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Die Natur ist noch immer ein Wunderkasten der Inspiration, so könnte man wohl zusammenfassen, was die Deutsche Akademie der Technikwissenschaften (acatech) jetzt in einem Diskussionspapier zusammengestellt hat. „Materialforschung: Impulsgeber Natur“ heißt das Dokument, das im Rahmen des vom Bundesforschungsministerium geförderten Projekts InnoBioMat entstanden ist. Für neun Anwendungsfelder zeigt die acatech darin die Fortschritte und Möglichkeiten auf.

Verstehen und weiterentwickeln

„Dass die Natur als Impulsgeber für technische Entwicklungen in Erscheinung tritt, ist nicht neu. Das Potenzial ist aber bei weitem nicht ausgeschöpft“, resümiert Peter Fratzl, Projektleiter und Direktor am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung. „In der Natur werden komplexe Strukturen auf effiziente Weise mit wenigen Bausteinen produziert, die über unterschiedliche Funktionen und Adaptionseigenschaften verfügen.“ Wenn man diese natürlichen Mechanismen besser verstehe und technisch weiterentwickle, könnten zum Beispiel Materialien entstehen, die bereits von Beginn an Informationen über die spätere Nutzung enthalten – wie zum Beispiel selbstheilender Beton. Wichtig sei dafür auch, Grundlagenforschung und Anwendung enger zu vernetzen, heißt es.

Zahlreiche Beispiele aufgezeigt

Das Diskussionspapier listet zahlreiche Beispiele auf, wo sich die Material- und Werkstoffforschung noch immer Prinzipien von der Natur abschauen kann. Diese reichen von effizienterer Materialsynthese und materialsparender Werkstoffproduktion über recycelbare oder biologisch abbaubare Produkte bis hin zu selbstreparierenden und sich adaptierenden Materialien. Sie umfassen die Bereiche Chemie, additive Fertigung, Leichtbau, Robotik, Energie, Haften und Kleben, Medizin, intelligente Materialsysteme sowie Gestaltungsdisziplinen.

Deutschland vorne dabei

Und noch etwas ist bei der Erarbeitung des Diskussionspapiers deutlich geworden: Anhand der untersuchten Publikationen und deren Zitationen lässt sich ablesen, dass Deutschland in der Grundlagenforschung auf diesem Gebiet international im Spitzenfeld liegt. Um diese gute Position zu wahren und zu entwickeln, seien eine Reihe von Bausteinen erforderlich, so acatech-Präsident Dieter Spath: „Dazu brauchen wir einerseits sogenannte Enabling Technologies wie Digitalisierung, Automatisierung und neue Fertigungsprozesse wie zum Beispiel 3D-Druck, aber ebenso interdisziplinäre, branchenübergreifende und ganzheitliche Ansätze.“

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Mit Millionen beschriebener Organismen sind Insekten eine der artenreichsten Gruppen in der Tierwelt. Ihr Potenzial für die Bioökonomie geht weit über gesunde Nahrungs- und Futtermittel hinaus. Am LOEWE-Zentrum für Insektenbiotechnologie und Bioressourcen (ZIB) sucht ein Forscherverbund seit einigen Jahren in Insekten, Bakterien und Pilzen nach neuen Wirkstoffen für Medizin, Pflanzenschutz und Industrie. Daran beteiligt sind Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie (IME), der Justus-Liebig-Universität (JLU) Gießen und der Technischen Hochschule Mittelhessen (THM).

Künftig werden die Wissenschaftler unter einem Dach auf dem noch jungen Feld der Gelben Biotechnologie die Insektenforschung vorantreiben. Vor drei Jahren wurde mit dem Bau des neuen LOEWE-Zentrums im Leihgesterner Weg in Gießen begonnen, aus dem eine eigenständige Fraunhofer-Einrichtung hervorgehen soll.

Aufbau der Fraunhofer-Einrichtung geht voran

Kurz vor Beginn des Einzugs ist die weitere Finanzierung nun gesichert. Das Land Hessen stellt dem Forschungsverbund in den kommenden drei Jahren insgesamt 5,8 Mio. Euro aus dem Landesförderprogramm LOEWE bereit. „Die Auslauffinanzierung wird den Übergang in die selbständige Fraunhofer-Einrichtung befördern und ist ein Zeichen der Anerkennung für das große Engagement aller beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler über Institutionen und Fachgebiete hinweg“, sagt JLU-Präsident Joybrato Mukherjee.

30 Mio. Euro haben die hessische Landesregierung und der Bund in den vergangenen Jahren in den Neubau investiert. „Mit der LOEWE-Förderung wurden die Grundlagen für einen internationalen Spitzenforschungsbereich geschaffen“, sagt ZIB-Koordinator Andreas Vilcinskas.

Ursachen des Insektensterbens erforschen

Die Erschließung von Insekten für neue Medikamente oder Materialien ist nur ein Schwerpunkt des neuen LOEWE-Zentrums. Zudem werden Methoden für die umweltschonende und nachhaltige Kontrolle von krankheitsübertragenden Insekten entwickelt sowie die Ursachen des Insektensterbens und Lösungen für die Erhaltung der Biodiversität in Agrarlandschaften erforscht.

