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Plant residues are ideal raw materials for biobased alternatives to products of the petroleum industry: They do not compete with the cultivation of food and animal feed and promise additional added value to the plant products already produced. In practice, there is often a difficulty: the microorganisms used in biotechnology usually cope with only one of the two varieties of sugars, which are found in vegetable residues.

The challenge of fivefold sugar

Hexoses and pentoses - sixfold and fivefold sugars - form the basis for biofuels. Without suitable enzymes, microbes cannot convert these raw materials, and most of the microorganisms used today only have enzymes to metabolize hexoses. Even if the microorganisms are genetically modified in such a way that they also produce the enzymes required for pentoses, one problem remains: the enzymes produce intermediate products that ultimately paralyse the unicellular organism or impede further reaction steps.

Parameters for the Weimberg-Way

In a project funded by the Federal Ministry of Education and Research, biochemists from the University of Duisburg-Essen have now investigated the metabolic pathway for the use of xylose, a fivefold sugar. In order to produce biofuel via xylose on the so-called Weimberg pathway, bacteria require five specific enzymes for the reaction sequence. The researchers used computers to develop a model of how this entire reaction sequence can be successfully carried out in a bacterium without causing the aforementioned problems. At the end of the study, information was available for each reaction step: what quantity of the respective enzyme is required, which cofactors the reaction requires and how long the required incubation time should ideally be.

First enzyme already in industrial use

In parallel to the development of the model, the biochemists verified and further optimised the individual steps in practice. The industrial partner Sigma-Aldrich has already transferred one of the enzymes with the corresponding "instructions for use" into commercial production.The researchers have also published their findings in the scientific journal "Nature Communications". They make their model available to other scientists via open source platforms, as project manager Bettina Siebers emphasizes: "Fair data management is important to us".

Mikroben können mehr – unter dieses Motto könnte man die Fördermaßnahme „Mikrobielle Biofabriken für die Industrielle Bioökonomie“ des Bundesforschungsministeriums stellen. Ziel ist es, bislang nicht industriell genutzte Mikroorganismen zu identifizieren und dahingehend zu optimieren, dass neuartige Produkte oder Prozesse möglich werden. Bakterien aus der Gruppe der Bacteroidetes könnten dieses Potenzial besitzen. Das Projekt „BaPro“ will es jetzt erschließen.

Weit verbreitet, aber wenig beachtet

Bacteroidetes-Bakterien sind in der Umwelt weit verbreitet und stellen auch den größten Anteil der menschlichen Darmflora. Weil die meisten dieser Bakterien anaerob, also in sauerstofffreien Umgebungen leben, sind sie im Labor schwierig zu kultivieren und vielleicht deswegen bislang von der Biotechnologie weitgehend ignoriert worden. „Die mikrobiologischen Gruppen im Projekt arbeiten seit einigen Jahren mit diesen Bakterien“, erzählt der Koordinator des Verbunds, Uwe Deppenmeier von der Universität Bonn. Dadurch sei über den Stoffwechsel und die Biochemie der Mikroorganismen schon einiges bekannt und das Projekt müsse nicht bei Null beginnen.

Das ist auch gut so, denn die Projektpartner, zu denen neben den Mikrobiologen ebenso Spezialisten der Genom- und Proteomforschung und der Verfahrenstechnik zählen, möchten sowohl Grundlagenwissen etablieren als auch erste biotechnologische Prozesse im Labormaßstab erproben. Ein weiter Weg für die drei Jahre Laufzeit des mit 3,3 Mio. Euro finanzierten Projekts, von dem sich die Projektpartner jedoch einiges versprechen: „Wir wissen, dass diese Bakterien einen großen Einfluss auf die Darmflora haben, weil sie sowohl probiotische Eigenschaften besitzen können als auch antibakteriell wirksame Peptide produzieren“, begründet Deppenmeier das Interesse an den Bacteroidetes, deren Enzyme Ballaststoffe abbauen und so einen wichtigen Beitrag zur Verdauung leisten. Außerdem bilden die Mikroben auf diesem Weg mit Succinat und Propionat zwei Basischemikalien, für die sich die chemische Industrie interessiert.

“Microbes can do more” could be the motto of the "Microbial Biofabrics for the Industrial Bioeconomy" funding program of the Federal Ministry of Education and Research. Its goal is to identify previously not industrially used microorganisms and to optimize them in order to create new products or processes. Bacteria from the Bacteroidetes group might have this potential, which the "BaPro" project now hopes to exploit.

