Erdöl als fossiler Energieträger wird bald Geschichte sein. Dass Nahrungsmittel wie etwa Getreide, Mais und Zuckerrübe als Biotreibstoff angebaut werden, ist angesichts des weltweiten Nahrungsmittelmangels keine Lösung. "Ein möglicher Energieträger der Zukunft könnte die Pappelpflanze sein", erklärt Wolfram Weckwerth, Leiter des Departments für Molekulare Systembiologie: "Die Ergebnisse unserer Forschungsarbeit belegen, dass die in Pappeln 'wohnenden' Bakterien mit besonderen Mechanismen zu deren Wachstum beitragen. Weiter in die Zukunft gedacht, könnte man das Wachstum der Pflanzen mithilfe dieser endophytischen Bakterien steigern und somit die Basis für Biotreibstoff kultivieren."
Ein langer Forschungsweg
Vor der bahnbrechenden Erkenntnis, dass Pflanzenbakterien - durch Stickstoffbindung und hormonelle Stimulation- das Wachstum ihres Wirts fördern, liegen viele Jahre intensive Forschungsarbeit. Bis vor wenigen Jahren war über Endophyten nur wenig bekannt, da es ein schwieriges Verfahren ist, sie aus der Pflanze zu isolieren. Einer Forschungsgruppe um Dietrich Ewald - langjähriger Kooperationspartner von Wolfram Weckwerth vom Johann Heinrich von Thünen-Institut (Deutschland) - ist es nun kürzlich gelungen, eine bakterienfreie Pappelpflanze zu kultivieren: "Das war ein großer Durchbruch, der es uns nun erstmals ermöglichte, zu untersuchen, wie sich Pappeln ohne Bakterien von 'normalen' Pappeln unterscheiden. Die Pappel bot sich als Versuchspflanze an, da ihr Genom kurz davor sequenziert wurde und sie als Modellsystem für Bäume exemplarisch untersucht werden kann", so Weckwerth.
Analyse im Massenspektrometer
Diese bakterienfreien Pappeln, die das Forschungsteam vom Johann Heinrich von Thünen-Institut entwickelte, bildet die Basis für die Forschungsarbeit von Wolfram Weckwerth und seinem Team an der Universität Wien. Anhand sogenannter Metabolitenanalysen versuchen sie festzustellen ob und welche Unterschiede zwischen Pappeln mit und ohne Bakterien bestehen. So wie das Genom die Gesamtheit aller Gene und das Proteom die Gesamtheit aller Proteine bezeichnet, steht das Metabolom eines jeden Organismus für alle Metaboliten, d.h. alle Stoffwechselprodukte - Zucker, Fettsäuren, Aminosäuren, etc. - einer Zelle.
Für die Analyse, die sowohl bei den bakterienlosen Modellorganismen als auch bei den Pappeln mit Bakterien durchgeführt wurde, trennten die ForscherInnen die Metaboliten-Proben im Massenspektrometer chromatografisch. So erhielten sie einzelne Molekülmassen, die sie für den späteren Vergleich in eigens angelegten Bibliotheken identifizieren konnten.
Spannende Interaktion
Nach der statistisch-mathematisch äußerst komplexen Auswertung der Analysen, stellten die SystembiologInnen signifikante Unterschiede in mehreren Stoffwechselprodukten von Pappeln mit und ohne Bakterien fest: "Wir fanden unterschiedliche Werte im Citratzyklus, in Zuckern und auch in Aminosäuren. Besonders auffällig war jedoch der stark erhöhte Gehalt stickstoffhaltiger Metabolite in den Pappeln mit Bakterien - essenzielle Stoffe für das Pflanzenwachstum." Durch diese Versuche konnte das Forschungsteam der Universität Wien nun erkunden, wie endophytische Bakterien das Wachstum fördern - das Ergebnis wurde im August 2009 in der Fachzeitschrift "Molecular Plant-Microbe Interactions" publiziert.
Wie dieser Vorgang im Detail vor sich geht, erarbeiten die SystembiologInnen um Weckwerth gerade. "Wir gehen davon aus, dass die Bakterien Stickstoff aus der Luft binden und an die Pflanze abgeben, aber auch eine Stimulierung durch Phytohormone kann nicht ausgeschlossen werden", so Weckwerth über die tausende Jahre alte Symbiose zwischen Pflanzen und Bakterien. In Versuchen in den USA konnte das Wachstum von Pappeln, denen zusätzliche endophytische Bakterien eingeimpft wurden, bereits um bis zu 50 Prozent gesteigert werden. "Biotreibstoff ist sicherlich die Zukunft. Die USA haben dies bereits erkannt und investieren enorme Summen in die Forschung. Europa darf hier den Anschluss nicht verlieren", so Weckwerth abschließend. (td)
Univ.-Prof. Dr. Wolfram Weckwerth, der seit August 2008 die Professur für Systembiologie innehat und das Department für Molekulare Systembiologie leitet, forscht u.a. zur positiven Interaktion zwischen Bakterien und Pflanzen. Im August 2009 publizierte er dazu mit KollegInnen (Christian Scherling, Department of Bioinformatics and Biochemistry, Technische Universität Braunschweig, Deutschland; Kristina Ulrich und Dietrich Ewald, Johann Heinrich von Thünen-Institut, Waldsieversdorf, Deutschland.) in dem Fachmagazin "Molecular Plant-Microbe Interactions den Beitrag "A metabolic signature of the beneficial interaction of the endophyte paenibacillus sp. isolate and in vitro-grown poplar plants revealed by metabolomics".
Die Pappel als Biotreibstofflieferant:
Pappeln sind eine besonders interessante Baumart, da sie auf nährstoffarmen, ja sogar mit Giften kontaminierten Böden wachsen können. Insbesondere ist die Pappel eine schnellwachsende Baumart und daher sehr gut als Lieferant für Holz bzw. Lignocellulose geeignet. Diese Lignocellulose kann nun als Alternative zu Nahrungsmitteln wie Zuckerrübe oder Mais zu Biotreibstoffen verarbeitet werden. Daher bezeichnet man auch Lignocellulose als Biotreibstoff der zweiten Generation. (Wolfram Weckwerth) |
