Prof. Dr. Ingo Pies und Dr. Stefan Hielscher (Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg) in Kooperation mit PD Dr. Vladislav Valentinov (Leibniz Institut für Agrarentwicklung in Transformationsökonomien)

In Politik, Öffentlichkeit und Wissenschaft herrscht eine übereinstimmende Vision vor, dass die landwirtschaftliche Produktion in Deutschland (und weltweit) an umfassend verstandenen Nachhaltigkeitskriterien auszurichten ist. Dies schließt Umwelt- und Klimaschutz ebenso ein wie die verantwortungsvolle Nutzung von natürlichen Ressourcen, die Erhaltung der Biodiversität, den Verbraucherschutz, aber auch die globale Ernährungssicherheit und die Anpassungsfähigkeit der Agrarsysteme an veränderte Verbrauchergewohnheiten. Ein wesentliches Hindernis für eine solche inhaltliche Vision nachhaltiger Agrarsysteme besteht darin, dass die moralische Engführung öffentlicher und politischer Diskurse über landwirtschaftliche Produktion den Blick auf mögliche Lösungsoptionen verstellen kann (=„landwirtschaftliche Mythen“). Zur Überwindung dieses Hindernisses untersucht das Projekt landwirtschaftliche Mythen aus ethischer und (agrar)ökonomischer Sicht mit dem Ziel, einen breiten Nachhaltigkeitsfokus zu ermöglichen, um blinde Flecke identifizieren und aufhellen zu können. Mit dieser Ausrichtung leistet das Projekt einen wissenschaftlichen Beitrag zur Aufklärung öffentlicher Kommunikationsprozesse, indem es die Mythen über Agrarproduktion identifiziert und auf diese Weise die gesellschaftlichen Diskurse stärker auf eine erfolgreiche Umsetzung des Anliegens nachhaltiger Entwicklung ausrichtet.

Die Schwerpunkte des Forschungsprojekts liegen auf folgenden Aspekten:

• Identifikation von Herausforderungen landwirtschaftlicher Produktion und Innovation in Form einer Diskursanalyse aktueller öffentlicher Debatten. Hierzu werden Zeitschriften- und Tageszeitungsbeiträge untersucht, die in führenden deutschen und internationalen Print- und Online-Medien in den letzten Jahren veröffentlicht wurden.
• Identifikation von verbreiteten moralischen Vorstellungen und ggf. Engführungen über Landwirtschaft, landwirtschaftliche Produktion und Innovation. Zu diesem Zweck werden zusätzlich Experteninterviews mit relevanten Akteuren und Organisationen im landwirtschaftlichen Sektor durchgeführt, u.a. mit Verbänden der konventionellen und ökologischen Landwirtschaft, NGOs und Experten aus Politik, Wissenschaft und Medien. Die Interviewleitfäden beinhalten offene Fragen im Hinblick auf die moralischen Dimensionen landwirtschaftlicher Produktion, z. B. hinsichtlich der Lebensmittelsicherheit und der Förderung(swürdigkeit) von Kleinbauern.
• Untersuchung der im Rahmen der Diskursanalyse und der Interviewanalyse erhobenen Textdaten mit Hilfe innovativer Methoden der qualitativen empirischen Analyse. Hierzu werden statistische Verknüpfungen und Kausalbeziehungen zwischen den identifizierten moralischen Konzepten erhoben und als ‚mentale Landkarte’ der Probanden interpretiert. Sie offenbaren die Muster moralischer Argumentation und werden dazu verwendet, moralische Argumente zu klassifizieren und einer weiterführenden Semantikanalyse zuzuführen.

Hier finden Sie einen Aufsatz zum Forschungsvorhaben auf den Seiten des Forums Wirtschaftsethik.

Prof. Dr. Klaus Humbeck (Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg), Dr. Niels Stein und Dr. Martin Mascher (Leibniz Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung)

Industriepartner: Saaten-Union Biotec GmbH

Pflanzen entwickeln sich in einer sich ständig ändernden Umwelt. In dem Kampf ums Überleben auch bei widrigen Umweltbedingungen sind einige Pflanzen viel besser gewappnet als andere. Die Fähigkeit von Nutzpflanzen, Abwehr- und Schutzmechanismen gegen Stressbedingungen auszubilden, bestimmt im Endeffekt den Ertrag. Bei einer rasant wachsenden Weltbevölkerung, die ernährt werden muss, und bei sich gleichzeitig z.B. durch den Klimawandel verschlechternden Umweltbedingung, gewinnen Ansätze zur gezielten Züchtung toleranter Sorten, die auch bei Stressbedingungen hohe Erträge gewährleisten, eine immense ökonomische Bedeutung. Wir müssen deswegen von der Natur lernen, wie manche Pflanzen eine effiziente Toleranz gegen Stressbedingungen aufbauen können, um dann diese neuen Erkenntnisse in der Züchtung nutzen zu können. Da die pflanzlichen Stressantworten im Wesentlichen von der koordinierten und hoch regulierten Expression der richtigen Gene zur richtigen Zeit abhängig sind, ist das Verständnis der regulatorischen Mechanismen eine Grundvoraussetzung für solche gezielten Züchtungsansätze. Aufregende, neuere Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass die Regulation der Genexpression gerade auch unter Stressbedingungen einer übergeordneten, sogenannten epigenetischen Kontrollebene unterliegt, die über die dreidimensionale Umstrukturierung der Verpackung der DNA-basierten Gene im Chromatin der Zellkerne funktioniert. Diese epigenetischen Faktoren scheinen eine höhere Kontrollebene bei der pflanzlichen Entwicklung auch unter Stressbedingungen zu bilden und sind somit hochinteressante Forschungsziele bei der Pflanzenzüchtung.

