Pappel-Protein soll Holzqualität aufpeppen

Würzburger Forscher in der Dezember-Ausgabe von „Planta“:

Pappeln gehören zu den schnell wachsenden Gehölzen: Sie können in nur einem Jahr ganze vier Meter höher werden. An diesen Bäumen erforschen Würzburger Wissenschaftler das Wachstum des Holzes – und haben dabei auch eine Vision, die für die Holzwirtschaft interessant ist: Möglicherweise lassen sich Pappeln so verändern, dass sie genau so schnell wachsen wie gewohnt, aber wesentlich festeres und somit wertvolleres Holz bilden.

Noch gehört die raschwüchsige Hartholz-Pappel in den Bereich der Zukunftsmusik. Doch die Forscher am Julius-von-Sachs-Institut für Biowissenschaften der Uni Würzburg haben schon eine klare Vorstellung, wie sich ein solcher Baum vielleicht züchten lässt. Darüber berichten sie mit Kollegen aus München in der jüngsten Ausgabe des Fachjournals „Planta“.

Am Lehrstuhl für Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik dreht sich unter der Leitung von Professor Rainer Hedrich im Arbeitskreis von Peter Ache alles um die molekularen Grundlagen des Holzwachstums und um die damit verbundenen Wege zur Verbesserung des Werkstoffs Holz. Erstaunlich: „Diesem Thema hat die Forschung bisher nur wenig Aufmerksamkeit geschenkt“, sagen die Pflanzenwissenschaftler.

Es ist also Pionierarbeit, die in Würzburg geleistet wird. Vor zwei Jahren haben Hedrich und Ache mit ihrem Team erstmals beschrieben, dass bestimmte Proteine, die so genannten Kalium-Kanäle, für das Holzwachstum ausschlaggebend sind. Im Normalfall sorgen sie dafür, dass der wichtige Nährstoff Kalium in der Pflanze einem kontrollierten Transport unterliegt.

Die Forscher ließen Pappeln heranwachsen, denen zu wenig Kalium zur Verfügung stand. Daraufhin blieben die Fasern und Gefäße des Holzes sowie die Zone der Holzbildung im Stamm kleiner und kompakter als normal. Dieselben Symptome stellten sich ein, wenn abgeschnittene Äste mit einem Stoff behandelt wurden, der die Kalium-Kanäle blockiert. Somit war klar, dass das Holzwachstum sowohl von Kalium als auch von Kalium-Kanälen abhängt.

Jetzt haben die Wissenschaftler unter den verschiedenen Kalium-Kanälen, die es bei Pflanzen gibt, eine ganz spezielle Sorte gefunden. Diese Kanäle kommen bei der Pappel in den so genannten Strahlzellen des Holzes vor. Dort sorgen sie im Herbst für den Transport des Kaliums in das Holz. Im Verlauf des Holzwachstums sterben die Holzfasern langsam ab. Dieser Prozess wird vermutlich ebenfalls durch die beschriebenen Kanäle gesteuert, indem diese überschüssiges Kalium abgeben. Bei der Pappel findet sich diese Kanalsorte in so großen Mengen, dass den Würzburgern nun eine Premiere gelungen ist: Sie konnten erstmals Kalium-Kanäle im Gewebe eines Baums sichtbar machen – mit Hilfe fluoreszenzmarkierter Antikörper.

Die Kanäle bieten den Ansatzpunkt, um das Holz der Pappel aufzupeppen. „Wenn wir die Bäume genetisch so optimieren können, dass sie diese Kalium-Kanäle in verstärktem Ausmaß produzieren, dann wachsen sie womöglich genau so schnell, liefern aber wegen des früheren Absterbens der Faserzellen feinporigeres, festeres Holz“, so die Prognose von Peter Ache. Wirtschaftlich wäre das nicht uninteressant, denn als nachwachsendem Rohstoff und Energieträger könnte Holz in Zukunft mehr Bedeutung erlangen. Weltweit beträgt der jährliche Pro-Kopf-Verbrauch an Holz derzeit etwa 0,66 Kubikmeter, über die Hälfte davon wird als Brennholz genutzt.

In einem Projekt, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft finanziell gefördert wird, wollen Hedrich und Ache nun weitere molekularbiologische, zellbiologische und elektrophysiologische Untersuchungen anstellen. Was geschieht im Verlauf der Holzbildung, wenn sich die Nährstoffversorgung der Pappeln ändert? Was passiert bei zu großer Kälte oder Trockenheit? Welchen Einfluss haben Pflanzenhormone auf die Kanäle in der Phase der Holzbildung? Bei diesen Arbeiten wollen die Forscher aus der Pappel weitere Gene isolieren, die für die Entwicklung der Holz bildenden Zellen wichtig sind.

Weitere Informationen: Dr. Peter Ache, T (0931) 888-6103, Fax (0931) 888-6158, E-Mail: ache@botanik.uni-wuerzburg.de

Matthias Arend, Andrea Stinzing, Christa Wind, Katharina Langer, Andreas Latz, Peter Ache, Jörg Fromm, Rainer Hedrich: „Polar-localised poplar K+ channel capable of controlling electrical properties of wood-forming cells“. Planta 223, Dezember 2005, Seiten 140-148. DOI: 10.1007/s00425-005-0122-y

Die Pappel – Modellbaum der Pflanzenwissenschaft

Warum forschen die Würzburger Wissenschaftler ausgerechnet an der Pappel? Dieser Baum ist in den vergangenen Jahren zu dem Modellsystem für Holz bildende Pflanzen schlechthin geworden. Die Pappel hat – für einen Baum – ein relativ kleines Genom, wächst schnell und lässt sich leicht genetisch optimieren. Außerdem wurde ihr Erbgut sequenziert – das Ergebnis liegt seit Herbst 2004 vor.