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Ein Duft wie beim Saunaaufguss weht über das Süßkartoffelfeld. Doch was für menschliche Nasen nach einem Kräuterbalsam riecht, ist für die Knollenpflanze ein Alarmsignal, wie Forscher des Max-Planck-Instituts (MPI) für chemische Ökologie jetzt herausgefunden haben. In den „Scientific Reports“ der Nature-Gruppe berichtet das Team von der Funktionsweise dieser sortenspezifischen Abwehrreaktion.

Sporamin stoppt den Appetit

Den Wissenschaftlern war aufgefallen, dass eine bestimmte Süßkartoffelsorte (Tainong 57) eine höhere Resistenz gegen Pflanzenschädlinge aufweist als eine unter gleichen Bedingungen wachsende verwandte Sorte (Tainong 66). Die verletzten Blätter der resistenteren Sorte verströmten den eingangs erwähnten Duft. Die Untersuchung ergab, dass die verletzten Blätter mehrere Duftstoffe produzieren, darunter die Terpen-Verbindung DMNT. Diese löst bei der Pflanze die Produktion von Sporamin aus. Das Protein hemmt die Verdauungsenzyme angreifender Insekten, wodurch sie den Appetit verlieren.

DNMT warnt die Nachbarn

Allerdings können auch Gewächse in der Umgebung der befallenen Pflanze DNMT sehr verlässlich wahrnehmen. Selbst unverletzte Pflanzen bilden dadurch prophylaktisch DNMT und stoppen Schadinsekten so frühzeitig. „Die Überraschung war für uns, dass ein einzelner Duftstoff ausreicht, um in der Süßkartoffelsorte Tainong 57 eine spezifische Verteidigungsreaktion auszulösen, und gleichzeitig mit derselben Substanz auch mit benachbarten Pflanzen der gleichen Sorte über die Luft zu kommunizieren und Informationen weiterzutragen“, schildert Axel Mithöfer, am MPI Leiter der Arbeitsgruppe Physiologie der pflanzlichen Verteidigung.

Potenzial für die Züchtung

Bemerkenswert ist außerdem, dass die Sorte Tainong 66 nicht über diesen Mechanismus verfügt und deutlich weniger DNMT produziert. „Die Ergebnisse sind von großem landwirtschaftlichem Interesse, denn durch den konsequenten Anbau von Sorten wie Tainong 57 könnte man den durch Pflanzenfresser entstehenden Schaden auf natürliche Weise reduzieren“, resümiert Anja Meents, Erstautorin der Studie. Außerdem könnten künftige Sorten so gezüchtet werden, dass sie verstärkt DNMT absondern und den Duftstoff noch besser wahrnehmen. Wie genau das geschieht, soll nun Gegenstand weiterer Studien sein.

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A fragrance wafts over the sweet potato field. What for us smells like a herbal balm is an alarm bell for the tuber plant, as researchers at the Max Planck Institute for Chemical Ecology (MPI) have now discovered. In the "Scientific Reports" of the Nature group, the team reports on the function of this variety-specific defense mechanism.

Sporamine stops insect appetite

The scientists had noticed that a certain sweet potato variety (Tainong 57) had a higher resistance to plant pests than a related variety growing under the same conditions (Tainong 66). The damaged leaves of the more resistant variety emitted the fragrance similar to "a fragrance used in a sauna". The study showed that the injured leaves produced several fragrances, including the terpene compound DMNT. This triggers the production of sporamine in the plant. The protein inhibits the digestive enzymes of attacking insects, causing them to lose appetite.

DNMT warns neighbors

However, plants in the vicinity of the infested plant can also reliably detect DNMT. Even undamaged plants prophylactically form DNMT and thus stop insect pests at an early stage. "To our surprise, only one single volatile is enough to induce a specific defense reaction in a sweet potato plant of the Tainong 57 cultivar. Moreover, the same substance is simultaneously used by the plant for communication with neighboring plants in order to transmit important information," explains Axel Mithöfer, head of the Physiology of Plant Defence working group at the MPI.

Breeding potential

It is also noteworthy that the Tainong 66 variety does not have this mechanism and produces significantly less DNMT. "Our results are of great agricultural importance, because the consistent cultivation of resistant cultivars, such as Tainong 57, could help to considerably reduce the damage caused by herbivores in a natural way," explains Anja Meents, first author of the study. In addition, future varieties could be bred in such a way that they secrete more DNMT and perceive the fragrance even more effectively, thereby minimize the use of pesticides. These details will be the subject of further studies.

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Ob Hering, Zander oder Lachs: Fisch rangiert auf der Liste der gesunden Lebensmittel ganz oben. Die Nachfrage ist seit Jahren ungebrochen hoch. In Deutschland wurden 2018 nach Angaben des Statistischen Bundesamtes etwa 13,7 Kilogramm pro Kopf konsumiert. Doch welcher Fisch künftig auf dem Teller landet, bestimmt auch der Klimawandel, weiß Myron Peck. Er forscht an der Universität Hamburg am Institut für marine Ökosystem- und Fischereiwissenschaften und koordiniert seit 2016 das EU-Projekt Climate change and European aquatic RESources (CERES). Darin wird untersucht, welche Auswirkungen der Klimawandel auf Fischerei und Aquakultur in Europa hat.  Das Projekt CERES wird im Rahmen des europäischen Forschungsprogramms Horizon 2020 mit 5,6 Mio. Euro gefördert. Daran beteiligt sind neben Forschungseinrichtungen und Universitäten auch Verbände und Industriepartner.