Das Projekt hat sich zum Ziel gesetzt, bei Nutzpflanzen solche epigenetischen Kontrollfaktoren zu identifizieren, die die pflanzliche Leistungsfähigkeit auch bei Stressbedingungen absichern. Wir wollen in Sachsen-Anhalt eine Epigenom-Plattform für Getreidepflanzen etablieren, die die genomweite und räumliche Identifizierung von epigenetischen Markierungen (hauptsächlich Histon- und DNA-Modifizierungen) in den Zellkernen der Nutzpflanzen ermöglicht. Dazu kombinieren wir die Expertise der beteiligten Labore bei molekularbiologischen, pflanzenphysiologischen, biochemischen, epigenetischen und bioinformatischen Ansätzen. In unserem ersten Ansatz konzentrieren wir uns auf die Prozesse der durch Trockenstress ausgelösten Blattseneszenz, was weltweit die Ursache für enorme Ertragseinbußen ist. Unser längerfristiges Ziel ist aber, diese Epigenom-Plattform für ganz unterschiedliche agronomisch relevante Fragestellungen einzusetzen, um so im Verbund mit Züchtern die Leistungsfähigkeit der Nutzpflanzen-Epigenom-Plattform universell bei der Züchtung leistungsstarker und umwelttoleranter Sorten einsetzen zu können.

Prof. Dr. Ludger Wessjohann (Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie) und Gerd Unkelbach (Fraunhofer CBP)

Industriepartner:Zellstoff Stendal GmbH, Symrise AG

Phytosterole und -sterine sind in allen Pflanzen enthalten. Eine ökonomisch interessante Quelle sind Nebenprodukte der Zellstoffindustrie. Sie finden zunehmend Interesse als Ausgangsstoffe, z.B. in Diätmargarinen (Becel® etc.) aufgrund ihrer Cholersterol-senkenden Eigenschaften. Heutzutage überwiegend aus Soja gewonnen, eröffnet eine Extraktion und Aufreinigung aus Nebenströmen der Zellstofferzeugung einen lukrativen, alternativen Zugang zu diese Verbindungen. Viele Anwendungen mit noch höheren Margen, z.B. im Pharma-, Kosmetik-, oder Aromenbereich sind nach selektiver Gewinnung von Reinsubstanzen und Modifikation denkbar, insbesondere nach Hydrophilisierung in bestimmten Bereichen des Moleküls.

Um Phytosterine und -Derivate herstellen zu können, konzentriert sich das Projekt auf: (1.) Analyse und Reinigung von Phytosterin-Mischungen aus lokalen Fabriken und (2.) Konversion geeigneter Substanzen durch selektive katalytische Prozesse, vor allem biokatalytische oder fermentative Prozesse zu höherpreisigen Derivaten. Ein besonderer Schwerpunkt wird auf Phytosterine mit definiert oxidierten Positionen gelegt, da diese hydrophilisierte Derivate Zwischenprodukte für (Pflanzen-), Hormone und Medikamente haben.

Daher sind die einzelnen Ziele:

• Entwicklung einer Methode zur schnellen qualitativen und quantitativen Analyse von Tallöl und anderen potenziellen Sterin-haltigen Stoffströmen mit Hauptaugenmerk auf Di-und Triterpene.
• Entwicklung einer Methode zur Identifizierung von ungesättigten und oxidierten Mustern dieser Triterpenen, idealerweise in der Ausgangsmischung. Auswahl von Hauptfraktionen.
• Entwicklung einer Reinigungsmethode für die ausgewählten Moleküle
• Skalierung deren Gewinnung
• Entwicklung biokatalytischer, fermentativer oder chemischer Verfahren zur selektiven Oxidation oder anderweitiger Modifikation.
• Skalierung der modifizierten Sterolherstellung
• Gewinnung von Bioaktivitäts-Profilen für diese neuartigen Sterole

Prof. Dr. Thomas Altmann und Dr. Markus Kuhlmann (Leibniz Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung) sowie Prof. Dr. Edgar Peiter (Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg)

Industriepartner: Saatzucht Josef Breun GmbH & Co. KG

Trockenheit während der letzten Lebensphase von Nutzpflanzen kann schwerwiegende Auswirkungen auf die Pflanzenproduktion haben. Besonders sensibel reagieren die Pflanzen wenn die Trockenheit in der reproduktiven Phase auftritt. In diesen Fällen kann es zu dramatischen Ertragsverlusten kommen. Während es durch die Trockenheit vor der Blüte zu einer Verringerung der Kornzahl kommt, führt Wassermangel nach der Blüte zu einer verringerten Kornfüllung. In vorausgehenden Arbeiten konnten Gene identifiziert werden, welche eine Suppressorfunktion für die Trockenstressresistenz und die Korngröße spielen. Die Promotorregionen dieser ausgewählten Gene sollen transkriptionell inaktiviert werden. Hierfür soll der Mechanismus der RNA vermittelten DNA Methylierung angewandt werden, um die ausgewählten Gene in Gerste (Hordeum vulgare) stillzulegen.

Als Transkriptionelle Gen Stilllegung (TGS) wird ein Mechanismus bezeichnet bei dem Gene durch DNA Methylierung ihrer Promotorregion inaktiviert werden. Die sequenzspezifische Methylierung wird durch die stabile oder transiente Expression eines Haarnadelkonstruktes erreicht, welches Sequenzhomologie zum Zielpromotor besitzt. Des Weiteren soll die Vererbbarkeit der Inaktivierung in Abwesenheit des Stilllegungstransgens getestet werden. Ein vergleichbarer Mechanismus konnte bereits in dem Modellsystem Arabidopsis beschrieben werden. Die Anwendung dieser Methode könnte es ermöglichen Genaktivität in Abwesenheit eines Transgens zu modulieren.

