Kategorie: Wissenswertes

Hintergrundwissen zu unseren Nutzpflanzen: Herkunft, Züchtung und Forschung

Industriepflanzen

Biokunststoffe

Kunststoffe haben in unserer Welt überragende Bedeutung erlangt. Egal ob für die Verpackung von Lebensmitteln oder Elektrogeräte, Kunststoffe haben viele Vorteile und doch auch einen großen Nachteil: sie werden aus dem endlichen Rohstoff Erdöl hergestellt.

Von der Kartoffel zum Kleister

In fast jedem Kochbuch findet sich ein Kapitel zu Kartoffelgerichten. Kartoffeln sind vor allem bei uns ein wichtiges Grundnahrungsmittel. Eine weitere große Bedeutung kommt ihnen in der Industrie zu . Die Textil-, Papier- und Klebstoffhersteller sind dabei besonders scharf auf die Kartoffelstärke; besser gesagt auf das Amylopektin.

Arzneipflanzen…

Energiepflanzen

Prognosen zufolge wird in den nächsten 40 Jahren die Weltbevölkerung vermutlich auf über zehn Milliarden Menschen anwachsen. Alle diese Menschen haben einen Anspruch auf Nahrung und Energie. Da die fossilen Brennstoffe endlich sind und darüberhinaus bei ihrer Verbrennung Treibhausgase wie Kohlenstoffdioxid freisetzen und dadurch den Klimawandel vorantreiben, widmet sich die Forschung vermehrt dem Thema Energiegewinnung aus Pflanzen.

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Blotting: Western, Norther, Southern Blot

Mit Hilfe der verschiedenen Blotting-Methoden ist es Möglich DNA (Southern Blot), RNA (Northern Blot) oder ganzen Proteinen (Western Blot) von einem Elektrophorese-Gel auf eine Zielmembran zu übertragen, um sie biochemisch nachzuweisen. Hiermit kann man diese Moleküle nun identifierzieren und quantifizieren. Die Gel-Elektrophorese erklären wir euch in diesem Beitrag: Gel-Elektrophorese.

Anhand der Forschungsarbeit unserer Doktorandin Mercedes wollen wir euch im folgenden die drei Methoden genau erklären und vorstellen.

Um die Fotosynthese bei Pflanzen besser zu verstehen, hat Mercedes – Doktorandin am Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam-Golm – in eine Tabakpflanze ein Gen eingebracht, das die Fotosynthese verbessern könnte. Wie sie das Gen in die Pflanze einbringt und wie sie in ihrer Forschung vorgeht, hat sie in dem Film „Vom Gewächshaus ins Labor“ bereits gezeigt.

Nun muss sie schauen, ob das Gen, das sie interessiert tatsächlich in das Erbgut der Pflanze eingebracht wurde, ob es dort aktiv ist und ob es last but not least auch tatsächlich das entsprechende Protein bildet. Dazu trennt sie zunächst jeweils die verschiedenen Bestandteile (DNA, RNA, Proteine) durch Gel-Elektrophorese nach ihrer Größe auf. Die aufgetrennten Moleküle macht sie anschließend durch die Methode des Southern, Northern bzw. Western Blot sichtbar. So kann sie feststellen, ob das Gen ins der pflanzliche Genom integriert ist, ob es aktiv ist und ob auch tatsächlich das entsprechende Protein gebildet wird. Ist dies der Fall, so kann sie weiter untersuchen, welche Wirkung das eingebrachte Gen auf die Fotosynthese hat, ob es tatsächlich die Fotosynthese verbessert oder eher das Gegenteil der Fall ist.

Die Bezeichnungen Southern, Northern und Western Blot haben nichts mit den Himmelsrichtungen zu tun. Edwin Southern entwickelte in den 70er Jahren die molekularbiologische Methode zur Untersuchung von DNA-Sequenzen. In Anspielung an seinen Namen wurde der Nachweis von RNA-Sequenzen mit Northern Blot bezeichnet und der Nachweis von Proteinen als Western Blot.