Warnsysteme für Fischerei und Aquakultur

Das Projektteam aus 26 Partnern aus 15 Ländern will Warnsysteme entwickeln, die Veränderungen der wichtigsten Fischpopulationen wie Dorsch, Hering und Sprotte in Nord- und Ostsee oder Anchovis, Sardinen und Thunfisch in Mittelmeer und Atlantik vorhersagen können. Dafür werden klassische Klimaerhebungen wie Temperatur und Salzgehalt mit biologischen Modellen zu Wachstum und Fischmigration mit ökologischen, wirtschaftlichen und politischen Kenngrößen wie Fangquote und Preis kombiniert.

Verschiedene Szenarien für Europas Meere, sogenannte Regional Concentration Pathways (RCP), wurden erstellt. Ein Ergebnis: „Die Meeresoberflächentemperaturen werden bis zum Ende dieses Jahrhunderts um 3 bis 4° C steigen“, erklärt Peck. Ein anderes Szenario zeigt: Für den Fall, dass die Kohlenstoffemissionen bis 2060 neutral werden, würden sich Meere und Binnengewässer Europas nur um 1,5 bis 2,0° C erwärmen. Projektionen aus biologischen Modellen deuten darauf hin, dass einige Fischarten unter diesen Veränderungen leiden, andere profitieren. „Dies gilt insbesondere für die Nordsee, die eine Mischung aus Warm- und Kaltwasserfischen beherbergt“, ergänzt der Projektkoordinator. Insgesamt gibt es 24 Fallstudien,  die regionsspezifische Ergebnisse zu den prognostizierten Auswirkungen des Klimawandels auf den Ozean liefern.

Herring, pike-perch or salmon: fish is among the top healthy foods. The demand has been high for years. According to the Federal Statistical Office, in 2018 each person in Germany consumed about 13.7 kilograms. But Myron Peck knows that climate change will dictate which fish ends up on the plate in the future. He is researching at the University of Hamburg at the Institute for Marine Ecosystem and Fisheries Sciences and has been coordinating the EU project Climate change and European aquatic RESources (CERES) since 2016. This project is investigating the effects of climate change on fisheries and aquaculture in Europe.  The CERES project is funded with 5.6 million euros within the European research program Horizon 2020. In addition to research institutions and universities, associations and industrial partners are also involved.

Alert systems for fisheries and aquaculture

The project team of 26 partners from 15 countries aims to develop warning systems that can predict changes in the main fish populations, such as cod, herring and sprat in the North and Baltic Seas or anchovies, sardines and tuna in the Mediterranean and the Atlantic. For this purpose, classical climate data such as temperature and salinity are combined with ecological, economic and political parameters such as catch quota and price using biological models of growth and fish migration.

Various scenarios for Europe's seas, so-called Regional Concentration Pathways (RCP), have been developed. One result: "Sea surface temperatures will increase between 3 and 4° C by the end of this century," explains Peck. Another scenario shows: If carbon emissions were to become neutral by 2060, the oceans and inland waters of Europe would only heat up by 1.5 to 2.0° C. Projections from biological models suggest that some fish species would suffer from these changes, while others would benefit. "This is particularly the case in the North Sea that contains a mixture of 'warm' and 'cold' water fish," adds the project coordinator. There are a total of 24 case studies that provide region-specific results on the projected impacts of climate change on the ocean.

Fressfeinde von Nutzpflanzen, beispielsweise der Maiszünsler, sind für Landwirte eine Plage. Wo die Larven am Werk sind, bleibt kaum ein Blatt übrig. In der Regel helfen nur Pestizide, um den Schädling zu bekämpfen. Im EU-Projekt OLEFINE will ein europäischer Forscherverbund unter Beteiligung des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP in Stuttgart das Problem auf schonendere Weise lösen. Statt die gefräßigen Larven der Falter mit Insektiziden zu bekämpfen, setzt das Team auf Pheromone. Dabei handelt es sich um Duftstoffe, die viele Tiere zur Kommunikation mit Artgenossen nutzen. Diese Botenstoffe haben sich auch bei der Schädlingsbekämpfung als äußerst effektiv erwiesen. Sie sorgen dafür, dass die Männchen die Insektenweibchen nicht finden. So wird die Befruchtung und damit das Ablegen der Eier, aus denen die Larven schlüpfen, verhindert. Doch die chemische Synthese der Botenstoffe ist teuer und oft auch umweltschädlich.

Pheromone günstig aus Hefezellen herstellen

Im Rahmen des Projektes OLEFINE soll ein Verfahren zur Herstellung von Pheromonen entwickelt werden, das kostengünstiger ist. „Statt die Pheromone chemisch zu synthetisieren, setzt das Team auf eine biotechnologische Herstellung“, erläutert Eva Knüpffer, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fraunhofer IBP. Die Grundlage dafür bilden Hefezellen, die Pheromone unter bestimmten Bedingungen über ihren Stoffwechsel produzieren. Für die Entwicklung des Verfahrens ist das dänische Unternehmen Biophero verantwortlich.