Mit Hilfe des Projektes kann eine neue Technologie entwickelt werden, welche zu verbesserten Pflanzeneigenschaften unter Trockenstressbedingungen führt. Einen stabilen Getreideertrag zu erzielen ist nicht nur für die lokale Wirtschaft von Bedeutung, sondern auch international zur Sicherung der Welternährung unter wechselnden klimatischen Bedingungen.

Prof. Dr. Ingo Schellenberg und PD Dr. Helmut Baltruschat (Hochschule Anhalt) sowie Dr. René Csuk (Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg)

Industriepartner: Medicos Service GmbH, Helm AG

Naturstoffe spielen auf der Suche nach neuen pharmazeutischen Wirkstoffen, Kosmetika und Pflanzenschutzmitteln eine bedeutende Rolle. Der Bedarf an pflanzen-basierten Chemikalien ist in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen, und das durchschnittliche jährliche Wachstum betrug dabei zwischen 9 und 10%. Dies ist vor allem dadurch bedingt, dass ihre Gewinnung aus nachwachsenden Rohstoffen (im Vergleich zur klassischen Synthese) zu verringerten Kosten bei Arzneistoffen, Kosmetika und Nahrungsmitteln führt. Darüber hinaus ist dieser Zugang auch deutlich nachhaltiger als eine klassische chemische Synthese ausgehend von Intermediaten der petrochemischen Industrie. Während Pflanzenextrakte bereits in der Vergangenheit eine wichtige Rolle auf der Suche nach Wirkstoffen gespielt haben, konnten viele Infektionserkrankungen erst durch den Einsatz von Antibiotika wirksam behandelt werden; diese Antibiotika stammen üblicherweise aus Bakterien oder Pilzen. Darüber hinaus werden jährlich aber auch circa 15% der Welternte durch Pathogene (hier vor allem durch phytopathogene Pilze) angegriffen und zerstört, und es wird erwartet, dass sich dieser Anteil zukünftig unter dem Einfluss geänderter klimatischer Bedingungen noch erhöhen wird.

Schwermetalle sind üblicherweise toxisch für Pflanzen, und deshalb sind schwermetall-belastete Habitate meistens fast völlig frei von Vegetation. Nur hochspezialisierte Flora ganz spezieller Arten ist gegenüber Schwermetallen hinreichend tolerant und unter diesen extremen Bedingungen in der Lage zu überleben und zu wachsen. Das Auftreten von Pilzen, mit Ausnahme von arbuskulären Mycorrhizapilzen in solchen schwermetall-belasteten Regionen wurde bislang nicht untersucht, und damit wurden solche Pilze auch nicht hinsichtlich ihrer Eigenschaften charakterisiert. Da jedoch anzunehmen ist, dass gerade Pilze eine bedeutende Rolle bei Vorgängen der Anpassung und der Entwicklung von Überlebensstrategien spielen, ist es sinnvoll, sich ihrer Untersuchung gerade in schwermetall-belasteten Regionen zuzuwenden.

Das Land Sachsen-Anhalt verfügt auf den früheren Abbaugebieten für Kupferschiefer (Mansfelder Land) bzw. Kupfererz (Harz) über eine größere Anzahl an Abraumhalden; diese Abraumhalden stellen extreme Habitate mit hoher Schwermetallbelastung dar. Wir haben Zugang zu historisch unterschiedlichen Abraumhalden, und diese können herangezogen werden, um endophytische Pilze, die mit Pflanzen der Schwermetallrasengesellschaften assoziiert sind, zu isolieren, um daraus neue bioaktive Metaboliten zu isolieren. Es kann angenommen werden, dass das Überleben der Pflanzen an schwermetall-belasteten Standorten durch die enge Assoziation mit endophytischen Mikroorganismen (Pilze, Bakterien) erleichtert oder überhaupt erst ermöglicht wird. Solche endophytischen Mikroorganismen, u.a. endophytische Pilze, könnten ein hohes Potential aufweisen, bislang unbekannte bioaktive Verbindungen zu bilden, die der Wirtspflanze helfen, unter diesen schwierigen Bedingungen zu wachsen. Im Rahmen des Projekts sollen auch neue Kultivierungsmethoden für Pilze aus diesen Extremhabitaten entwickelt und etabliert werden. Es wird erwartet, dass unter veränderten abiotischen Stressbedingungen bei der Kultivierung dieser Pilze auch das Spektrum sekundärer Metaboliten entsprechend verändert wird. Dadurch werden neue Einsichten in die Bildung von Biomasse sowie von aktiven Verbindungen erwartet. Im Rahmen des Projekts sollen sowohl erste Untersuchungen zur chemisch/biologischen Qualitätssicherung aber auch zur Formulierung (unter Weiterentwicklung einer bestehenden Formulierungsplattform) vorgenommen werden, um damit eine Basis für nachfolgende Projekte zu legen. In einem solchen Projekt könnten Fragen der optimalen Formulierung der hier neu identifizierten, charakterisierten und isolierten bioaktiven Verbindungen speziell für den Pflanzenschutz, aber auch für kosmetische und pharmazeutische Anwendungen erfolgen.