Widely spread, but hardly noticed

Bacteroidetes bacteria are widespread in the environment and even constitute the largest part of the human intestinal flora. Most of these bacteria are anaerobic, which means they live in oxygen-free environments but which also makes them difficult to cultivate in the laboratory. This might also be why they have been largely ignored by biotechnology until now. "The microbiological groups in the project have been working with these bacteria for several years," said the project’s coordinator, Uwe Deppenmeier from the University of Bonn. Therefore, a considerable amount is already known about the metabolism and biochemistry of microorganisms and the project does not have to start from scratch.

That helps a lot because the project partners, among them not only microbiologists but also specialists in genome and proteome research and process engineering, want both establish basic knowledge as well as test the first biotechnological processes on a laboratory scale. This means there is a long way to go over the three-year period of the project, which is funded with 3.3 million euros. However, the project partners have high hopes: "We know that these bacteria have a huge influence on the intestinal flora because they can have probiotic properties as well as produce antibacterial effective peptides," said Deppenmeier to explain the interest in the Bacteroidetes. Their enzymes break down dietary fiber and thus make an important contribution to digestion. In addition, the microbes produce succinate and propionate, two basic chemicals of interest to the chemical industry.

Mit der im Januar 2020 veröffentlichten Nationalen Bioökonomiestrategie hat die Bundesregierung die Leitlinien und Ziele ihrer Bioökonomie-Politik festgelegt und damit die Weichen für einen biobasierten Wandel von Industrie und Gesellschaft gestellt. Die Forschungsförderung gerade auf den Gebiet der Pflanzenwissenschaften spielt hier eine wichtige Rolle. Molekulare Züchtungsmethoden haben insbesondere in den vergangenen Jahren die Pflanzenzüchtungsforschung verändert. Mit der neuen Fördermaßnahme „Epigenetik – Chancen für die Pflanzenforschung“ will das Bundesforschungsministerium neue Impulse setzen.

Vererbbare Genaktivitätsmuster

Die Epigenetik ist eine der aufstrebenden Forschungsdisziplinen, die sich in der letzten Dekade rasant entwickelt hat. Epigenetik untersucht vererbbare Änderungen der Genaktivität, die nicht auf Veränderungen der primären DNA-Sequenz beruhen. Einige grundlegende molekulare Mechanismen in der Epigenetik wurden bereits aufgeklärt - dazu zählen die DNA-Methylierung, RNA-Interferenz oder Modifikationen von Histonenproteinen. In der Medizin hat das Wissen um epigenetische Prozesse bereits zu einem besseren Verständnis von Krankheiten und Therapiemöglichkeiten geführt. In der Pflanzenforschung spielte dieses Forschungsfeld bisher nur eine untergeordnete Rolle. Da epigenetische Mechanismen auch phänotypische Merkmale beeinflussen können, birgt die Epigenetik auch für Pflanzenzüchtung und Agrarwirtschaft ein erhebliches Potenzial.

Epigenetische Mechanismen entschlüsseln

Mithilfe moderner DNA-Sequenzierungstechniken wie sie in der Pflanzengenetik etabliert sind, sollen im nun Rahmen der Fördermaßnahme auch epigenetische Prozesse ins Visier genommen werden und die Pflanzenforschung weiter voranbringen. Ziel der Fördermaßnahme ist es, das Verständnis von Prozessen der Epigenetik auf breiter Ebene zu verbessern.

Im Fokus der Aufklärung stehen dabei molekulare epigenetischen Mechanismen und Komponenten, wie die Regulierung der Aktivität von Transposons, die Bedeutung von small RNAs in der Epigenetik, der Prozess der Histon-Modifikation sowie die Zusammenhänge zwischen epigenetischen Modifikationen und spezifischen Merkmalsausprägungen in Pflanzen. Darunter fällt auch die Entwicklung neuer und damit kostengünstigerer Methoden zur Epigenom-Sequenzierung sowie die Etablierung von Algorithmen zur Datenanalyse.

