Forstwirtschaft: Das Potential kleiner Bäume

09.10.2012 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Die Pappeln im Zentrum dieses Bildes sind von normaler Höhe, aber die niedrigeren Bäumen links und rechts davon sind verschiedene transgene Bäume, die genetisch verändert wurden. (Quelle: © Oregon State University)
Die Pappeln im Zentrum dieses Bildes sind von normaler Höhe, aber die niedrigeren Bäumen links und rechts davon sind verschiedene transgene Bäume, die genetisch verändert wurden. (Quelle: © Oregon State University)

Lange Zeit konzentrierte man sich darauf, größere und höhere Bäume zu züchten. Forscher versuchten nun das genaue Gegenteil: Sie untersuchten, welche Auswirkungen es hat, wenn man die Wuchshöhe reduziert. Durch genetische Veränderungen gelang es den Wissenschaftlern, Pappeln mit neuen Eigenschaften zu erzeugen. So könnte man zukünftig Bäume gezielt für spezielle Nutzungszwecke (z.B. zur Verwendung in Kurzumtriebsplantagen) optimieren.

In einer kürzlich veröffentlichten Studie reduzierten Wissenschaftler die Wuchshöhe von Pappeln, indem sie diese genetisch modifizierten. Das Hauptziel dieser Studie war es zu ermitteln, wie gentechnisch vermittelter Kleinwuchs das Wachstum, die Morphologie und Aspekte der Physiologie von Bäumen beeinflusst. Für ihre Untersuchungen nutzten sie einen Pappel-Hybriden; eine Kreuzung aus Zitter-Pappel (Populus tremula) und Silber-Pappel oder auch Weiß-Pappel genannt (Populus alba).

Veränderung des Erbguts durch Transgene

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Waldbäume als Topfpflanze?
Versteht man die Wirkung der Gene und der durch diese kodierten Hormone, welche für das Wachstum verantwortlich sind, kann man Eigenschaften wie die Wuchshöhe gezielt beeinflussen. So sind selbst Miniaturbäume als Topfpflanze vorstellbar. Beispielsweise Pappeln oder Douglas-Tannen könnten dann Einzug in Wintergärten und Wohnungen halten, ohne dass diese aufwendig als Bonsais kultiviert werden müssten.

Die Forscher testeten die Wirkung von sechs unterschiedlichen Transgenen. Die Fremdgene aus anderen Pflanzenarten wurden durch einen Gentransfer in das Genom der Bäume geschleust. Als Überträger diente den Wissenschaftlern dafür das Bodenbakterium Agrobacterium tumefaciens. Die Gene stammten dabei ursprünglich entweder aus der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) oder der Feuerbohne (Phaseolus coccineum), bzw. eines der getesteten und veränderten Gene stammte sogar vom Pappel-Hybrid selbst. Den Genen stellten die Wissenschaftler bestimmte pflanzliche bzw. virale Promotoren voran - Nukleotid-Sequenzen, welche regeln, wo und wann das Gen abgelesen wird.

Transgene beeinflussen das Wachstum

Alle veränderten Gene beeinflussten die Aktivitäten von speziellen Hormonen (Gibberelline) der Pappel. Gibberelline sind an fast allen wichtigen Pflanzenprozessen beteiligt und steuern das Wachstum und die Entwicklung.

Mittels einer molekularbiologischen Methode (Realtime-PCR) ermittelten die Forscher, ob und in welcher Intensität die Transgene exprimiert wurden. Danach untersuchten sie die unterschiedlichen Effekte auf den Phänotyp. Die Forscher analysierten 29 genetische Merkmale, die beeinflusst wurden; darunter Wachstumsrate, Biomasse, Verzweigungen, Wassereffizienz und Wurzelstruktur. Allgemein konnte durch die genetische Veränderung die Wuchshöhe gezielt reduziert werden. 