Teilprojekt 1 - Isolierung, Identifizierung pflanzlicher und pilzlicher sekundärer Naturstoffe und Etablierung einer Screening-Plattform auf der Suche nach neuen antifungalen Verbindungen

Naturstoffe stellen eine wichtige Quelle für neue bioaktive Verbindungen dar und sind für pharmazeutische und landwirtschaftliche Unternehmen von großem Interesse. Für die Entwicklung neuer aktiver Verbindungen liefern sie wirksame Leitstrukturen. In den letzten Jahren wurden zahlreiche Publikationen veröffentlicht, die die Isolierung von Sekundärmetaboliten aus endophytischen Pilzen thematisieren. Diese Studien zeigen eindrucksvoll, dass Mikroorganismen über ein hohes Potentialverfügen, bioaktive Substanzen in einem kommerziell interessanten Maßstab zu produzieren. Die Hälfte aller Pharmazeutika und dreiviertel aller antibakterieller Wirkstoffe, welche in den letzten zwanzig Jahren auf den Markt gebracht wurden, basieren auf Leitstrukturen von Naturstoffen.

Der Fokus unserer Untersuchungen liegt speziell auf Ökosystemen, die durch extreme abiotische Bedingungen wie Hitze, Kälte oder einen hohen Salzgehalt gekennzeichnet sind. In jüngeren Veröffentlichungen wurde die hohe biologische und chemische Diversität von endophytischen Pilzen, die mit Pflanzen an extremen Standorten assoziiert sind, beschrieben. Die Kupferminen mit ihrem sehr hohen Gehalt an Schwermetallen zählen zu den Standorten, die eine hohe Anpassungsfähigkeit von Pflanzen an diese schwierigen Bedingungen voraussetzen. Bisher liegen mit Ausnahme symbiotischer arbuskulärer Mykorrhizapilze keine Untersuchungen über endophytische Pilze und deren Fähigkeit, Sekundäremetabiloten zu bilden, von den Schwermetallrasen-Gesellschaften der Kupferhalden vor.

Ziel dieses Projektes ist es, bioaktive Sekundärmetabolite für pharmazeutische und landwirtschaftliche Anwendungen in Form eines Mehrstufenprogrammes zu evaluieren. Die dafür bereits im Center of Life Sciences der Hochschule Anhalt etablierte Isolations- und Extraktion-Plattform pflanzlicher Sekundärmetaboliten soll dazu zielgerichtet modifiziert bzw. angepasst werden. Zudem soll eine Extraktions-, Screening und Formulierungs-Pipeline für bioaktive Naturstoffe, isoliert aus endophytischen Pilzen aus Wurzeln schwermetalltoleranter Pflanzengemeinschaften, entwickelt werden. Nach erfolgreicher Isolierung der endophytischen Pilze erfolgt eine funktionelle Charakterisierung der antifungalen Wirkung dieser Pilze gegen ausgewählte phytophathogene Pilze sowie die taxonomische Identifizierung dieser Endophyten. Für wirksame Pilzisolate werden entsprechende Kultivierung-, Aufschluss und Extraktions- und Trennverfahren zur Gewinnung und Identifizierung der bioaktiven Metaboliten entwickelt. Die Aufklärung der Struktur dieser aktiven Verbindungen sowie die Ermittlung der Struktur-Wirkungsbeziehung erfolgt anhand verschiedener analytischer Methoden wie (präparative) HPLC, NMR, GC-MS und LC-MS/MS.

Teilprojekt 2 – Isolierung, Identifizierung pflanzlicher und pilzlicher sekundärer Naturstoffe und Etablierung einer screening-Plattform auf der Suche nach neuen cytotoischen Verbindungen und Enzyminhibitoren

Sekundäre Naturstoffe aus Pflanzen und Pilzen stellen bedeutende Quellen auf der Suche nach neuartigen pharmazeutischen und kosmetischen Wirkstoffen dar aber auch zur Herstellung von Pflanzenschutzmitteln. Der Bedarf an aus pflanzlichem Material erhaltenen Chemikalien ist in den letzten Jahren kontinuierlich angestiegen. Diese Produkte besitzen jedoch oft komplexe Strukturen und eine Vielzahl funktioneller Gruppen, weshalb es einfacher und vor allem ökonomischer ist, sie durch Extraktion zu erhalten als durch Totalsynthese aus Vorläuferverbindungen petrochemischen Ursprungs. Dieser Zugang ist insbesondere auch nachhaltig. Die hohe und nach wie vor ansteigende Zahl an Publikationen über bioaktive Verbindungen aus Pflanzen, Bakterien, Pilzen und Algen unterstreicht die Bedeutung dieser Untersuchungen. So sind circa 50% aller aktiven pharmazeutischen Inhaltsstoffe der letzten 20 Jahre aus natürlichen Quellen erhalten worden oder von Naturstoffen abgeleitet. Die Anzahl solcher Wirkstoffe ist letztlich sogar noch größer, wenn bestimmte Indikationen betrachtet werden: Der Anteil an von Naturstoffen abgeleiteten Wirkstoffen im Bereich der Antikrebstherapie beträgt rund 74%, im Bereich antibakteriell wirksamer Verbindungen sogar 78%.