Fraunhofer erstellen Ökobilanz

Die Fraunhofer-Forscher werden im Verlauf des Projektes prüfen, inwiefern Herstellung und Verwendung der biotechnologisch hergestellten Pheromone tatsächlich nachhaltig sind, und eine Ökobilanz erstellen. „Wir untersuchen über Modelle beispielsweise, wieviel Materialien und Energie bei der Herstellung nötig sind und wie sich dies auf die Umwelt auswirkt. Dabei schauen wir uns die einzelnen Schritte sehr detailliert an und zeigen auf, bei welchen Einzelschritten sich Veränderungen stark auswirken würden“, sagt Knüpffer. Die Erkenntnisse der Stuttgarter Forscher werden der Forscherin zufolge von Biophero bei der Prozessentwicklung umgesetzt.

Erste Biotech-Pheromone im Feldversuch

Welche Wirkung diese neuen biotechnologisch hergestellten Pheromone auf die Umwelt haben, wollen die IBP-Forscher in einem Feldversuch ab 2020 untersuchen. Anhand der Daten sollen Fragen wie die zur Auswirkung der Pheromone auf die Biodiversität oder deren Wirkung auf Schädlinge beantwortet werden und die Methode mit der Wirkung herkömmlicher Insektizide verglichen werden. 

Auch die Kostenanalyse liegt bei den Stuttgarter Forschern. Knüpffers hat keinen Zweifel, dass am Ende die biotechnologische Herstellung der Pheromone deutlich kostengünstiger sein wird als die chemische Synthese. Langfristig könnte die sanfte Methode der Schädlingsbekämpfung auch hinsichtlich der Kosten mit herkömmlichen Pestiziden mithalten. „Die Pheromone müssen nur einmal jährlich während der Flugphase der Falter ausgebracht werden, während Insektizide in der Regel mehrmals pro Jahr versprüht werden“, argumentiert die Forscherin. „Daher ist es durchaus denkbar, langfristig in einen ähnlichen Preisrahmen zu kommen wie bei den Pestiziden.“

bb

The predators of crop plants, such as the corn borer, are a nuisance for farmers. Where the larvae are at work, hardly a leaf remains. Usually, only pesticides help to control the pest. In the EU project OLEFINE, a European research association, which includes the Fraunhofer Institute for Building Physics IBP in Stuttgart, hopes to find a sustainable alternative to solve the problem. Instead of using pesticides to control the voracious larvae of the butterflies, the team is focusing on pheromones. Pheromones are scents that many animals use to communicate with other animals of the same species. These messengers have also proven to be extremely effective in pest control: they ensure that the male pests no longer find their female partners, thus preventing reproduction. But the chemical synthesis of the messenger substances is expensive and often harmful to the environment.

Cost-effective production of pheromones from yeast cells

Within the OLEFINE project, a process for the production of pheromones is to be developed that is more cost-effective. "Instead of chemically synthesizing the pheromones, the team has taken a biotechnological manufacturing approach," explains Eva Knüpffer, research assistant at the Fraunhofer IBP. This is based on yeast cells that produce pheromones under certain conditions through their metabolism. The Danish company Biophero is in charge of developing the process.

Fraunhofer prepares life cycle assessment

In the course of the project, the Fraunhofer researchers will examine the extent to which the production and use of the biotechnologically produced pheromones are actually sustainable, and draw up an ecological balance sheet. "We’re using models, for example, to investigate how much materials and energy are required for manufacture and what their impact is on the environment. To do this, we analyze the individual steps in great detail and indicate for which individual steps changes would have a strong effect," said Knüpffer. According to the researcher, the findings of the Stuttgart researchers are translated by biophero into process development.

First biotech pheromones in field trials

Starting in 2020, the IBP researchers plan to investigate the impact of these new biotechnologically produced pheromones on the environment in a field trial. The data will be used to answer questions such as the effect of the pheromones on biodiversity or their effect on pests and to compare the method with conventional insecticides.

The Stuttgart researchers will also analyse the costs. Knüpffers has no doubt that in the end, the biotechnological production of the pheromones will be considerably cheaper than chemical synthesis. In the long term, the gentler method of pest control might also be able to compete with traditional pesticides in terms of costs. "The pheromones only have to be applied once a year during the flight phase of the lepidoptera, whereas insecticides generally have to be sprayed several times a year," argues the researcher. "As such, it’s a very real possibility that they will eventually be sold in the same kind of price class as traditional pesticides."

bb/um

Ein Nebenprodukt der Holzindustrie als Rohstoff

Holz ist einer der wichtigsten nachwachsenden Rohstoffe unserer Zeit. Der Großteil davon ist wertvoller Rohstoff für die Papier- und Plattenindustrie, viel wird mittlerweile auch in Form von Pellets oder Briketts thermisch verwertet. Bei der Bearbeitung von Holzrohware fallen aber auch 40% Nebenprodukte an, davon viele Sägespäne. Erste Spielzeughersteller wie Ciddy Toys nutzen den Abfall für neuartige thermoplastische Verbundstoffe. 