Ob Eierboxen, Kaffeekapseln oder technische Verpackungen: Mit innovativen und nachhaltigen Verpackungslösungen will Papacks die Welt etwas grüner machen. Das Team um Gründer und Geschäftsführer Tahsin Dag verfolgt die Vision, Plastik zu vermeiden. Daher setzt das 2013 gegründete Kölner Unternehmen ausschließlich auf natürliche Roh- und Reststoffe, vorwiegend aus der Landwirtschaft, die in einem speziellen Fasergussverfahren zu intelligenten Verpackungen verarbeitet werden. Maßgeschneidert für den Kunden entstehen Produkte, die mehrfach genutzt und recycelt werden können und damit dem Prinzip der Kreislaufwirtschaft gerecht werden. Für diese Idee wurde Papacks bereits mehrfach ausgezeichnet, darunter mit dem Greentec Award 2017.

From egg boxes and coffee capsules to technical packaging: with innovative and sustainable packaging solutions PAPACKS wants to make the world a little greener. The vision of founder and CEO Tahsin Dag and his team is to avoid plastic. The Cologne-based company, which was founded in 2013, relies exclusively on natural resources and residues, mainly from agriculture, which are processed into intelligent packaging through a special fibre casting process. All types of packaging are customized, can be reused and recycled several times and therefore, comply with the principle of a circular economy. PAPACKS has already received several awards for this, including the Greentec Award 2017.

Schon heute liefern Satellitendaten Landwirten wichtige Informationen zu Bodenbeschaffenheit und Pflanzenwachstum. Genutzt werden vor allem Daten der Sentinel-Satelliten, die im Rahmen des EU-Raumfahrtprogramms Copernicus alle drei bis fünf Tage aktuelle Informationen zur Erde schicken. Mit dem Trend Smart Farming gewinnen Daten aus dem All zunehmend an Bedeutung. Auch Großkonzerne wie der Systemdienstleister BayWa AG haben sich mit Blick auf eine nachhaltige Landwirtschaft neu aufgestellt, um Landwirte mit digitalen Lösungen zu unterstützen.

KI-gestützte Anwendungen für Satellitendaten

Im Rahmen des internationalen Innovationswettbewerbs Copernicus Masters ruft das Münchner Unternehmen nun zum wiederholten Mal junge Akteure der Agrartechnologie-Szene auf, ihre Ideen einzubringen. Bewerben können sich Start-ups, Forschungsgruppen, Studierende, aber auch Privatpersonen. Gesucht sind vor allem Innovationen, die Daten aus dem All mit Künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen kombinieren, sowie satellitenbasierte Lösungen, die speziell auf das Weide-Management oder die Früherkennung von Pflanzenkrankheiten bei Ackerkulturen fokussieren.

Smart-Farming-Anwendungen vorantreiben

„Smart Farming ist Teil einer modernen, nachhaltigen und ressourcenschonenden Landwirtschaft“, so BayWa-Vorstandsvorsitzender Klaus Josef Lutz. „Mit ihr lassen sich konventioneller und Öko-Landbau in Einklang bringen.“ BayWa bietet eigenen Angaben nach seinen Kunden bereits heute diverse datenbasierte Möglichkeiten, um Äcker bedarfsgerecht, prozessoptimiert und klimafreundlich bewirtschaften zu können. Mithilfe der Smart Farming Challenge will das Unternehmen Lutz zufolge den Anwendungsbereich kontinuierlich erweitern und so schrittweise „den Landwirt zum Datenwirt“ machen.

Satellitendaten erleichtern Arbeit in Corona-Krise

Wie wichtig satellitenbezogene Daten sind, zeigt sich gerade jetzt in der Corona-Krise. „Da die Pflanzenbauberatung am Feldrand gemeinsam mit dem Landwirt nur eingeschränkt möglich ist, greifen unsere Pflanzenbauberater verstärkt auf Satellitendaten zurück“, sagt Jörg Migende, Leiter Digital Farming der BayWa AG.

Der Startschuss für die Smart Farming Challenge fiel im April. Interessenten können ihre Ideen noch bis zum 30. Juni über die Internetseite Copernicus Masters einreichen. Die Gewinner werden von BayWa sowie ihren Tochter-Gesellschaften Vista und FarmFacts bei der Weiterentwicklung ihrer Ideen unterstützt, um diese für Landwirte nutzbar und für den Markt fitzumachen. Die Sieger erhalten ein Preisgeld von 5.000 Euro und profitieren von unternehmerischem Wissen über Markt und Kunden.

Ob in städtischen Parks oder im privaten Garten: Unmengen Grünschnitt fallen jährlich beim Rasenmähen an. Bisher landet das frisch gemähte Gras entweder auf dem Kompost oder wird teuer entsorgt. Unter dem Titel „GreenToGreen“ will ein Forscherkonsortium Gras nun als Rohstoffquelle etablieren. Das Vorhaben wird vom Bundesforschungsministerium in den kommenden drei Jahren im Rahmen der Maßnahme „BioBall“ mit 280.000 Euro gefördert.