In den letzten Jahren konnte eine robuste Plattform zum Testen pflanzlicher Extrakte entwickelt und umgesetzt werden. Innerhalb dieses Projekts soll die existierende Plattform derart erweitert werden, dass ein von Bioaktivität geleitetes Screening von Rohextrakten möglich wird (z.B. durch die Verwendung von 96-well Mikrotiter-Platten in Kombination mit HPLC-ESI-MSⁿ aber auch durch Entwicklung von Schnelltests auf Basis von Farbreaktionen oder „hyphenated“ MS Techniken). Dies wird eine rasche Identifizierung neuartiger cytotoxisch wirkender Verbindungen ermöglichen (unter Verwendung von bis zu 20 unterschiedlichen, menschlichen Krebszelllinien) aber auch das Auffinden neuer Enzyminhibitoren (z.B. für Ureasen, Cholinesterasen, Carbanhydrasen und andere). Auf dieser Plattform werden zur Untersuchung cytotoxischer Aktivität sowohl Färbeverfahren wie auch Fluoreszenzmikroskopie, DANN-Laddering und FACS-basierende Methoden eingesetzt, während die Untersuchung der Verbindungen auf potentielle Enzyminhibition mittels UV-Vis-, Fluoreszenz- und Biolumineszenz-basierender Methoden erfolgt. Bioaktive Extrakte aus Gesamtpflanzen (oder Pilzen) aber auch Extrakte aus einzelnen Kompartimenten werden in die entsprechenden Einzelkomponenten aufgetrennt. Danach wird versucht, ausgehend von diesen Leitmolekülen durch chemische Modifikation Verbindungen zu erhalten, die sowohl höhere Aktivität, bessere Selektivität aber auch verbesserte Bioverfügbarkeit aufweisen.

Dr. Jochen Kumlehn (Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research) and
Prof. Dr. Holger B. Deising (Martin-Luther-University Halle-Wittenberg)

Industriepartner: KWS Saat SE

Innovativer Pflanzenschutz, besonders gegen phytopathogene Pilze, wie dem wichtigen Maispathogen Colletotrichum graminicola, ist unverzichtbar. Eine Möglichkeit zur Kontrolle von Schaderregern ist die wirtsinduzierte Geninaktivierung. Dabei produziert der Wirt doppelsträngige RNA, welche vom Pathogen aufgenommen wird und dort die Transkriptmenge von Genen reduziert. Ziel dieses Projektes ist die Ausstattung von Mais mit Transgenen, deren Produkte sich spezifisch gegen Fungizid-Zielgene in C. graminicola richten und so dessen Virulenz negativ beeinflussen.

Neben der Erzeugung Colletotrichum-resistenter Pflanzen sollen durch zielsequenzspezifische Mutagenese unter Verwendung RNA-vermittelter Cas-Endonuklease pilzliche Zielgene auf ihre Eignung für RNAi hin evaluiert werden.

Dr. Daniela Pufky-Heinrich (Fraunhofer CBP) und Prof. Dr.-Ing. Thomas Hahn (Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg)

Industriepartner: SunCoal, B+B Engineering

Aus Holz können durch die Depolymerisation von Lignin biobasierte phenolische Verbindung zugänglich gemacht werden. Durch die Spaltung des phenolischen Makromoleküls Lignin lassen sich Gemische aromatischer Synthesebausteine erhalten, die als direkter Rohstoff, z. B. für Phenol- Formaldehydharze, Polyurethane oder in Epoxiden eingesetzt werden können oder sich nach weiterer Auftrennung und Defunktionalisierung zu den klassischen Aromaten Benzol, Toluol, Xylol oder Phenol konvertieren lassen. Hierfür eignen sich unterschiedliche Verfahren wie Hydrolyse, oxidative und reduktive Spaltungen oder enzymatische Umsetzungen.

Der Prozess der basenkatalytischen Depolymerisation (engl. base-catalyzed depolymerization, BCD) von Lignin führt zur Hydrolyse der Ether-Bindungen im Ligninmakromolekül und dadurch zur Bildung von monomeren, dimeren und oligomeren alkylfunktionalisierten aromatischen Verbindungen. In wässrigen oder alkoholischen Systemen wird der BCD-Prozess bei Temperaturen von bis zu 350 °C und bei 250 bar durchgeführt. Am Fraunhofer CBP wurde die Skalierung dieses Verfahrens in den Pilotmaßstab erfolgreich durchgeführt. In einer mehrstufigen Prozessauslegung wurde das kontinuierliche Verfahren der chemischen Spaltung von Lignin und die anschließende Abtrennung und Aufreinigung der Aromatenfraktionen untersucht und optimiert. Mit einer Kapazität von bis zu 20 kg / h wird die alkalische Lösung prozessiert und anschließend kontinuierlich durch mechanische und thermische Trennverfahren aufgearbeitet.

Das Projekt umfasst die weiterführende wissenschaftliche Untersuchung der katalytischen Spaltung von Lignin, um ein tieferes Verständnis für den Reaktionsmechanismus während des Prozesses zu erlangen und so die Produktspezifikationen der Phenolderivaten definieren und die Skalierung abbilden zu können. Darüber hinaus sollen Entwicklung und Optimierungen von Aufarbeitungs- und Aufreinigungsmethoden zur selektiven Abtrennung der Wertprodukte durchgeführt werden. Mit dem Ziel den Technologiereifegrad des BCD-Verfahrens zu erhöhen und somit ein industrierelevantes Gesamtverfahren zu etablieren, müssen die Untersuchungen hinsichtlich eines material- und energieeffizientes Prozessdesign ausgelegt sowie die Bewertung und Umsetzung der technischen Machbarkeit einzelner Prozessschritte herausgestellt werden.