Veränderungen waren sichtbar

Die genetisch modifizierten Bäume wurden zuerst im Gewächshaus kultiviert. Da sich diese künstlichen Bedingungen stark von den Schwankungen in der Natur unterscheiden, wurden diese in einem zweiten Schritt im Feld untersucht. Im Vergleich zur Kontrollgruppe waren die Wurzelsysteme bei den transgenen Pappeln ausgeprägter und die Wuchshöhe signifikant niedriger. Die Biomasseproduktion erhöhte sich an den Wurzeln und Blättern. Am Stamm fiel diese aufgrund der niedrigeren Wuchshöhe geringer aus. Je nachdem welches Gen in die Bäume eingeschleust wurde, änderte sich auch Morphologie und Physiologie; mit Veränderungen im Chlorophyllgehalt der Blätter oder der Verzweigungsdichte. 

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Forscher setzten Pappeln fremde Gene ein, um die Wuchshöhe zu reduzieren. 

Forscher setzten Pappeln fremde Gene ein, um die Wuchshöhe zu reduzieren. 

Quelle: Quelle: © H. Zell / Wikimedia.org; CC BY-SA 3.0

Vorteile der veränderten Bäume

Eine der zentralen Fragen der Forschung ist es, die Pflanzenarchitektur gezielt zu verändern. Mit dem Ziel, Pflanzen zu züchten, die besser an extreme Bedingungen angepasst oder ertragreicher sind. Niedrigere, gedrungene Bäume wären standhafter bei starkem Wind. Durch ausgeprägtere Wurzelsysteme hätten sie eine bessere Verankerung im Boden und Vorteile bei der Aufnahme von Wasser und Nährstoffen. Auch die Veränderung der Blätter könnte eine erhöhte Photosyntheseleistung und eine verbesserte Wassernutzungseffizienz bewirken. Die kompakteren Bäume könnten für eine Bioremediation, oder zum Erosionsschutz eingesetzt werden. Sogar Treibhausgase in der Atmosphäre ließen sich durch eine verbesserte Kohlenstoff-aufnahme reduzieren.

Langfristig wären kleinere und niedrigere Bäume jedoch in der freien Natur nicht konkurrenzfähig, da sie mit größeren Bäumen im Wett-bewerb um Sonnenlicht stünden. Die niedrigeren Bäume würden im Schatten der normal hohen nicht genug Sonne „abbekommen“ und früher oder später aussterben. Auch im Experiment waren die transgenen Bäume 60 bis 70 Prozent niedriger gewachsen und stellten für die normal hohen Pappeln somit keine Konkurrenz dar.

Welche Wirkungen eventuell mögliche Auskreuzungen der Zwergbäume auf andere Bäume haben könnten, muss durch Studien zur Sicherheits- und Risikobewertung untersucht werden. Somit sind derartig gezüchtete Bäume eine Zukunftsoption und keine Alternative für den sofortigen Einsatz. 

"Grünen Revolution" in den Wäldern

Veränderungen im Wuchsphänotyp haben in der heutigen Landwirtschaft zu massiven Ertragssteigerungen geführt. Kleinwüchsigere Getreidepflanzen, z.B. moderne Weizensorten, sind ertragreicher und weisen eine geringere Lagerneigung auf. Damit sind sie standfester bei Sturm und Regen. Die Einführung neuer Technologien und Hochleistungssorten in der Landwirtschaft von Entwicklungsländern wurde als „grüne Revolution“ bezeichnet. Neue Technologien und Sorten halfen die Nahrungsmittelproduktion erheblich zu steigern. Dies verbesserte die Ernährungsgrundlage trotz einer wachsenden Weltbevölkerung.

Die Forscher sehen die Möglichkeit, durch die genetische Modifikation der Bäume eine weitere Revolution auszulösen. Bäume könnten gezielt für unterschiedliche Nutzungskonzepte optimiert werden. So wie im Obstbau, könnten neue Sorten für Kurzumtriebsplantagen optimiert werden. Diese wären schneller ertragsfähig, ließen sich einfacher ernten und könnten gezielt für eine stoffliche oder energetische Nutzung angepasst werden.

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