Bis eben noch war es ganz ruhig im Gewächshaus. Plötzlich springt ein Motor an, und einer der mit Gerste bepflanzten Blumentöpfe beginnt, sich zu bewegen. Per Fließband fährt er zu einer geheimnisvollen großen Kabine. Eine Tür öffnet sich, und er fährt hinein. Die Tür schließt sich. Nach einiger Zeit öffnet sich auf der anderen Seite der Kabine eine Tür, und der Topf kommt herausgefahren. Er hält an einem Wasserhahn an und wird gegossen. Dann reiht er sich wieder ein unter dreihundert ähnliche Töpfe. Hightech, sicher, aber wozu?

Um zu verstehen, warum Pflanzen ganz bestimmte Eigenschaften haben und wie sie auf unterschiedliche Umweltbedingungen reagieren, braucht es Experimente unter genau kontrollierten Bedingungen. Bei Versuchen mit natürlichen Organismen wie Pflanzen genügt es nicht, ein einzelnes Objekt zu beobachten. Denn jede Pflanze ist anders. Sowohl was ihre Erbanlagen angeht als auch aufgrund der Umweltbedingungen, unter denen sie gewachsen ist. Für genaue und belastbare Versuchsergebnisse muss die Wissenschaft deshalb alle Versuchsobjekte den gleichen Bedingungen aussetzen. Etwa um die Auswirkungen von Wassermangel auf Pflanzen zu untersuchen.

Derartige Experimente werden in einer Anlage des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben im Falle von Weizen künftig vollautomatisch abgewickelt. Das spart Aufwand und sichert vergleichbare Ergebnisse. Weil das gut funktioniert, werden gerade zwei weitere Anlagen für die verbreitete Modellpflanze Ackerschmalwand und Mais installiert.

Portraits der Gerste

Bild vergrößern Zukunftssichere Nahrung durch Gerste Foto: BilderBox

In der eingangs beschriebenen geheimnisvollen Kabine werden die Pflanzen dreimal fotografiert: in verschiedenen Kammern bei unterschiedlichem Licht. In der ersten Kammer entstehen Bilder mit sichtbarem Licht. Diese Bilder dokumentieren Größe, Form und Farbe der Pflanzen und  ermöglichen später Aussagen über Gesundheit und Wachstum. Es folgen Aufnahmen mit Infrarotlicht und Aufnahmen der Fluoreszenz der Pflanzen. Damit lässt sich unter anderem der Wasser- und Blattgrüngehalt der Blätter bestimmen. Beide Faktoren erlauben Rückschlüsse auf Krankheiten oder Ernährungsmängel.

Die Hightechprozedur ermöglicht so Versuchsanordnungen, die anders praktisch unmöglich wären.

Anders, aber warum?

Pflanzenforschung befasst sich heute vor allem mit der Frage, welche genetische Information für welche Eigenschaft einer Pflanze verantwortlich ist. So will man etwa herausfinden, warum die eine Getreideart weniger Wasser benötigt als eine andere. Dieses Wissen lässt sich dann für die Züchtung zu neuen Arten nutzen.

Professor Andreas Graner erläutert, dass Pflanzen mit veränderten Eigenschaften eine wichtige Rolle bei der Bewältigung von Umweltproblemen spielen können. Schon jetzt sind Vorboten des Klimawandels erkennbar. Getreide braucht im Frühsommer viel Wasser, um die Frucht aufzubauen. Gerade in diesem Zeitraum ist in den vergangenen Jahren der benötigte Regen aber häufig ausgeblieben. Benötigt werden also Getreidearten, die mit wenig Wasser auskommen, so der Leiter des IPK.

Bild vergrößern Lemnatec-Anlage in Gatersleben Foto: IPK-Gatersleben/ R. Schnee

Die Wissenschaft versucht deshalb zu verstehen, weshalb bestimmte Arten mit weniger Wasser auskommen. Diese Grundlagenforschung bildet dann die Basis für die Züchtung von Pflanzen, die helfen, unsere Nahrungsversorgung zu sichern.