Klimawandel, Umweltschäden und die demographische Entwicklung machen eine verbesserte Nutzung biologischer Ressourcen erforderlich. Dies verlangt nach bioökonomischen Innovationen, d.h. technologischen und organisatorisch-institutionellen Innovationen bei der Nutzung biologischer Ressourcen. Eine Kosten-Nutzen-Bewertung von Innovationen kann sich nicht allein auf ihre technologische Wirksamkeit beschränken. Sie muss vielmehr auch ihre Wechselwirkungen mit dem Ökosystem sowie die Wert- und Risikoeinstellungen von Unternehmern, Verbrauchern und Bürger in einer wertpluralen demokratischen Gesellschaft berücksichtigen. Vor diesem Hintergrund widmet sich das Verbundprojekt zwei äußerst relevanten Aspekten: erstens der Anpassung von Landwirten an klimabedingte Produktionsrisiken und zweitens der Anpassung an Rahmenbedingungen, die durch Politikmaßnahmen mit dem Ziel der Internalisierung externer Effekte verändert wurden. Das Projekt verfolgt zudem das Ziel, die gesellschaftliche Relevanz der ökonomisch-sozialwissenschaftlichen Forschung im Bereich der Bioökonomie aufzuzeigen sowie Ansätze für eine weiterführende interdisziplinäre Forschung im Rahmen des „WissenschaftsCampus" zu identifizieren.

Teilprojekt 1 - Ökonomische Strategien zur Anpassung an klimabedingte Risiken – eine sektorale und regionale Analyse der Pflanzenproduktion in Deutschland.

Dieses Teilprojekt wird von Prof. Dr. Michael Grings (MLU-Halle) und Prof. Dr. Thomas Glauben (IAMO) betreut.

Nach Auffassung vieler Beobachter wird der zu erwartende Klimawandel von vermehrtem Auftreten extremer klimatischer Ereignisse begleitet sein, die in der Landwirtschaft vermutlich zu erhöhten Risiken durch vergrößerte Ertrags- und Preisschwankungen führen. Auch den landwirtschaftlichen Erzeugern in Deutschland werden dadurch erhebliche Anpassungsleistungen abverlangt werden, die deutliche Auswirkungen auf die Struktur des Agrarsektors haben können. Ein wesentlicher Aspekt der Anpassungsleistungen wird darin bestehen, den Ressourceneinsatz im Hinblick auf eine Reduzierung der Produktionsrisiken neu zu optimieren.

Im Rahmen des geplanten Forschungsprojekts soll mit Schwerpunkt im Bereich Pflanzenproduktion auf sektoraler und regionaler Ebene durch Abbildung von Produktionsentscheidungen unter Unsicherheit mit Hilfe ökonometrischer Methoden untersucht werden, welche Bedeutung zu erwartende klimatische Veränderungen auf die Produktionsstruktur, den Faktoreinsatz und die Einkommen im Agrarsektor Deutschlands haben können.

Teilprojekt 2 - Bioökonomische Innovationen und Politikfolgenabschätzungen

Dieses Teilprojekt wird von Prof. Dr. Norbert Hirschauer und Prof. Dr. Peter Wagner an der MLU betreut.

Anstelle verteilungspolitischer Ziele wird die Aufgabe der Agrarpolitik zunehmend darin gesehen, das Verhalten von Landwirten durch Veränderungen der Rahmenbedingungen zu steuern. Einerseits soll die Externalisierung von Kosten verhindert werden. Andererseits sollen Anreize gesetzt werden, dass externe, nicht über den Markt entlohnte Leistungen erbracht werden. Im Interesse einer "Smart Regulation" (vgl. COM/2010/0543) muss das Verhalten bei veränderten Rahmenbedingungen im Rahmen zuverlässiger Politikfolgenanalysen abgeschätzt werden.

Vor diesem Hintergrund verfolgt Teilprojekt II das Ziel, mit Hilfe experimenteller Verfahren (insbesondere Unternehmensplanspiele) die Bedeutung begrenzter Rationalität sowie ökonomischer und nicht-ökonomischer Verhaltensdeterminanten zu identifizieren. Hierdurch sollen Hinweise gewonnen werden, welche Verhaltensannahmen in welchen Kontexten zu vernünftigen Prognosen des Entscheidungsverhaltens führen. Untersucht werden die folgenden Situationen: 

• Investitionen zur Bioenergieerzeugung
• Umwidmung von Ackerflächen zu Kurzumtriebsplantagen
• Übernahme gentechnisch veränderter Pflanzen in das Produktionsprogramm
• Übernahme von Produktionsverfahren mit geringeren Stickstoffbilanzüberhängen.

Den Schwerpunkt der Sortenzüchtung bildeten über viele Jahre höhere Erträge und verbesserte Anbaukriterien. In neuerer Zeit liegt der Fokus dagegen auf Merkmalen wie Geschmack und gesundheitsfördernde Eigenschaften. Zu den beitragenden Faktoren gehören erhöhte Gehalte an sekundären Inhaltsstoffen.

Im vorliegenden Projekt wird das Potential anthocyanhaltiger Getreide untersucht, um eine gesunde Ernährung zu fördern. Kartierungs-Populationen von Weizen, Gerste und Roggen dienen dabei als Ausgangsmaterial für die Produktion von Pellets und Extrakten für Fütterungsexperimente. Der Einfluss von Umweltfaktoren auf den Gehalt an Anthocyanen wird ebenso analysiert wie die Wirkung eines erhöhten Gehaltes dieser Pigmente auf Ertragsparameter (Wachstum, Keimrate, Tausendkorngewicht). Ein weiterer Untersuchungspunkt ist die Stabilität der Anthocyane während des Verarbeitungsprozesses. Ebenso wichtig wie die biochemischen und molekularbiologischen Untersuchungen sind jedoch Analysen zur Akzeptanz unter den Verbrauchern bevor entsprechende Hochleistungssorten und Nahrungsmittel entwickelt werden. Dafür werden vom IAMO in Deutschland und Russland Marktanalysen zur Akzeptanz und Bereitschaft für diese Produkte einen Mehrpreis zu zahlen (WTP) durchgeführt.