Nachhaltig bauen

Auf diese Weise können bis zu 70% der Kinderspielbausteine mit dem Rohstoff Holz ersetzt werden. Die biobasierten Steine sind mit herkömmlichen Modellen kompatibel. Der holzbasierte Grundwerkstoff wird in Österreich hergestellt, die Bio-Steine selbst entstehen in Deutschland. Das Einfärben in Pastelltönen erfolgt mit Lebensmittelfarben.

Marktreife

Die Bio-Bausteine entsprechen der Spielzeugnorm EN 71, die neben physikalischer Eigenschaften unter anderem auch die gesundheitsgefährdenden Stoffe in Kinderspielzeugen regelt. Derzeit werden die „Ciddi Toys“ Bausteine in einer Grundfarbe und in „LEGO“-Steingröße angeboten. Auch erste Duplo-Größen sind bereits auf dem Markt. Folgende Holzarten werden für die Produktion der Biobausteine verwendet: Bambus, Buche, Erle, Esche, Fichte, Kiefer, Kirschbaum, Linde.

A by-product of the wood industry as a raw material

The eco-friendly blocks consist mainly of a mixture of wood fibres and a carbohydrate-rich raw material such as potato starch. Large quantities of the fibres are accrued as a by-product of the wood industry – up to 40% of the raw material. The majority is processed into paper. Thermoplastic composites are a new product from which the bricks are produced. The bricks have a wood-like appearance, high resistance and can be dyed. The blocks are dyed pastel shades using food colouring.

Sustainable building

Sustainable building begins with bio-based bricks in a child’s bedroom. There is virtually no need to use fossil fuels in the production of thermoplastic composites. Bio-based bricks are compatible with conventional models and are manufactured in Germany.

Ready for the market

At the moment Ciddi Toys’ building bricks are only offered in one basic colour and as Lego-sized pieces. The manufacturer has also planned other variants of the bricks. The building bricks will be produced from the following types of wood: bamboo, beech, alder, ash, spruce, pine, cherry and linden.

Es ist ganz oft der Zufall, der eine Karriere in bestimmte Bahnen lenkt. Diese Erfahrung hat auch Thomas Happe vor vielen Jahren an der Ruhr-Universität Bochum gemacht. Als Biologiestudent traf er dort auf berühmte Photosyntheseforscher, unter ihnen der Pionier dieses Fachs, Achim Trebst, der mehr als vier Jahrzehnte die Forschung auf diesem Gebiet mitprägte und 2017 verstarb. Trebst fragte Happe seinerzeit, ob dieser nicht bei ihm promovieren wolle. Es war das erste Mal, dass der junge Mann mit Mikroalgen arbeitete und mit deren Enzym Hydrogenase, das für die Algen eine wichtige Rolle bei der Photosynthese spielt. Heute ist Happe selbst Professor für Photobiotechnologie an der Ruhr-Universität Bochum – und beschäftigt sich noch immer intensiv mit Algen und der Hydrogenase.

Aus der Arbeiterfamilie an die Uni

„Ich habe mich zwar schon als Kind für Biologie, für Natur interessiert, aber die Wege waren nicht vorherbestimmt“, erinnert sich Happe. Seine Überzeugung: „Man muss die richtigen Leute zur richtigen Zeit treffen und etwas Glück haben.“ Dass er studieren wollte, das hingegen stand für den Sohn einer Arbeiterfamilie aus dem Ruhrgebiet früh fest. Seinerzeit war das mit diesem Hintergrund kein einfacher Schritt. Heute freut es den Professor, dass es für junge Menschen in vergleichbaren Situationen vielfältige Unterstützung gibt.

Auch der Entschluss, das Biologiestudium für den Auftakt einer Forscherkarriere zu nutzen, reifte früh: „Über Achim Trebst bin ich in die Community reingerutscht, habe die Streitkultur in der Wissenschaft erlebt und wie sich neue Ideen entwickeln“, schildert der Forscher. „Das hat mich in seinen Bann gezogen – da wollte ich mitmachen.“ Begeistert habe ihn damals die Internationalität des Teams und die vielen Freiheiten, die ihm als junger Wissenschaftler gelassen wurden. „Damals habe ich auch die grünen Organismen lieben gelernt“, schmunzelt Happe.

Bei den Wasserstoffpionieren

Als Postdoc ging der Biotechnologe zunächst an die Universität Bonn, wurde dann von Anastasios Melis an die Universität Berkeley in Kalifornien eingeladen, wo beide gemeinsam an der Herstellung von Wasserstoff durch Algen forschten. „Die Hippiezeit war zwar vorbei, aber für mich war das eine exotische, interessante Stadt“, blickt Happe auf die Zeit mit San Francisco zurück. Aber auch das, was Melis und Happe vorhatten, erschien damals vielen seltsam und interessant zugleich.