Grasabfälle stofflich verwerten

Im Fokus des Projektes steht die Nutzung von Grünschnitt, der in den Kommunen zuhauf anfällt. Allein in Frankfurt am Main sind es jährlich 9.000 Tonnen, die teuer entsorgt werden müssen. Forscher der TH Mittelhessen wollen nun gemeinsam mit der TU Kaiserslautern und dem ifn Forschungs- und Technologiezentrum GmbH in Elsteraue Methoden entwickeln, um den Bioabfall effizient stofflich verwerten zu können.

Nutzung von Gras zur Fermentation in Bioraffinerien

Anvisiert wird die Nutzung von Grünschnitt zur Fermentation. Die Projektpartner wollen wissenschaftlich-technologisch nachweisen, ob der Reststoff zur Herstellung von Chemikalien, Werkstoffen oder Bioenergie geeignet ist und somit in Bioraffinerien als Rohstoff zum Einsatz kommen kann. Auf diese Weise könnten kommunale Stoffströme an die „grüne Chemie“ gebunden werden.

Elektroden aus Grasresten

Ein weiterer Schwerpunkt ist die Nutzung von Grünschnitt für die Herstellung von Elektroden. Im Fokus steht hier vor allem die Möglichkeit der Karbonisierung, also der Umwandlung organischer Substanzen in Kohle. Die auf Basis von Grünschnitt hergestellten Elektroden wollen die Forscher in mikrobiellen Brennstoffzellen und Elektrosynthesen testen und so die Gewinnung von Energie und Basischemikalien aus Gras effizienter machen.

Das Team der THM wird sich im Projekt mit dem Einsatz der Elektroden in Biobrennstoffzellen auf Kläranlagen sowie mit der mikrobiellen Elektrosynthese zur Erzeugung von Terpenen befassen. In Kaiserslautern steht die Gewinnung von Proteinen und Aminosäuren aus Grünschnitt und den Fermentationsprozessen im Fokus, während der Industriepartner ifn unter anderem die Entwicklung von Elektroden per Karbonisierung untersucht.

Whether in urban parks or in the private garden: huge amounts of green waste are produced every year when mowing the lawn. Until now, the freshly mowed grass either ends up in the compost or is disposed of at high cost. Under the title "GreenToGreen", a research consortium now wants to establish grass as a raw material source. The project will be funded by the Federal Ministry of Education and Research over the next three years with 280,000 euros as part of the "BioBall" measure.

Recycle grass clippings

The focus of the project is the use of green waste, which is abundant in the municipalities. In Frankfurt on the Main alone, there are 9,000 tons a year that must be disposed of at great expense. Researchers at the TH Mittelhessen now want to work with the TU Kaiserslautern and the ifn Research and Technology Center GmbH in Elsteraue to develop methods for the efficient recycling of biowaste.

Utilization of grass for fermentation in biorefineries

The aim is to use green waste for fermentation. The project partners are hoping to prove scientifically and technologically whether the residual material is suitable to produce chemicals, materials or bioenergy and can therefore be used as raw material in biorefineries. In this way, municipal material flows could be linked to "green chemistry".

Electrodes from grass clippings

Another priority is the use of green waste to produce electrodes. The focus here is on the possibility of carbonization, i.e. the conversion of organic substances into coal. The researchers plan to test the electrodes produced based on green waste in microbial fuel cells and electrosynthesis, in order to make the extraction of energy and basic chemicals from grass more efficient.

In the project, the THM team will focus on the use of electrodes in biofuel cells at sewage treatment plants and on microbial electrosynthesis to produce terpenes. In Kaiserslautern, the focus is on the production of proteins and amino acids from green waste and the fermentation processes, while the industrial partner ifn is investigating the development of electrodes using carbonization, amongst other things.

Die Wirtschaft muss in den kommenden Jahrzehnten einen Wandel hin zu nachhaltigen, klimaneutralen und kreislauforientierten Produktionsweisen vollziehen. Einen Impuls dazu gibt nun die TechnologieRegion Karlsruhe: Sie schreibt bundesweit – und im benachbarten französischen Département Bas-Rhin – den Innovationspreis NEO2020 aus.