Dieses Projekt verbindet dadurch erstmalig Fragen der technologischen Realisierbarkeit und der Verbraucherakzeptanz.

Teilprojekt 1 - Analyse potentieller gesundheitsfördernder Effekte von Anthocyanen in Getreidekaryposen unter Nutzung von Kartierungspopulationen

Dieses Teilprojekt wird am Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) Gatersleben in der AG Angewandte Biochemie durchgeführt und von PD Dr. Hans-Peter Mock und Dr. Anke Dittbrenner betreut.

Das Hauptziel dieses Teilprojektes ist es, experimentelle Belege für die mutmaßlichen gesundheitsfördernden Wirkungen von solchen Anthocyanen zu geben, die in Getreidekaryopsen angereichert sind. Die Untersuchungen werden an Kartierungspopulationen von Weizen, Gerste und Roggen durchgeführt, deren Elternlinien sich im Anthocyangehalt unterscheiden. Da Getreide einen Großteil unserer Ernährung liefert, könnte die Verwendung solcher Linien einen gewichtigen Beitrag zur Aufnahme dieser Pigmente liefern. Die möglichen gesundheitsfördernden Wirkungen werden an Tiermodellen untersucht (bereits etablierte Zusammenarbeit mit einem externen Kooperationspartner). Mit Hilfe von umfassenden Metabolitanalysen soll sichergestellt werden, dass sich die verwendeten Nahrungspellets nur im Anthocyangehalt unterscheiden. Bei der Herstellung der Pellets für Fütterungsexperimente sollen auch mögliche Prozessierungsschritte berücksichtigt werden (Temperierung bei der Herstellung von Flocken oder beim Backen).

Die veränderte Allokation von Vorstufen in die Biosynthese von Anthocyanen könnte sich auf die Akkumulation anderer Inhaltstoffe auswirken, und darüber hinaus auch Parameter wie z.B. Ertrag oder Keimungsrate beeinflussen. Diese Aspekte sollen unter Freiland- und Gewächshausbedingungen untersucht werden. Bei diesen Experimenten wird auch der Einfluss von Umweltbedingungen auf die Anthocyanakkumulation berücksichtigt.

Teilprojekt 2: Kauf- und Zahlungsbereitschaft von Konsumenten für Getreideprodukte mit erhöhtem Anthocyan-Gehalt

Dieses Teilprojekt ist am IAMO, Abteilung Agrarmärkte, angesiedelt und wird von Frau Dr. Ramona Teuber und Frau Dr. Viola Bruschi betreut.

Das Hauptziel dieses Teilprojektes ist die Analyse der potentiellen Verbrauchernachfrage nach Getreideprodukten mit erhöhtem Anthocyan–Gehalt. Hierzu werden Daten mittels Face-to-Face Interviews mit deutschen und russischen Verbrauchern erhoben, um sowohl den Kenntnisstand über Gesundheitseffekte von Anthocyanen als auch die Wahrnehmung und Akzeptanz gegenüber solchen Produkten zu ermitteln. Die Studie wird dabei die Kauf- und Zahlungsbereitschaft unter Berücksichtigung verschiedener Informationsszenarien untersuchen.

Die Befragungsergebnisse werden wertvolle Informationen für die Entwicklung von Marketingstrategien als auch für die Ableitung gesundheitspolitischer Empfehlungen liefern. In diesem Zusammenhang ist von besonderem Interesse, welche Effekte von unterschiedlichen „health claims" als auch unterschiedlichen Informationsszenarien ausgehen. Die Studienergebnisse werden zudem zum besseren Verständnis der Bedeutung kultureller Differenzen in der Esskultur auf die Wahrnehmung und Akzeptanz von funktionalen Lebensmitteln beitragen.

Weitere Informationen:
- http://www.athena-flora.eu/
- Journal Food Quality & Preference (July 2015)

- Food Quality and Preference (May 2016)

Dr. Wilfried Ehrenfeld und Frieder Kropfhäußer (Institut für Wirtschaftsforschung Halle) in Kooperation mit dem Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie und der OntoChem GmbH

Die Fähigkeit zu innovieren, stellt in Hightech-Industrien einen wichtigen Wettbewerbsfaktor dar. Unternehmen bedienen sich zunehmend neuer Organisationsformen und greifen auf vielfältige Kooperationsformen im Bereich der Forschung und Entwicklung (FuE) zurück, um im Wettlauf um neue Produkte und Dienstleistungen bestehen zu können. Die Unternehmen und Forschungseinrichtungen der pflanzenbasierten Bioökonomie (pBE) stellen diesbezüglich keine Ausnahme dar.