In unserer Video-Reihe „Pimp your brain“ erklären Wissenschaftler des Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie, wie sie bei ihrer Forschung vorgehen.

Weitere Videos findet Ihr auf unserem Youtube-Kanal!

Weitere Infos zum Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie gibt es unter http://www.mpimp-golm.mpg.de.

Gelelektrophorese

Die Gel-Elektrophorese ist eine in der Molekularbiologie, Biochemie und Lebensmittelanalytik häufig eingesetzte Methode um verschiedene Moleküle voneinander zu trennen.

Mercedes Diez Cocero möchte die Fotosynthese der Pflanzen besser verstehen. Die spanische Doktorandin am Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam-Golm hat deshalb ein Gen in Tabakpflanzen eingebracht, das die Fotosynthese verbessern könnte.

Wie sie das macht, wie sie die Pflanzen im Gewächshaus anzieht und wie sie die Pflanzen für die Analyse aufarbeitet erläutert sie in diesem Filmbeitrag.

Wie Mercedes in ihrer Forschung vorgeht, hat sie zuvor im Film „Vom Gewächshaus ins Labor“ erklärt.

Weitere Videos findet Ihr auf unserem Youtube-Kanal @MPIMP Potsdam Golm!

Weitere Infos zum Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie gibt es unter: www.mpimp-golm.mpg.de

Molekulare Marker

Pflanzenzüchtung ist ein sehr zeitaufwändiger Prozess, da viele Merkmale erst in der ausgewachsenen Pflanze sichtbar werden. Mit Hilfe von molekularen Markern kann man aber bereits aus der DNA-Sequenz auf bestimmte Eigenschaften schließen und somit den züchterischen Aufwand extrem verringern.

Molekulare Marker sind nichts anderes als kurze Abschnitte von DNA, deren Sequenz und Lage im Genom genauso bekannt sind wie der Zusammenhang zwischen dem Auftreten des Markers und einer Eigenschaft in der Pflanze. Wenn zum Beispiel eine bestimmte Basenreihenfolge nur bei besonders hitzeresistenten Pflanzen auftritt, dann ist diese Basenreihenfolge der molekulare Marker für Hitzeresistenz. Molekulare Marker können – müssen aber nicht – identisch mit dem Gen für die Eigenschaft sein. Es reicht aus, wenn die Markersequenz sich so nah an dem Zielgen befindet, dass beide immer gemeinsam vererbt werden und man vom Vorhandensein des Markers eindeutig auf das Vorhandensein des Zielgens schließen kann. Der Marker ist sozusagen der Anhänger am Schlüsselbund. Wenn man in seiner Hosentasche den Anhänger ertastet, so kann man sich sicher sein, auch die daran hängenden Schlüssel eingepackt zu haben.

In dem Bild auf der rechten Seite ist zum Beispiel ein bestimmter Genabschnitt mit den Genen für die Korngröße assoziiert (dargestellt in orange oder gelb) während eine andere Sequenz gemeinsam mit den Genen für die Halmform auftritt (dargestellt in hellgrün oder dunkelgrün).

Ob sich ein molekularer Marker in der Pflanze befindet, kann man zum Beispiel mit Hilfe von DNA-Sequenzanalysen herausfinden. Dabei wird die Basenreihenfolge der DNA abgelesen und auf das Vorhandensein des molekularen Markers geprüft. Nur die Jungpflanzen, welche den Marker und damit höchstwahrscheinlich auch das gewünschte Gen aufweisen, werden weiter aufgezogen und vermehrt. Da die Zeit für die Züchtung durch solche molekularbiologischen Methoden extrem verkürzt wird, hat sich dafür der Begriff „Smart Breeding“, also „Intelligente Züchtung“, eingebürgert.

Wie molekulare Marker konkret in der Züchtung eingesetzt werden können und wie die Forschung die Züchter bei der Auffindung von Markern unterstützen kann, wird im folgenden „pimp your brain“ Video erklärt:

Was ein Textmarker ist, weiß jeder. Was ist aber mit einem Marker gemeint, wenn es um Pflanzenforschung geht und was versteht man unter Marker-unterstützte Selektion? Karin Köhl vom Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie in Golm bei Potsdam gibt in diesem „pimp your brain“ Beitrag darauf die Antworten.