Mit Nachhaltigkeit Arbeitsplätze schaffen

„Bis 2050 soll die Europäische Union klimaneutral werden, für dieses Ziel handeln wir mit unserer Energiestrategie auch auf der Ebene der TechnologieRegion Karlsruhe. Der NEO2020 unterstreicht die Bedeutung der Bioökonomie für eine nachhaltige und emissionsfreie Zukunft in der Region – dort entstehen schließlich auch die Arbeitsplätze von morgen“, erläutert Frank Mentrup, Aufsichtsratsvorsitzender der TechnologieRegion Karlsruhe GmbH und Oberbürgermeister der Stadt Karlsruhe, den Ansatz.

Global denken, regional handeln

Zur Teilnahme berechtigt sind Wissenschaftseinrichtungen, Institutionen, Unternehmen, Vereine und Privatpersonen. Gesucht wird das beste Produkt, das beste Verfahren, die beste Dienstleistung oder das beste Geschäftsmodell im weiten Feld der Bioökonomie: von der Rohstofferzeugung, der Nutzung von biologischen Ressourcen und Verfahren in der Industrie bis zum Recycling in allen Wirtschaftszweigen. In der Ausschreibung heißt es: „Mit dem NEO2020 möchten wir konkrete Beispiele der Bioökonomie sichtbar machen und die überzeugendste Idee mit 20.000 Euro auszeichnen. Gesucht sind insbesondere Ideen, bei denen global gedacht und regional gehandelt wird.“ Die Wettbewerbsbeiträge sollen „einer breiten Öffentlichkeit vermittelbar sein und einen wichtigen Beitrag zur Lösung aktueller und gesellschaftlicher Fragestellungen liefern“. Ausgeschlossen ist reine Grundlagenforschung.

Bewerbung bis zum 3. Juni möglich

An potenzielle Bewerber gerichtet sagt Jochen Ehlgötz, Geschäftsführer der TechnologieRegion Karlsruhe GmbH: „Wir sind gespannt und freuen uns auf Ihre Anwendungen. Begeistern Sie uns mit Ihrer Idee und machen Sie deutlich, warum Ihr Produkt, Ihr Verfahren, Ihre Dienstleistung oder Ihr Geschäftsmodell einen hohen Nutzen hat, indem damit drängende Fragen der Zeit beantwortet werden.“ Bis zum 3. Juni 2020 sind Bewerbungen möglich. Die nötigen Unterlagen und weitere Informationen gibt es unter www.trk.de/neo2020.

In den letzten Jahren wurden zahlreiche Studien veröffentlicht, die einen dramatischen Rückgang der Insektenbestände zeigen. Eine Studie aus Naturschutzgebieten im Raum Krefeld, die einen Rückgang der Biomasse fliegender Insekten von mehr als 75% über 27 Jahre feststellte, befeuerte 2017 die Diskussionen über das Phänomen des „Insektensterbens“. Seither wurden zahlreiche weitere Studien veröffentlicht, die die Entwicklung von Insektenbeständen an verschiedenen Orten weltweit untersuchten. Die meisten zeigten starke, andere leichte Rückgänge, und einige sogar leichte Zunahmen.

Forscher des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv), der Universität Leipzig (UL) und der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) fügten die weltweit erhobenen Daten nun zusammen Ihre Analyse weltweiter Langzeitstudien zeigt, dass die Zahl landlebender Insekten wie Schmetterlinge, Heuschrecken oder Ameisen zurückgeht. Sie sank im Schnitt um 0,92% pro Jahr, was einem Rückgang von 24% über 30 Jahre entspricht.

Die Insekten-Rückgänge waren in Teilen der USA sowie in Europa, insbesondere in Deutschland, am stärksten. In Europa verstärkten sich die negativen Trends in den letzten Jahren – die größten Rückgänge wurden seit 2005 beobachtet. Gleichzeitig stieg die Zahl der Insekten, die ihr Leben zeitweise im Wasser verbringen wie Libellen, Wasserläufer und Köcherfliegen, im Durchschnitt um 1,08% pro Jahr. Das entspricht 38% über einen Zeitraum von 30 Jahren. Grund dafür könnte sein, dass in den letzten 50 Jahren weltweit viel getan wurde, um verschmutze Flüsse und Seen zu säubern. Dadurch haben sich möglicherweise viele Populationen von Süßwasserinsekten erholt.