Eine genaue Definition der Technologien, Wissenschafts- und Wirtschaftsbereiche, die zur pflanzen-basierten Bioökonomie zählen, ist eine Grundvoraussetzung für die vertiefende Analyse wirtschaftlicher Entwicklungen sowie der damit einhergehenden Vernetzungsaktivitäten in der pBE. Eine Bestandsaufnahme, welche Unternehmen und Forschungseinrichtungen in diesem jungen Gebiet tätig sind (Definition und Population), existiert bisher nicht. Gleichzeitig erscheinen die Existenz neuer Allianzen, z. B. aus chemischer Industrie und Züchtungsforschung, die es früher so nicht gab, wahrscheinlich. Deren Bildung und Auflösung wurde bisher aber noch nicht exakt erfasst. Ebenso wenig wurden bisher Netzwerkstrukturen systematisch erfasst. Der Zusammenhang zwischen der Einbindung von Firmen im Innovationsnetzwerk der deutschen pBE und deren Innovationserfolg wurde bisher noch nicht vertiefend untersucht. Nicht nur die strukturelle Entwicklung des Innovationsnetzwerkes, sondern auch die Entstehung von räumlichen Clustern sowie eine Analyse ehemaliger und aktueller Trends bei Rohstoffen, Produkten und Technologien liefern wichtige Erkenntnisse für die Wissenschafts- und Wirtschaftspolitik. Einsichten über die kooperationsbedingten Faktoren des Innovationserfolges erlauben es, Handlungsempfehlungen für Manager und wirtschaftspolitische Entscheidungsträger abzuleiten. Ähnliches gilt für die Ergebnisse der naturwissenschaftlich-technologischen Analyse auf derselben Datengrundlage, die Aufschluss über Trends oder Interessen von Clustern, Firmen und Institutionen an bestimmten Rohstoffen, Technologien oder Produkten erschließen können.

Vor diesem Hintergrund ist es erforderlich eine Ontologie (Begrifflichkeiten und ihre strukturellen Beziehungen) der pBE zu entwickeln, auf deren Basis Rohstoffe und Produkte den Betrieben und Forschungseinrichtungen in diesem neuen Bereich zugeordnet werden können. Dies soll so erfolgen, dass im Projektrahmen weiterentwickelte automatisierte Prozesse (statistische Computeranalysen im Bereich Data- bzw. Textmining) aufgrund dieser Ontologien alle für die pBE relevanten Dokumente (bevorzugt Patent- und Publikationsdokumente) extrahieren und annotieren/gruppieren können. Zusammenfassend liegen dem Forschungsprojekt folgende Hauptziele zugrunde: (1.) Analyse der Eintritts- und Austrittsdynamik der zuvor identifizierten Organisationen, (2.) Untersuchung der Evolution von Innovationsnetzwerken in der pBE und (3.) ökonometrische Analyse des Einflusses von direkten und kombinierten Proximity-Effekten (geographical proximity, network proximity and technological proximity) auf den Innovationserfolg von Unternehmen.

Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Professur Ertragsphysiologie der Kultupflanzen (Dr. J. Müller); Leibniz-Institute für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) Gatersleben, Gruppe Bioinformatik (Prof. Dr. F. Schreiber)

Ausgehend von der "Nationalen Forschungsstrategie BioÖkonomie 2030" fokussiert das Vorhaben auf einen innovativen systembiologischen Forschungsansatz zur Erhöhung der Effizienz, Nachhaltigkeit und Umweltverträglichkeit bei der Nutzung von biologischen Res­sourcen der Nutzpflanzen zur Versorgung mit Nahrungsmitteln, Rohstoffen und auf rele­vanten Teilgebieten auch der Energiegewinnung aus Biomasse. In dem Projekt nutzen wir einen neuartigen multiskalierten systembiologischen Modellierungsansatz zur Erforschung der möglichen Ansatzpunkte und Strategien zur Verbesserung der Effizienz der Speicherung der photosynthetisch fixierten Strahlungsenergie in der pflanzlichen Biomasse. Multiskalierte Modellierung ist ein hochaktueller Ansatz, der in letzter Zeit in der Physik Technik, Biologie und anderen Disziplinen zunehmend Anwendung findet. Er ermöglicht die Vorhersage von emergenten Systemeigenschaften auf der Basis von Informationen – beziehungsweise Modellen – der untergeordneten Hierarchieebenen.

Abb. 1. Prinzip des neuartigen multiskalierten Modell­an­satzes, der mehrere genestete Skalen überspannt. Die Spannweite der verschie­denen Modelldomänen und der Abstraktionsgrad nehmen von der äußeren Modellschale her (Stoffhaushaltsmodelle) und hin zu den detaillierteren inneren Modellen im Zentrum (kinetische Modelle) ab.

Unser Ansatz kombiniert Modelle der metabolischen und physiologischen Prozesse unter-schied­licher Detailliertheit und überspannt mehrere strukturelle und temporäre Skalen (Abb. 1). In dem Projekt entwickeln wir eine erste Version eines derartigen Modellnetzwerkes und werden dessen Anwendung für die Bewertung von Optionen zur Optimierung der pflanzlichen Biomassebildung bewerten.

Einige wichtige Fragen die beantwortet werden sollen sind:

• Welche Maximalwerte von Wachstumsrate und Ertrag sind theoretisch erreichbar?
• Wie könnte die Effizienz metabolischer Netzwerke gesteigert werden?
• Wie hoch sind die biochemisch determinierten Produktionskapazitäten?
• Wie ließe sich die energetische Effizienz des Stoffwechsels steigern?

Gegenwärtig werden Simulationen zur Biomassebildung bei Gerste durchgeführt, bei denen zwei Entwicklungsstadien im Fokus stehen: die Vorblüte-Phase und die Haupt-Kornfüllungsphase, jeweils mit dem Ziel der Maximierung der vegetativen und generativen Biomasse. Dabei wurde auch die Möglichkeit der Optimierung des temporären Speicherverhaltens im Gerstenhalm untersucht. Diese Analyse bildet eine Grundlage für eine spätere Evaluierung der metabolischen und physiologischen Mechanismen, die die Kohlenstoffverteilung (partitioning) in der Pflanze kontrollieren. Dies soll es ermöglichen, Strategien für eine Optimierung mit dem Ziel einer Steigerung der Biomasse- und Ertragsleistung dieser bedeutenden Kulturpflanze zu evaluieren. Die Methode ist generisch und kann daher prinzipiell auch für andere Kulturpflanzen adaptiert werden.