Welche Sequenzen dienen als molekulare Marker?

Molekulare Marker befinden sich oft in der nicht-codierenden DNA, also in den Bereichen des Genoms, die nicht in Proteine umgeschrieben werden. Es handelt sich dabei zum Beispiel um kurze Tandemwiederholungen wie ATCATCATCATC (engl. Short Tandem Repeats = STR) oder Punktmutationen (engl. Single Nucleotide Polymorphisms = SNP).

Wozu braucht man Marker noch?

Marker kommen auch bei der Transformation, also dem Einfügen fremder Gene in einen Organismus, zum Einsatz. In diesem Fall spricht man von Selektionsmarkern: Da die Transformation mit Agrobakterien oder mit der Genkanone nicht bei allen Zellen funktioniert, muss man die erfolgreich transformierten Zellen selektieren, also auslesen. Aus diesem Grund koppelt man das Zielgen an ein Markergen, welches zum Beispiel die Information für eine Antibiotikaresistenz verschlüsselt. Die transformierten Pflanzenteile werden dann auf einem antibiotikahaltigen Nährboden kultiviert. Dabei überleben dann nur die erfolgreich transformierten Pflanzen, da nur sie das Resistenzgens besitzen. Auch Gene, die der Pflanzenzelle die Aufnahme und Verwertung bestimmter Nährstoffe ermöglichen, kommen als Marker zum Einsatz. Die so transformierten Pflanzenzellen überleben auf Agar der ausschließlich Nährstoffe enthält, die sonst für die Pflanze gar nicht verwertbar wären.

Will man ausschließlich den Erfolg einer Transformation beurteilen ohne die transformierten von den nicht-transformierten Zellen zu trennen, hat sich das grünfluoreszierende Protein (GFP) als besonders praktisch erwiesen. Pflanzenzellen, die dieses Protein exprimieren, leuchten unter UV-Licht grün. Forscher des Max Planck Instituts für Molekulare Pflanzenphysiologie haben diese Methode erfolgreich für Tomaten etabliert

Transformation

Um ein neues Gen in Pflanzen einzuschleusen, benutzen die Forscher oft das Bodenbakterium Agrobacterium tumefaciens. Eine andere Möglichkeit bietet die Genkanone, mit der man DNA-Stücke in Pflanzenzellen hineinschießen kann. Mit dieser Methode kann man auch die DNA von Chloroplasten verändern.

Wenn neue Gene stabil in die DNA von Pflanzen integriert werden, spricht man von einer Transformation. Das bedeutet, dass die Pflanzenzellen diese neue DNA, als Teil ihrer eigenen betrachten, ablesen und die entsprechenden Proteine herstellen.

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Die Bioökonomiestrategie der Bundesregierung

Passend zum Jahr der Bioökonomie wurde im Januar 2020 die neue Gesamtstrategie für die Bioökonomie vorgestellt.

Warum ist ein Wirtschaftswandel notwendig?

Die Gründe dafür sind der Anstieg der Weltbevölkerung bei gleichzeitiger Abnahme der landwirtschaftlichen Nutzfläche, der Klimawandel und ein Rückgang der Artenvielfalt.

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Von der Kartoffel zum Kleister

In fast jedem Kochbuch findet sich ein Kapitel zu Kartoffelgerichten. Kartoffeln sind vor allem bei uns ein wichtiges Grundnahrungsmittel. Eine weitere große Bedeutung kommt ihnen in der Industrie zu . Die Textil-, Papier- und Klebstoffhersteller sind dabei besonders scharf auf die Kartoffelstärke; besser gesagt auf das Amylopektin.