Eine freie Professur an der Ruhr-Universität Bochum lockt den Forscher schließlich zurück in die Heimat. Hier pflegt er die Internationalität, die ihm schon früh gefallen hat. Man sieht sie an der Zusammensetzung seiner Arbeitsgruppe, aber auch an seinen Gastprofessuren in Australien und Japan. „Mein Interesse an anderen Kulturen versuche ich auch meinen Studenten weiterzugeben. Über das Erasmus-Programm haben sie heute viele Möglichkeiten.“

Wann wächst eine Maispflanze eher in die Breite, wann wächst sie schlank in die Höhe? Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung der Eberhard-Karls-Universität Tübingen hat herausgefunden, wie Mais diese Entscheidungen trifft und innerhalb der Pflanze koordiniert. Entscheidend ist demnach das sogenannte Meristem, die Spitze des Sprosses, wie die Wissenschaftler im Fachjournal „Genome Research“ berichten.

Molekulare Schaltkreise analysiert

Das Meristem ist der Bereich der Pflanze, an dem das lebenslange Wachstum erfolgt. Die dortigen Stammzellen teilen sich und differenzieren sich aus in das jeweils benötigte Gewebe. Dabei reagiert das Meristem sowohl auf Entwicklungsstadien der Pflanze als auch auf Umweltfaktoren. Möglich wird das durch Signalmoleküle, über die die Zellen erfahren, wo in der Pflanze sie sich jeweils befinden und welche Zellarten dort erforderlich sind. Die Wissenschaftler um Forschungsleiterin Marja Timmermans haben jetzt die molekularen Schaltkreise und das zugrunde liegende Gennetzwerk analysiert, die hinter dem Mechanismus stecken, der über die Wuchsform der Maispflanze entscheidet – und sind wieder beim Meristem gelandet.

Meristem reguliert Wachstums

„Dort in der äußersten Sprossspitze reguliert das Meristem die Einstellungen so, dass die individuelle Pflanze unter den jeweiligen Bedingungen zur optimalen Gestalt heranwächst“, fasst Timmermans die Ergebnisse zusammen. „Wir haben Mechanismen gefunden, die speziell die Stammzellen bei Mais steuern, und entdeckt, dass sie die Architektur der ganzen Pflanze bestimmen.“ Demnach entscheidet das Meristem nicht nur, ob neue Stammzellen oder Organe gebildet werden, sondern auch welche.

Potenzial für höhere Flächenerträge

Das eröffnet großes Potenzial für die Landwirtschaft. Denn dort ist es in den vergangenen Jahrzehnten kaum gelungen, den Kornertrag pro Pflanze weiter zu erhöhen. Stattdessen wurde der steigende Flächenertrag dadurch realisiert, dass neue Sorten einen steileren Blattwuchs und bestimmte Blattformen haben, wodurch eine höhere Pflanzdichte möglich wird. Allerdings bedingen Blattform und -ausrichtung auch die Photosyntheseleistung und damit die Produktivität. „Die genetischen Schaltkreise, die wir identifiziert haben, lassen sich nun für die weitere Optimierung nutzen“, zeigt sich Timmermans zuversichtlich.

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Pflanzenzüchter weltweit stehen vor der Herausforderung, neue Sorten zu kreieren, die trotz Klimawandels hohe Erträge liefern. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Züchtung von Nahrungspflanzen, die mehrere essentielle Eigenschaften vereinen, um die Ernährung der Menschen auch künftig zu sichern. Darauf hat sich das israelische Unternehmen Equinom spezialisiert.

Saatguteigenschaften maßschneidern

Im Fokus stehen Hülsenfrüchte mit hohem Proteingehalt, darunter Sojabohnen, Erbsen und Quinoa. Das Besondere: Das israelische AgTech-Start-up nutzt Algorithmen, um Eigenschaften des Saatgutes dieser proteinreichen Pflanzen maßzuschneidern. „Wir kreuzen gezielt unterschiedliche Pflanzen, um die gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Dabei werden häufig auch wichtige Merkmale wieder eingeführt, die bei herkömmlichen Pflanzensorten versehentlich herausgezüchtet wurden. Das Ziel sind Pflanzen mit sehr begehrten Eigenschaften“, erklärt Gil Shalev, CEO von Equinom. Bei der Weiterentwicklung dieses innovativen Züchtungsansatzes wird Equinom nun von der Venture-Capital-Gesellschaft der BASF finanziell unterstützt. Im Rahmen einer neuen Förderrunde konnte das Start-up die Ludwigshafener als Hauptinvestor gewinnen. Über die Höhe des Investments werden keine Angaben gemacht.

Computergestützte Zuchttechnologie

Bei ihrer Suche nach den besten Eigenschaften für das Saatgut steht Equinom eine riesige Datenbank zur Verfügung. Mithilfe von Algorithmen werden darin die genomischen Merkmale tausender Pflanzen analysiert, um passend zu den gewünschten Eigenschaften die ideale Kreuzung zu ermitteln. Die Auswertung von Millionen möglicher Kombinationen ergibt schließlich ein Saatgut mit optimierten Eigenschaften wie etwa bei Protein-, Öl- oder Nährstoffgehalt oder der Schädlingsresistenz. „Unser eigens entwickelter Computeralgorithmus und unsere umfangreiche Datenbank verknüpfen Informationen zu Ernteerträgen, Saatgutqualität und den gewünschten Merkmalen auf eine völlig neuartige Weise. So gelingt es uns außerdem, die Markteinführungszeiten erheblich zu verkürzen“, so Shalev. Nach dieser computergestützten Analyse setzt Equinom herkömmliche Zuchtmethoden zur Kreuzung jener Pflanzen ein, deren genetische Codes am besten zueinander passen.