• Ernährung – ohne Pflanzen unvorstellbar

Arzneimittelfabrik Pflanze

Eine weitere wichtige Perspektive der Pflanzenforschung ist die Herstellung von Medikamenten. Bekanntlich enthalten viele Pflanzen heilsame Stoffe. Neue gentechnische Methoden sollen eines Tages dazu beitragen, dass Pflanzen sogar Stoffe produzieren, die sie normalerweise nicht herstellen. Die Pflanze wird quasi zur Fabrik.

Schon heute helfen gentechnisch veränderte Bakterien bei der Herstellung vieler Arznei-Grundstoffe. Bekanntestes Beispiel ist das Insulin. Solche Verfahren sind Teil der so genannten „roten Biotechnologie“.

Bild vergrößern Medizin aus Moospflanzen Foto: greenovation Biotech

• Rote Biotechnologie

Der Einsatz von Bakterien stößt allerdings an Grenzen. Bestimmte biochemische Reaktionen können diese Lebewesen nicht durchführen. So sind sie etwa nicht in der Lage, Zuckerbausteine an Eiweißmoleküle anzuhängen. Dieser Prozess ist allerdings von Bedeutung für wirksame Medikamente. Denn der Zuckercode von Eiweißen spielt für immer mehr therapeutische Ansätze eine wichtige Rolle. Immer häufiger werden deshalb gentechnisch veränderte Säugetierzellen für eine solche Arzneiproduktion genutzt. Doch die Programmierung und Haltung dieser Zellen ist sehr aufwändig.

Als Alternative bieten sich Pflanzen an, denn sie sind zur Bildung von Zuckerketten ebenfalls in der Lage. Zum Beispiel lassen sich Moose als chemische Fabrik für derartige Stoffe nutzen. Die Forschung steht hier noch am Anfang, lässt aber große Fortschritte erwarten.

Energie und Rohstoffe aus Pflanzen

Die Pflanzenfabriken sind dabei genauso für alltäglich benötigte Stoffe gut. Immer erfolgreicher sind die Pflanzenzüchter und Biotechnologen beispielsweise bei der Nutzung pflanzlicher Rohstoffe für die Kunststoffherstellung.

• Industrierohstoffe vom Feld

Nachwachsende Rohstoffe ersetzen zudem immer häufiger Erdöl, Erdgas oder Kohle – und machen uns von diesen fossilen Stoffen unabhängiger. Ganz besonders wichtig ist dieser Aspekt bei der Energiegewinnung.

Dass sich aus Pflanzen Energie gewinnen lässt, weiß die Menschheit seit es ihr gelang, Holz zu entzünden. Wurde diese Energie früher nur zur Wärmeerzeugung und Nahrungszubereitung verwendet, ist  die moderne Industriegesellschaft in fast allen Lebensbereichen auf Energie angewiesen. Es liegt also nahe, darüber nachzudenken, wie wir mit Energie aus Pflanzen Auto fahren oder Strom erzeugen können.

• Energie vom Acker

Diese Anwendungsbeispiele zeigen, welche Möglichkeiten in Pflanzen stecken. Die Bundesregierung will deshalb den Aufbau einer wissensbasierten Bio-Industrie in Deutschland beschleunigen. Mit der „Nationalen Forschungsstrategie BioÖkonomie 2030“, die 2010 veröffentlicht wird, verfolgt die Bundesregierung die Vision einer am natürlichen Stoffkreislauf orientierten bio-basierten Wirtschaft.

Ihr vielfältiges Angebot ernährt die Welt ausreichend und gesund und stärkt durch hochwertige Produkte unsere Wettbewerbsfähigkeit. Das Verständnis biologischer Systeme und ihre nachhaltige Nutzung sollen ermöglichen, dass bis 2030 wissenschaftliche Kreativität im Wechselspiel mit Ingenieurskunst einen veritablen Strukturwandel in der industriellen Produktion in Deutschland bewirkt. 

• Bundesregierung fördert Pflanzenforschung