Kartoffeln sind wichtige Stärkelieferanten, sie enthalten mehr von diesem Biopolymer als zum Beispiel Roggen, Weizen oder Mais. Pflanzliche Stärke besteht aus zu etwa einem Viertel aus Amylose und zu etwa dreiviertel aus Amylopektin. Diese beiden Moleküle sind gar nicht so verschieden, unterscheiden sich aber trotzdem stark in ihren Eigenschaften.

Sowohl Amylose als auch Amylopektin bestehen aus vielen, miteinander verknüpften Zuckermolekülen. Aufgrund von verschiedenen Verknüpfungsarten ist die Amylose jedoch spiralig gewunden, das Amylopektin hingegen verzweigt wie ein Baum. Für die Herstellung von beispielsweise Klebstoffen ist das Amylopektin der wichtige Bestandteil. In industriellen Anlagen muss deshalb die Amylose aufwendig entfernt werden. Das kostet Zeit und Energie, außerdem werden Unmengen von Wasser verbraucht. Praktischer wäre es, wenn die Kartoffeln von vornherein amylosefrei wären.

Auf zwei unterschiedlichen Wegen ist es gelungen, Kartoffeln herzustellen, die fast ausschließlich Amylopektin produzieren. Bei der ersten Variante haben die Wissenschaftler die Herstellung der Amylose aus dem dafür zuständigen Gen verhindert [RNA-Interferenz]. In einem anderen Ansatz wurde in den Kartoffeln das Gen für Amylose durch eine Mutation zerstört [Mutationszüchtung]. Das Resultat ist identisch, beide Kartoffeln produzieren fast reines Amylopektin.

Biokunststoffe

Kunststoffe haben in unserer Welt überragende Bedeutung erlangt. Egal ob für die Verpackung von Lebensmitteln oder Elektrogeräte, Kunststoffe haben viele Vorteile und doch auch einen großen Nachteil: sie werden aus dem endlichen Rohstoff Erdöl hergestellt.

Im Prinzip sollen nachwachsende Rohstoffe generell die endlichen Rohstoffe Erdöl und Erdgas ersetzen. Die Liste der aus diesen beiden Rohstoffen erzeugten Produkte ist lang, neben Treibstoff für Autos, Flugzeuge und Schiffe werden aus Erdöl auch Kunststoffe hergestellt. Jährlich werden etwa 270 Millionen Tonnen Kunststoff erzeugt. Einkaufstüten, Handys, Autoteile – all das wäre ohne Erdöl nicht denkbar. Inzwischen versucht man jedoch, auch in diesem Bereich auf nachwachsende Rohstoffe umzusteigen. Es gibt schon viele Projekte, wie man die natürlichen Ressourcen Stärke aus Pflanzen wie Mais, Weizen und Kartoffeln oder Zellulose aus Holz für die Herstellung von Biokunststoffen nutzen kann.

Aus der Stärke, wie sie aus Maiskörnern gewonnen wird, kann man zum Beispiel ein Molekül mit dem Namen Polylactid oder auch Polymilchsäure herstellen. Durch Verknüpfung vieler Polymilchsäuremoleküle entsteht ein Granulat, was geschmolzen und dann zum Beispiel in die Form von Joghurtbechern gespritzt werden kann. Produkte aus Polymilchsäure sind generell biologisch abbaubar, allerdings nur in großindustriellen Anlagen, wo bestimmte Bedingungen herrschen. Man sollte die Plastiktüten oder das Einweggeschirr deshalb nicht auf den heimischen Kompost werfen.

Ein weiterer Biokunststoff, die thermoplastische Stärke, ist sehr gut biologisch abbaubar. Ihr Anwendungsbereich erstreckt sich deshalb von Operationsmaterial wie Nähfaden, Schrauben oder Implantaten bis zum Gartenbau als Pflanztöpfe, Torfsäcke oder Mulchfolien. Der Vorteil liegt auf der Hand: Pflanzen können direkt in ihren Töpfen eingepflanzt werden, die sich innerhalb kurzer Zeit zersetzen. Mulchfolie können nach der Ernte einfach in das Feld eingepflügt werden und müssen nicht mehr umständlich heruntergesammelt werden.