Hochwertige Pflanzenproteine für Fleischersatzprodukte

BASF sieht in der computergestützten Zuchttechnologie des Start-ups ein großes Potenzial, um gezielt bestimmte Pflanzensorten zu optimieren, aber auch um anwendungsorientierte Lösungen für Lebensmittelhersteller anzubieten. „Die Technologie von Equinom ist wegweisend in der Wertschöpfungskette für Pflanzenproteine und stützt den Trend hin zu Fleischalternativen. Mit dem Investment in Equinom ergänzen wir die Strategie der BASF, Nutzpflanzen zu optimieren sowie Nachhaltigkeit und gesunde Ernährung zu fördern“, erklärt der Geschäftsführer von BASF Venture Capital, Markus Solibieda. Ein Hauptprodukt des israelischen Start-ups ist eine robuste Sesamsorte mit hohem Ölgehalt, die sich für eine mechanische Ernte eignet und in allen Agrarregionen auf der Welt angebaut werden kann.

bb

Ob Rot, Pink, Rosa oder Weiß: Der Weihnachtsstern, auch unter dem Namen Poinsettie bekannt, ist nach der Orchidee die beliebteste Zimmerpflanze in Deutschland und das, obwohl Euphorbia pulcherrima hierzulande vorwiegend zum Weihnachtsschmuck gehört. Etwa 32 Millionen Exemplare werden der Marketinginitiative der europäischen Weihnachtssternzüchter, Stars for Europe, zufolge jährlich in Deutschland verkauft. Mehr als 700 Gärtnereien und Pflanzenbetrieben produzieren hierzulande Weihnachtssterne.

In der Natur ist der Christ- oder Adventstern, wie das Gewächs auch genannt wird, ein mehrjähriger immergrüner Strauch, der bis zu vier Meter hoch werden kann. Die Pflanze, die ursprünglich aus Mexiko und Südamerika stammt, wird hierzulande ausschließlich in Gewächshäusern kultiviert und ist eher kleinwüchsig. Beliebt ist sie vor allem wegen ihrer markanten farbigen Hochblätter, die auf Züchtungen zurückzuführen sind. Die eigentlichen Blüten sitzen in der Mitte der Blätter und sind klein und eher unspektakulär.

Warme Temperaturen machen weiße Blätter noch weißer

Trotz zahlreicher Neuzüchtungen: Der rote Weihnachtsstern ist zur Weihnachtszeit am meisten gefragt, 80% der gekauften Weihnachtssterne sind klassisch rot. Doch auch die weißen Exemplare, die durch zufällige Mutationen im Erbgut entstehen, werden immer beliebter. Diesem Trend folgend haben Züchter der Bayerischen Landesanstalt für Weinbau und Gartenbau (LWG) in Veitshöchheim bei Würzburg untersucht, welchen Einfluss die Temperatur im Gewächshaus auf die Reinheit der weißen Hochblätter hat. Das Ergebnis: Je wärmer es ist, desto weißer ist das Weiß. Temperaturen bei 20 Grad Celsius sind zum Kultivieren der weißen Weihnachtssterne demnach ideal. Dann gibt es so gut wie keine Farbbeimischungen.

Damit pünktlich zur Adventszeit die Weihnachtssterne im Handel sind, muss mit der Aufzucht bereits im Sommer begonnen werden. Vor allem die Züchtung farblich ausgefallener Exemplare ist langwierig. Die LWG-Forscher haben daher hinterfragt, inwiefern bei der Zucht der weißen Christsterne im Gewächshaus Energie eingespart werden kann. Tests zeigten: Schon drei Grad weniger führten zu einer Energiekosteneinsparung, ohne dass Wachstum und Farbreinheit der weißen Spezies gefährdet waren.  

Helle und warme Standorte bevorzugt

Fest steht: Euphorbia pulcherrima ist mehr als nur eine Weihnachtspflanze. Sie ist robust und langlebig, und kann bei richtiger Pflege bis zur nächsten Weihnachtszeit grünen. Die Pflanzen lieben helle und warme Standorte. Bei Temperaturen von 18 bis 20 Grad Celsius fühlt sie sich am wohlsten. Auch ein leichter Rückschnitt tut ihr gut. Zugluft, Kälte und zu viel Nässe mag sie dagegen nicht. Ab Mitte Oktober sollte man Experten zufolge dem Weihnachtsstern jedoch sechs bis acht Wochen etwas Ruhe gönnen und mit einem Karton abdecken, damit er nicht mehr als elf Stunden Licht bekommt. So trägt der Christstern pünklich zum Advent wieder sein buntes Blätterkleid.

bb

Red, pink, pink or white: the poinsettia is the most popular indoor plant in Germany second only to the orchid, even though Euphorbia pulcherrima is mainly used for Christmas decorations in this country. According to the marketing initiative of the European poinsettia breeders, Stars for Europe, around 32 million specimens are sold in Germany every year. More than 700 plant nurseries produce poinsettias in this country.

