt zu erhöhen (Variation) – zum Beispiel durch Kreuzen und künstlich ausgelöste Veränderungen im Erbgut. Unter den Nachkommen werden dann diejenigen mit gewünschten Eigenschaften ausgewählt (Selektion). Die so per Auslese gewonnenen Pflanzen werden dann weiter vermehrt und auf zuverlässige Eigenschaften geprüft – am Ende steht eine neue Sorte. Auf dem Weg dahin verwenden Pflanzenzüchter heute meist einen Mix aus Methoden und Techniken. Dieses Dossier gibt einen Überblick über Klassiker und vielversprechende Neuzugänge in der Werkzeugkiste.