Obwohl die Forscher nicht mit Sicherheit die Ursachen für die verschiedenen Trends – positive wie negative – benennen können, fanden Sie in den Daten doch entsprechende Hinweise. Insbesondere scheint die Zerstörung natürlicher Lebensräume – vor allem durch Verstädterung – landlebende Insekten zurückzudrängen. Andere Berichte, wie das „Globale Assessment“ des Weltbiodiversitätsrates IPBES, weisen ebenfalls darauf hin, dass die veränderte Landnutzung und die Zerstörung von Lebensräumen Hauptursachen sind für weltweite Veränderungen der biologischen Vielfalt.

Die Studie wurde jetzt in Science veröffentlicht.

Over the past few years, a number of studies have been published that show dramatic declines in insect numbers through time. The most prominent, from nature reserves in Western Germany, suggested remarkable declines of flying insect biomass (>75% decrease over 27 years). This was published in 2017 and sparked a media storm suggesting a widespread “insect apocalypse”. Since then, there have been several follow-up publications from different places across the world, most showing strong declines, others less so, and some even showing increases.

Researchers from the German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv), the University of Leipzig (UL) and the Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU) have now compiled the data collected worldwide. Their analysis of long-term studies worldwide shows that the number of terrestrial insects such as butterflies, grasshoppers and ants is declining. On average, it decreased by 0.92% per year, which corresponds to a decline of 24% over 30 years. At the same time, the number of freshwater-bound insects increased by 1.08% per year.

The local trends are highly variable. Insect declines were strongest in parts of the United States and in Europe, particularly in Germany. Although the researchers cannot identify with certainty the causes of the various trends, both positive and negative, they did find indications in the data. In particular, the destruction of natural habitats - mainly through urbanisation - seems to be driving back terrestrial insects.

The study has now been published in the journal Science.

Die Lausitz steht vor allem für eines: den Braunkohletagebau. Um den Ausstieg aus der Braunkohle wird bis heute hart debattiert. Im Projekt LaNDER³ haben die Akteure um Matthias Kinne eine andere Vision. Sie favorisieren den bioökonomischen Weg und das Potenzial regionaler Pflanzen. Statt fossiler Rohstoffe sollen Nesseln, Flachs oder Grünschnittabfälle zur Herstellung neuer Hightech-Verbundwerkstoffe, aber auch zur Energiegewinnung genutzt werden. Das Bündnis, das Partner aus Forschung und Industrie vereint, arbeitet seit drei Jahren an Verfahren, um aus der heimischen pflanzlichen Biomasse Naturfasern und Biopolymere für neue Kunststoffe nutzbar und konkurrenzfähig zu machen. Haupteinsatzgebiet der neuen naturfaserverstärkten Kunststoffe ist die Fahrzeugindustrie. Der an der Hochschule Zittau/Görlitz etablierte Oberlausitzer Forschungsverbund wird dabei vom Bundesforschungsministerium unterstützt.

Gentechnisch veränderte Pflanzen werden in einigen Ländern seit mehr als 20 Jahren in großem Umfang angebaut. In Europa haben sie bis heute nicht Fuß gefasst, denn die Ablehnung in der Bevölkerung ist groß. Sie begründet sich vor allem damit, dass anfangs artfremde Gene in Pflanzen übertragen wurden. Moderne Methoden der Genom-Editierung sind anders, betont Matin Qaim, Agrarökonom der Universität Göttingen, jetzt im Fachjournal „Applied Economic Perspectives and Policy“ und fordert, regulatorische Hemmnisse zu beseitigen.

Veränderungen wie in der Natur

„Das Problem ist, dass die Zulassungsbehörden in Europa genomchirurgisch entwickelte Pflanzen genauso behandeln wie gentechnisch veränderte Pflanzen mit artfremden Genen“, kritisiert Qaim. Das schüre die öffentlichen Ängste und verhindere die Weiterentwicklung und Nutzung der Technologie in der Landwirtschaft. Anders als in der klassischen gentechnischen Züchtung würden mit genomchirurgischen Methoden jedoch nur gezielte genetische Veränderungen erzeugt, die auch auf natürlichem Wege entstehen könnten, und keine artfremden Gene eingefügt.