In nature, the Christmas Star, as the plant is also known, is a perennial evergreen shrub that can grow up to four meters high. The plant, which originally comes from Mexico and South America, is cultivated exclusively in greenhouses in this country and tends to grow rather small. It is particularly popular because of its strikingly coloured bracts, which are the result of breeding. The actual flowers sit in the middle of the leaves and are small and rather unspectacular.

Warmth make white leaves even whiter

Despite numerous new breeds: The red poinsettia is the most popular at Christmas time, 80% of the poinsettias bought are classically red. But the white specimens, which are the result of random mutations in the genetic make-up, are also becoming increasingly popular. Following this trend, breeders from the Bavarian State Institute for Viticulture and Horticulture (LWG) in Veitshöchheim near Würzburg have investigated the influence of the greenhouse temperature on the purity of the white bracts. The result: the warmer it is, the whiter the bracts are. Temperatures of 20 degrees Celsius are therefore ideal for cultivating the white poinsettias: the leaves have virtually no other colors mixed in.

To ensure that the poinsettias are on sale in time for the holiday season, cultivation must begin in summer. Breeding specimens with unusual colors is particularly time-consuming. The LWG researchers have therefore examined the extent to which energy can be saved when growing white poinsettias in a greenhouse. Tests showed that a reducing the temperature by as little as three degrees resulted in energy savings without endangering the growth and color purity of the white species.

Bright and warm locations preferred

One thing is for sure: Euphorbia pulcherrima is more than just a Christmas plant. It is robust and long-lived, and with the right care, it can flourish until the next Christmas season. The plants love bright and warm locations. They are most comfortable at temperatures between 18 and 20 degrees Celsius. A light pruning is also good. However, poinsettias do not like draughts, cold or too much moisture. However, according to experts, from mid-October onwards, the plant should be given some rest for six to eight weeks and covered with a cardboard box so that it does not get more than eleven hours of light. This way, the poinsettia will once again wear its colourful leafy dress on time for Christmas.

bb/um

Perfekter Kreislauf

Eine mögliche Alternative präsentierte ein junges schwäbisches Unternehmen mit dem Bee-Paper. Das grünlich-gelbliche, feste Papier besteht ausschließlich aus den nachwachsenden Rohstoffen Gras, Holz und Bienenwachs. Bei seiner Produktion werden nicht nur Wasser und Energie gespart. Es werden auch keine Chemikalien eingesetzt und der CO₂-Ausstoß wird gesenkt, aufgrund der kürzeren Rohstofftransportwege. Hat das Papier seine Aufgabe erfüllt, kann es im Bioeimer oder auf dem Kompost (gern mit eingewickelten Bioabfällen) entsorgt werden. Es kompostiert rückstands.

Nachhaltig und umweltfreundlich

Das Gras für Bee-Paper wächst auf Ausgleichsflächen, die als Kompensationsflächen bei großen Bauvorhaben gesetzlich vorgeschrieben sind. Zwei- bis dreimal im Jahr werden die artenreiche Blumenwiesen gemäht. Die Wiesen sind Lebensraum für Insekten, Vögel und kleine Säugetiere. Da das Gras bis zur Mahd hochwächst und verholzt, ist das entstehende Heu nicht als Tierfutter geeignet.

Noch reicht die Bienenwachs-Produktion in Deutschland nicht aus, um Bee-Paper überall im deutschen Einzelhandel einzusetzen. Aber wer weiß: Durch Aktivitäten wie das Volksbegehren Rettet die Bienen in Bayern im Frühjahr 2019 könnte die Zahl der Bienenvölker wieder anwachsen und die Bienenwachs-Produktion gesteigert werden.

Marktreife

Zwar kann das Produkt Frischhaltefolie aus Plastik mengenmäßig derzeit noch nicht ersetzen, aber es ist eine mögliche Alternative: Das komplett kompostierbare Naturprodukt erfüllt die hohen Hygienestandards im Lebensmittelbereich und hält Lebensmittel länger frisch.

Eine wachsende Weltbevölkerung, knapper werdende fossile und mineralische Ressourcen und die Auswirkungen des Klimawandels stellen die Agrarproduktion vor existenzielle Herausforderungen. Es wird immer schwieriger, den zunehmenden Bedarf an Lebensmitteln und biobasierten Ressourcen zu decken.

Einer immer stärker globalisierten Welt stehen Entwicklungen wie die Regionalisierung der Produktion und die Urbanisierung gegenüber. Unterschiedliche Verbraucherbedürfnisse müssen bedient werden, auch vor dem Hintergrund des demografischen Wandels.

Klar ist: Herkömmliche Formen von Landwirtschaft werden allein nicht in der Lage sein, diesem Mix an Anforderungen gerecht zu werden. Gefragt sind neue Lösungen für eine nachhaltige, ressourceneffiziente und anpassungsfähige Agrarproduktion. Wie solche innovativen Agrarsysteme aussehen könnten, steht im Mittelpunkt der Fördermaßnahme „Agrarsysteme der Zukunft“. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert diese Initiative mit knapp 43 Mio. Euro. Das Dossier gibt einen Überblick über die acht geförderten Verbundprojekte.