Hilfe für gestresste Pflanzen

11.02.2009 - (idw) Fachhochschule Aachen

Das Institut für Bioengineering (IfB) der FH Aachen und das Institut für Biologie I der RWTH entwickeln zurzeit einen Scanner, der in wenigen Sekunden Pflanzenblätter analysiert und so die stressresistenten Pflanzen erkennt. Mit einem flächendeckenden Screening kann der Fortbestand vieler Pflanzenarten gesichert werden. Stress - eine Zivilisationserkrankung in der modernen Welt. Nicht nur wir Menschen leiden und erkranken daran, auch Pflanzen sind mitunter gestresst. Sie reagieren mit biochemischen Veränderungen auf die unkomfortable Situation, beispielsweise mit einer verlangsamten Photosynthese bei kühleren Temperaturen und wenig Sonneneinstrahlung. Wenn Pflanzen zu lange zu stark unter Stress stehen, hat das mitunter drastische Auswirkungen: Die Pflanze stirbt. Studien haben ergeben, dass Stressfaktoren wie Trockenheit, Hitze, Kälte oder salzige Böden Hauptursachen für Ernteverluste bei allen Nutzpflanzen sind; bei bis zu 80 Prozent kann der Schaden liegen. Was jetzt bereits für viele Landwirte auf der ganzen Welt besorgniserregend ist, könnte sich in den nächsten Jahren noch verschlimmern: Klimaexperten prognostizieren, dass die klimatischen Veränderungen in wenigen Jahren weltweit zu Lebensbedingungen führen werden, die für viele heutige Nutzpflanzen derart massiven Stress bedeuten, dass sie daran zugrunde gehen. Somit wären in wenigen Jahren viele Pflanzen für den Anbau schlicht nicht mehr geeignet.

Dieses Szenario birgt, neben den ökologischen, große ökonomische und politische Gefahren: Schon heute verzeichnen die Landwirte jährlich Ernteverluste in Millionenhöhe, weil die Pflanzen aufgrund des ausgelaugten Bodens und der klimatischen Bedingungen zu wenig Früchte austragen oder absterben. Um dem entgegenzuwirken, forschen Unternehmen auf der ganzen Welt daran, Pflanzenmutanten zu erzeugen, die besser mit dem vorhandenen Stress umgehen können. Bei Bayer CropScience etwa laufen derzeit mehrere Forschungsprojekte, die sich mit der Züchtung stresstoleranter Linien für Raps, Baumwolle, Reis und Mais befassen. Dabei werden moderne biotechnologische Verfahren eingesetzt, die sowohl gentechnologische als auch nicht-gentechnologische Methoden einschließen. Derzeit verheißt den größten Erfolg, durch gezielte Manipulation einzelner Gene die biochemischen Stoffwechselwege zu verändern.

Um erfolgreiche Neuzüchtungen zu entwickeln, müssen hunderttausende Samen behandelt, Einzelpflanzen angezüchtet und analysiert werden. Diese Messungen an einer größeren Population von Einzelpflanzen sind enorm zeit- und arbeitsaufwendig. Obschon zahlreiche Parameter wie Flächendichte, Struktur und Verteilung von Leitbündeln, Chlorophyllgehalt und noch viele weitere Kriterien wichtig sind für eine Auswahl, sind solch aufwendige Analysen aus Zeitgründen oft nicht möglich. Darüber hinaus ist es erforderlich, dass die Pflanzen erst in ein bestimmtes Wachstumsstadium kommen, bevor mit Sicherheit entschieden werden kann, dass eine erfolgreiche Mutation vorliegt. "Diese Strategie", so Prof. Gerhard Artmann vom Institut für Bioengineering (IfB) der FH, "steht und fällt mit der Möglichkeit, viele 10.000 Pflanzen zu screenen. Will man das gewissenhaft machen, ist das nur mit einem Pflanzen-Screening-Roboter zu erreichen, der rasch und automatisiert anzeigt, ob die Bündelscheidenzellen sich vergrößern, ergrünen und der die Photosyntheserate ermittelt." Einen solchen Roboter gibt es jedoch nicht. In einem Gemeinschaftsprojekt des IfB und dem Institut für Biologie I der RWTH entwickeln Artmann und sein Kollege Prof. Fritz Kreuzaler mit ihren Teams daher zurzeit einen Scanner, der die Blätter analysiert und so die stressresistenten Pflanzen erkennt. Hierbei sollen wesentlich mehr Parameter Berücksichtigung finden, als dies bislang möglich ist. Ein weiteres Ziel ist, pro Blattanalyse nicht mehr als zehn Sekunden zu benötigen. "Das Highthroughput Pflanzenblattscanning wird bereits in sehr frühem Stadium der Forschung zu der Entscheidung beitragen, ob ein bestimmter Mutant erfolgreich war oder nicht und ermöglicht es demzufolge, schneller entscheiden zu können, ob eine bestimmte Strategie zur Mutantenerzeugung erfolgreich war", erklärt Artmann zuversichtlich. An der RWTH werden bereits erste Arbeiten durchgeführt, die dazu dienen sollen, die CO2-Aufnahme von Mais und Zuckerrohr zu erhöhen.
Seit Kurzem arbeitet Artmanns Gruppe auch an einem weiteren, tragbaren Pflanzenblattscanner. Dieser ist in der Lage, das Volumen einzelner Blätter auf ein Zehntel Promille genau zu messen, sodass Umwelteinflüsse wie etwa Wasserentzug oder Salzzufluss unmittelbar in wenigen Sekunden am Blattvolumen abgelesen werden können.

Das BMBF-FHProfUnd-Projekt ist auf drei Jahre angelegt. Es wird von einem Wissenschaftler und einem Doktoranden betreut und bietet zahlreichen Diplomanden und Masterstudierenden beider Hochschulen Stoff für Semester- und Abschlussarbeiten. So entwickeln die beiden Biomedical Engineering-Studentinnen Martina Krystek und Katharina Wendt in ihrem Bachelorprojekt unter anderem das Design für den tragbaren Scanner. Dieser soll, an ein Notebook angeschlossen, auf dem Feld und im Gewächshaus nutzbar sein. "Wenn unser Projekt erfolgreich ist", so Artmann, "würde der Scanner die Pflanzenstressforschung um Millionenbeträge preiswerter und die Auslese treffsicherer machen."