Versorgung mit Mikronährstoffen

Hintergrund der Forderung Qaims sind die Resultate seiner Studie zum Potenzial der Landwirtschaft, an die Grüne Revolution anzuknüpfen und nach der Versorgung der Menschen mit Kalorien künftig auch die Versorgung mit Mikronährstoffen zu verbessern. „Das erfordert eine ausgewogenere Ernährung und eine vielfältigere Landwirtschaft mit mehr Hülsenfrüchten, Gemüse, Obst und anderen lokal angepassten Arten“, beschreibt Qaim das Ziel. Gerade diese Pflanzen standen bislang jedoch nicht im züchterischen Fokus oder sind mit herkömmlichen Methoden schwierig zu optimieren. Und auch die bereits weit optimierten Getreide werden durch Klimawandelfolgen vor neue Herausforderungen gestellt, an die sie nicht angepasst sind.

Weniger Dünge- und Pflanzenschutzmittel

Es gehe aber auch darum, Fehler der Grünen Revolution nicht zu wiederholen, sagt Qaim. Die brachte zwar eine Verdreifachung der Erträge, aber erkaufte diese auch mit dem intensiven Einsatz chemischer Dünge- und Pflanzenschutzmittel. Molekulare Züchtungsmethoden könnten Pflanzen hingegen so verändern, dass sie resistenter sind gegen Schädlinge, Krankheiten oder Wetterextreme und so weniger Dünge- und Pflanzenschutzmittel benötigen. Auch weitere direkte Ertragssteigerungen wären möglich. „Obwohl Methoden wie CRISPR erst vor wenigen Jahren entwickelt wurden, sind sie bereits erfolgreich in vielen verschiedenen Pflanzenarten eingesetzt worden“, hebt Qaim zudem die Schnelligkeit der Züchtungsmethode hervor. Weitere Vorteile bestehen darin, dass auch kleine Firmen auf diese Weise Forschungsergebnisse zu Produkten entwickeln können. Das würde nicht nur die Vielfalt am Markt fördern. Diese Ansätze seien auch für Entwicklungsländer praktikabel.

Gesellschaftlicher Diskurs gefordert

In seiner Studie hat Qaim die Erfolge der kommerzialisierten gentechnisch veränderten Pflanzen bilanziert und kann damit seine Argumentation stützen. Außerdem zeigt er, welche züchterischen Ziele bereits mit den neuen genomchirurgischen Methoden umgesetzt werden konnten. Derzeit jedoch unterliegen beide Züchtungsmethoden einer strengen Regulation in der EU, die den kommerziellen Einsatz praktisch unmöglich macht, ein Vorgehen, das zum Erstaunen vieler Wissenschaftler 2018 sogar der Europäische Gerichtshof bestätigt hat. Solange es jedoch keine separaten Regelungen für genomchirurgisch erzeugte Pflanzen gibt, solange wird – zumindest in Europa – deren Potenzial nicht gehoben werden können. Daher lautet Qaims Fazit: „Wir brauchen dringend einen anderen gesellschaftlichen Diskurs über neue Züchtungstechnologien, denn diese können einen wichtigen Beitrag für nachhaltige Landwirtschaft und Ernährungssicherung leisten.“

Bürgerforschung im Boden: Die Citizen-Science-Aktion „Expedition Erdreich“ ist das große Mitmach-Event des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) initiierten Wissenschaftsjahrs zum Thema Bioökonomie.

Doch durch die Coronavirus-Pandemie verändert sich der Zeitplan: Denn für eine lückenlose Erhebung notwendige Bedingungen wie räumliche Bewegungsfreiheit sind derzeit nicht gegeben. Daher haben sich das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und die beteiligten Partner zu einer Verschiebung der Aktion ins Jahr 2021 entschieden.

Ausgerüstet mit Aktionskits

Bei der Citizen-Science-Aktion sind Menschen bundesweit aufgerufen flächendeckend den Boden in Deutschland zu erkunden. Dazu vergraben die Teilnehmenden unter anderem Teebeutel, die sie, vor dem Start der Aktion, in einem kostenlosen Aktions-Kit bestellen können.

Pflanzen brauchen Wasser zum Wachsen. Der Nachschub an Flüssigkeit erfolgt dabei über die Wurzeln. Wie stark die Wasseraufnahme ist, bestimmt ein Hydrauliksystem, das ähnlich wie bei Maschinen funktioniert. Ein Unterdruck sorgt dafür, dass Pflanzen das Wasser aus der Erde saugen. Die Saugkraft beruht dabei auf dem Unterdruck in den pflanzlichen Versorgungskanälen, der durch die Wasserverdunstung an den Zellwänden der Blätter entsteht. Doch der Druck in diesem Netzwerk ist mit minus 100 bar bei Pflanzen in der Regel limitiert. Warum das so ist, war bisher unklar. Ein internationales Forscherteam aus Botanikern und Physikern liefert darauf nun eine Antwort.

