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Pflanzenforschung

Pflanzen – von der Wurzel bis zur Spitze – sind ein Arbeitsfeld mit hoher Relevanz: Pflanzen sind weltweit die wichtigste Grundlage der Ernährung einer weiter wachsenden Weltbevölkerung, sie sind nachwachsende Rohstoffe mit stark steigendem Bedarf und stellen erneuerbare Energie zur Verfügung. Sie tragen somit zum Energiemix der Zukunft bei.

Deshalb schauen die Jülicher Forscher genau hin: Wie wachsen Pflanzen und wie lässt sich nachhaltig ihr Ertrag optimieren? Wie kann man die Effizienz steigern, mit der Pflanzen Wasser, Nährstoffe oder Licht nutzen? Wie optimiert die Pflanze die CO2-Nutzung – für mehr Ertrag aber auch zur Nutzung von CO2 aus Kraftwerken? Wie reagieren sie auf Stress durch Trockenheit oder Staunässe oder auch durch Krankheitserreger? Wie kann man die Zusammensetzung für die zukünftigen Anforderungen für Ernährung, Rohstoffe oder Energie optimieren?

Diese Fragen beantworten die Jülicher Forscher nicht alleine, sondern gemeinsam mit den Partnern im "Bioeconomy Science Center" – einem neuen interdisziplinären Netzwerk, in dem Jülich, die RWTH Aachen, die Universität Bonn und die Universität Düsseldorf komplementär ihre Expertise von der nachhaltigen Pflanzenproduktion über Biotechnologie und Verfahrenstechnik bis hin zur wirtschaftlichen Bewertung an Durchbrüchen zur wissensbasierten Bioökonomie arbeiten.

Blick in und auf die lebende Pflanze

Pflanzenkammer am Forschungszentrum JülichPflanzenkammer am Forschungszentrum Jülich: Jülich Plant Atmosphere Chamber (JPAC)
Copyright: Forschungszentrum Jülich

Um Prozesse in lebenden Pflanzen genau zu verstehen, entwickeln Jülicher Forscher gezielt neue technische Methoden, die es ihnen ermöglichen in die Pflanze hineinzuschauen, ohne sie aufzuschneiden oder sie aus dem Boden graben zu müssen. Einige dieser Methoden nutzen Prinzipien die bereits in der Medizin revolutionäre Einblicke erlauben: Magnetresonanztomografie oder Positronenemmissionstomografie. Aber auch für Pflanzen spezifische Eigenschaften, wie die Photosynthese, werden mit innovativen Methoden quantitativ erfasst. Die Forscher überwinden hier Grenzen indem sie von einzelnen Zellen über ganze Pflanzenblätter bis hin zu Ackerflächen adäquate Methoden einsetzen. Die Ergebnisse helfen dabei zu verstehen, wie die Pflanzenproduktion durch angepasste Pflanzensorten und moderne Anbaumethoden in Zukunft gesichert werden kann und wie sich Pflanzen an veränderte Umweltbedingungen wie z.B. die Folgen des Klimawandels anpassen bzw. angepasst werden können.

Mit ihren ausgeklügelten Methoden gelingt es den Forschern, das Wurzelwerk und unterirdisch wachsende Agrarpflanzen, wie Zuckerrüben oder Weizen, in ihrem natürlichen Umfeld zu untersuchen und so neue Erkenntnisse über die Effizienz der Nährstoff- und Wassernutzung zu gewinnen. Dabei spielt der Blick auf Pflanzen und deren Funktion in Böden eine wesentliche Rolle, um Nährstoffe für die Pflanzenproduktion zu nutzen, ohne dass sie Flüsse und Seen überdüngen oder gar das Grundwasser gefährden. Hierzu entwickeln Jülicher Wissenschaftler mathematische Modelle, die Gemeinden und Landkreisen bei ihrer Landnutzungsplanung wertvolle Dienste leisten.

Innovative Technologie

Die Forscher entwickeln aber auch neue technische Lösungen, um ganze Pflanzenproduktions-Systeme zu verbessern: Jülicher Forscher haben die Eindeckung von Gewächshäusern so optimiert, dass die Lichtdurchlässigkeit für den Teil des Spektrums, den Pflanzen zur Photosynthese benötigen, auf bis zu 97 Prozent steigt und auch die Lichtzusammensetzung mehr entspricht, was in der Natur vorhanden ist. Der Effekt: Die Pflanzen wachsen kräftiger, sind widerstandsfähiger und produktiver. Die Forscher verringern aber gleichzeitig auch den Energieverbrauch – mit einer Glas-Folienkombination, die als transparente Wärmedämmung für Treibhäuser dient und so hilft Energie einzusparen.

Nachwachsende Roh- und Wertstoffe sind ein weiteres Zielgebiet innovativer Ansätze. So ist beispielsweise die Abwehrreaktion von Adlerholzbäumen für die Industrie interessant: Die Bäume produzieren durch eine Pilzinfektion ein weihrauchähnliches, duftendes Harz, das dann das Holz durchtränkt. Die Nachfrage der Wirtschaft nach diesem speziellen Harz ist enorm. Der Preis pro Kilo liegt inzwischen bei 10.000 US-Dollar. Der natürliche Bestand der Adlerholzbäume ist daher inzwischen enorm gefährdet. Jülicher Wissenschaftler erforschen nun die molekularen Grundlagen der Interaktion zwischen Baum und Pilz und die Bedingungen für einen nachhaltigen, landwirtschaftlichen Anbau von Adlerholz – ein Beispiel, wie molekulare Biologie wesentliche Beiträge zur Nachhaltigkeit liefern kann.

Die Forschung zur Produktivität von Algen in großem technischen Maßstab hat zwei Ziele: Die Algen sollen einerseits als Quelle für Chemieprodukte dienen und in Form von Biogas oder Biosprit Energie liefern. Gleichzeitig verbrauchen sie hierbei Kohlendioxid, das zum Beispiel aus Kraftwerken stammt und so in der Biomasse der Algen umweltfreundlich gebunden werden kann. Gemeinsam mit der RWE und einigen akademischen Partnern haben Jülicher Wissenschaftler eine Pilotanlage realisiert, die pro Jahr bis zu 6.000 Kilogramm Algen produziert und dabei 12.000 Kilogramm Kohlendioxid verwertet.

Schlüsseltechnologien für die Pflanzen der Zukunft

Umwelt und Gene – ihr Zusammenspiel bestimmt das Erscheinungsbild und die Funktionen von Pflanzen. Wie Gene und dynamische Umweltbedingungen die Eigenschaften von Pflanzen beeinflussen, ist deshalb ein zentrales Feld von Grundlagen- und anwendungsorientierter Forschung am "Jülich Plant Phenotyping Center". Hier entwickeln sie Schlüsseltechnologien, die gleichermaßen zur Erforschung der Grundlagen pflanzlicher Eigenschaften wie auch für die Pflanzenzüchtung von zentraler Bedeutung sind.


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