Pappeln als Biotreibstofflieferanten von morgen?

Dass sogenannte endophytische Bakterien – Bakterien, die in Pflanzen leben – durchaus positive, wenn nicht sogar überlebensnotwendige Funktionen für die Pflanze übernehmen, fand ein Team um den Systembiologen Wolfram Weckwerth heraus: So fördern Endophyten u.a. das Pflanzenwachstum, was sie wiederum interessant für die Biotreibstoff-Produktion macht. Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich im Fachjournal „Molecular Plant-Microbe Interactions“ veröffentlicht.

Erdöl als fossiler Energieträger wird bald Geschichte sein, und 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 der Universität Wien: „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 das Wachstum ihres Wirts fördern, lagen viele Jahre intensiver Forschungsarbeit. Erst kürzlich gelang es in Zusammenarbeit mit der Forschungsgruppe um Dietrich Ewald – langjähriger Kooperationspartner von Wolfram Weckwerth vom Johann Heinrich von Thünen-Institut (Deutschland) -, eine bakterienfreie Pappelpflanze zu kultivieren und zu analysieren: „Das war ein großer Durchbruch, der es uns nun erstmals ermöglichte, zu untersuchen, wie sich Pappeln ohne Bakterien von 'normalen' Pappeln unterscheiden“, so Weckwerth.
Analyse im Massenspektrometer
Diese bakterienfreien Pappeln bilden also 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 trennten die ForscherInnen die Metaboliten-Proben im Massenspektrometer chromatographisch. 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: „Besonders auffällig war der stark erhöhte Gehalt stickstoffhaltiger Metabolite in den Pappeln mit Bakterien – essenzielle Stoffe für das Pflanzenwachstum.“ Durch diese Versuche fand das Forschungsteam der Universität Wien heraus, wie endophytische Bakterien das Wachstum fördern. Das Ergebnis wurde im August 2009 in der Fachzeitschrift „Molecular Plant-Microbe Interactions“ publiziert.

Derzeit erarbeiten die SystembiologInnen um Weckwerth die Details dieses Vorgangs. 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.

Originalpublikation:
Christian Scherling, Department of Bioinformatics and Biochemistry, Technische Universität Braunschweig, Deutschland; Kristina Ulrich und Dietrich Ewald, Johann Heinrich von Thünen-Institut, Waldsieversdorf, Deutschland, und Wolfram Weckwerth, Universität Wien: „A metabolic signature of the beneficial interaction of the endophyte paenibacillus sp. isolate and in vitro-grown poplar plants revealed by metabolomics“, in: „Molecular Plant-Microbe Interactions“: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19589078
Kontakt:
Univ.-Prof. Dr. Wolfram Weckwerth
Department für Molekulare Systembiologie
Universität Wien
1090 Wien, Althanstraße 14
T +43-1-4277-577 00
M +43-664-602 77-577 00
wolfram.weckwerth@univie.ac.at
Rückfragehinweis:
Mag. Alexandra Frey
Öffentlichkeitsarbeit
Universität Wien
1010 Wien, Dr.-Karl-Lueger-Ring 1
T +43-1-4277-175 31
M +43-664-602 77-175 31
alexandra.frey@univie.ac.at