Lipide sorgen für Bildung von Hohlräumen im Pflanzensaft

„Durch die temperaturbedingten zufälligen Bewegungen von Wassermolekülen bilden sich in der Flüssigkeit regelmäßig winzige Hohlräume“, erklärt Philip Loche, Doktorand im Fachbereich Physik der Freien Universität Berlin und Mitautor der Studie. Normalerweise sorgen die Kohäsionskräfte des Wassers dafür, dass sich die Höhlen wieder schließen. Mit Hilfe atomistischer Simulationen konnten die Wissenschaftler zeigen, dass offenbar wasserunlösliche Naturstoffe, sogenannte Lipide, das verhindern. Sie sind dafür verantwortlich, dass sich in den Pflanzenflüssigkeiten Hohlräume bilden, auch Kavitäten genannt.

Lipidaggregate für Drucklimit verantwortlich

Wie das Team im Fachjournal Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) berichtet, sorgen Lipidaggregate dafür, dass sich bei Unterdruck die Hohlräume extrem schnell ausdehnen und die Wassersäule abreißt. Der Studie zufolge wird dadurch die Stärke der maximal tolerierbaren Unterdrücke dramatisch reduziert, von mehr als minus 1.000 bar in reinem Wasser auf weniger als minus 100 bar in den Pflanzensäften. Die Folge: Die Moleküle im Pflanzensaft kleben gewissermaßen zusammen. Diese zusammengelagerten Lipide sind der Studie zufolge die Ursache für das bei Pflanzen vorherrschende Drucklimit.

Unterdrücke erschweren Wasseraufnahme auf trockenen Böden

Die Forscher liefern damit erstmals eine Erklärung, warum Pflanzen nicht beliebig viel Wasser aus dem Boden saugen und damit nur eingeschränkt auch auf trockenen Böden überleben können. „Die größten negativen Drücke in Pflanzen findet man in Gegenden, wo Wasserknappheit herrscht“, ergänzt Matej Kanduč, Physiker am Jožef Stefan Institute in Ljubljana und Erstautor der Studie. Da in vielen Regionen der Erde durch den Klimawandel die Böden jedoch immer trockener werden, müssten Pflanzen gegen einen großen Widerstand ankämpfen, um Wasser aus dem Boden zu ziehen, so Kanduč weiter. Eine höhere Saugkraft wäre da von Vorteil.

Plants need water to grow. The supply of liquid is provided by the roots. How much water is absorbed is determined by a hydraulic system that works similar to machines. A negative pressure ensures that plants suck the water out of the soil. The suction power is based on the negative pressure in the plant supply channels, which is created by the evaporation of water on the cell walls of the leaves. But the pressure in this network is usually limited to minus 100 bar for plants. Until now it was unclear why this is so. An international research team of botanists and physicists is now providing an answer.

Lipids ensure the formation of cavities in the plant sap

„Due to the random movements of water molecules caused by temperature, tiny cavities are regularly formed in the liquid“, explains Philip Loche, doctoral student in the Department of Physics at Freie Universität Berlin and co-author of the study. Normally, the cohesion forces of the water ensure that the caves close again. Using atomistic simulations, the scientists were able to show that apparently water-insoluble natural substances, so-called lipids, prevent this.They are responsible for the formation of cavities, also called cavities, in the plant fluids.

Lipid aggregates responsible for pressure limit

As the team reports in the journal Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), lipid aggregates cause the cavities to expand extremely quickly under negative pressure and the water column to break off. According to the study, this dramatically reduces the strength of the maximum tolerable pressures, from more than minus 1,000 bar in pure water to less than minus 100 bar in plant juices. As a result, the molecules in the plant sap stick together to a certain extent. According to the study, these agglutinated lipids are the cause of the pressure limit prevailing in plants.

Vacuum makes water absorption more difficult on dry soils

The researchers are thus providing the first explanation as to why plants do not suck as much water out of the soil as they like and can therefore only survive on dry soils to a limited extent. „The greatest negative pressures in plants are found in areas where water is scarce“, adds Matej Kanduč, physicist at the Jožef Stefan Institute in Ljubljana and first author of the study. However, as climate change is causing the soil in many regions of the world to become drier and drier, plants would have to struggle against great resistance to draw water from the soil, Kanduč continues. A higher suction power would be an advantage.