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„Die Pappel ist züchterisch noch lange nicht ausgereizt“

Schnell wachsende Bäume wie die Pappel haben ein großes Potenzial, Biomasse zur Erzeugung von Bioenergie zu liefern. Sie könnten auf Flächen angebaut werden, die für Nahrungspflanzen nicht in Frage kommen und so den „Teller-Tank-Konflikt“ entschärfen. Um Bäume für die Bioenergie-Nutzung zu optimieren, ist allerdings noch viel Forschung nötig. transGEN sprach mit Matthias Fladung vom Thünen-Institut.

Matthias Fladung

Prof. Dr. Matthias Fladung , stellvertretender Leiter des Institutes für Forstgenetik des Thünen-Institutes Großhansdorf. Er leitet den Forschungsbereich Genomforschung.

Pappeln im Gewächshaus

Biotreibstoff aus Plantagenholz ist sehr effizient: Bäume liefern viel Biomasse auf wenig Anbaufläche. Schnell wachsende Bäume könnten auf Standorten wachsen, die für Nahrungspflanzen nicht geeignet sind. Genutzt wird die Zellulose, die zu Alkohol vergoren wird. Allerdings enthalten Bäume sehr viel Lignin, das für die Festigkeit sorgt. Dieses muss von der Zellulose aufwändig getrennt werden. Weltweit wird deshalb daran geforscht, den Lignin-Anteil im Holz zu reduzieren.

Foto: Gewächshaus am Institut für Forstgenetik, Großhansdorf
Großes Foto oben: iStockphoto

transGEN: Welche Rolle könnten schnell wachsende Bäume wie die Pappel als Nachwachsender Rohstoff zur Erzeugung von Bioenergie zukünftig spielen?

Matthias Fladung: Schnell wachsende Baumarten wie beispielsweise die Pappel könnten zukünftig im Mix der erneuerbaren Energien durchaus eine bedeutende Rolle spielen. Pappeln mit höherer Biomasseleistung auf sogenannten Grenzertragsflächen - also auf Flächen, die für landwirtschaftliche Kulturen uninteressant sind - könnten dazu beitragen, die „Teller-Tank“-Diskussion ein wenig zu entschärfen, wenn dann in der Konsequenz weniger Nahrungspflanzen für die Bioenergie angebaut würden. Allerdings wird die Pappel auf solchen Standorten keine Rekordbiomasseerträge erreichen, weil sie bisher nicht für solche Standorte optimiert wurde. Generell ist festzuhalten, dass die Pappel - wie auch andere schnell wachsende Baumarten - züchterisch noch lange nicht ausgereizt ist. Wenn zukünftig die Pappelzüchtung weiter intensiviert wird und die Schwerpunkte sich mehr in Richtung einer effizienten Nährstoffnutzung oder einer höheren Verträglichkeit gegenüber Trockenheit und hohen Temperaturen verlagern würden, dann könnten Bäume gezüchtet werden, die auf nährstoffarmen Böden ein optimales Wachstum und somit einen optimalen Holzertrag bringen würden.

transGEN: Welche Eigenschaften versucht man im Hinblick auf die Bioenergienutzung zu verbessern? Und gibt es auch in Deutschland und Europa solche Bemühungen?

Matthias Fladung: In Deutschland stecken die Forstpflanzenzüchtung und insbesondere die Pappelzüchtung trotz einiger Bemühungen und Erfolge in den letzten Jahren leider immer noch in den „Kinderschuhen“. Zwar sind dank der Anstrengungen von Züchtern der Landesinstitute sowie auch unseres Thünen-Instituts einige neue Pappelklone mit verbessertem Wachstum auf den Markt gekommen, wichtige Züchtungsziele wie beispielsweise Krankheitsresistenz sind aber bisher sträflich vernachlässigt worden. Pappelholz wird primär für die Holzhackschnitzel- und Pellet-Herstellung verwendet und nicht für die Gewinnung von Bioenergie in flüssiger oder gasförmiger Form. In den USA, aber auch in Frankreich und Belgien wird dagegen seit vielen Jahren daran gearbeitet, die Zusammensetzung des Pappelholzes so zu modifizieren, dass daraus mehr und effizienter Bioethanol gewonnen werden kann.

transGEN: Wieso ist es sinnvoll für die Bioenergienutzung die Zusammensetzung des Holzes zu verändern?

Matthias Fladung: Pflanzliche Biomasse besteht vor allem aus Kohlenhydraten wie Zellulose sowie aus Lignin, einem Biopolymer, das vornehmlich bei verholzenden Pflanzen wie Bäumen die Festigkeit des Pflanzenkörpers bewirkt. Der Ligningehalt kann bei Bäumen bis zu 30 Prozent erreichen. Lignin ist ein äußerst komplexes Makromolekül, während die Zellulose ein einfach gebauter Vielfachzucker ist, der aus bis zu mehreren zehntausend Glukosemolekülen besteht. Mit Hilfe spezieller Enzyme lässt sich die Zellulose in Glukose-Einzelbausteine zerlegen, die das Ausgangssubstrat für die Vergärung zu Alkohol, also die Herstellung von Bioethanol ist.

In den USA sowie in Frankreich und Belgien versucht man bereits seit 20 Jahren, das Lignin im Holz zu reduzieren und gleichzeitig den Zellulosegehalt zu erhöhen. Die Ligninbiosynthese ist ein sehr komplizierter Stoffwechselweg, an dessen Ende das komplexe Molekül Lignin steht. In der Pappel wurden nun mit Hilfe gentechnischer Methoden verschiedene Enzyme der Ligninbiosynthese in ihrer Aktivität gedrosselt. Im Ergebnis wurden Pappel-Linien erhalten, die weniger Lignin und mehr Zellulose enthielten.

transGEN: Bisher muss ja das Lignin sehr aufwändig von der Zellulose getrennt werden…

Matthias Fladung: Stimmt, bisherige Verfahren zur Trennung von Lignin und Zellulose basieren auf einer Säure-Vorbehandlung der Biomasse, was teuer und umweltbelastend ist. Das betrifft auch die bisher erzeugten gentechnisch veränderten Pappeln. Einen völlig neuen Ansatz hat ein amerikanisch-schottisch-belgisches Forscherteam verfolgt. Diese Arbeitsgruppen haben in der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), einer kleinen und unscheinbaren aber in Biolaboren häufig genutzten Modellpflanze, ein Gen identifiziert, das maßgeblich an der Bildung des Lignins beteiligt ist. Es sorgt dafür, dass ein Schlüsselenzym der Ligninbiosynthese - Caffeoylshikimat Esterase, kurz CSE - gebildet wird. Wird das CSE-Gen ausgeschaltet, ist der Ligningehalt in den Pflanzen deutlich reduziert. Versuche zur Umwandlung der Zellulose zu Glukose ohne Säure-Vorbehandlung zeigten nun eindeutig, dass bei Pflanzen ohne CSE-Genfunktion bis zu viermal mehr Zellulose in Glukose umgewandelt wurde als bei Pflanzen mit funktionierendem CSE-Gen.

transGEN: Wenn man Lignin-Gehalt reduziert bzw. in den Ligninstoffwechsel eingreift, hat das nicht Auswirkungen z.B. auf das Pflanzenwachstum?

Matthias Fladung: In den vergangenen 20 Jahren wurden verschiedene Linien gentechnisch veränderter Bäume mit reduziertem Ligningehalt im Freiland getestet. Sie zeigten keinerlei negative Auswirkungen auf das Wachstum und die Fitness der Pflanzen. Möglicherweise sieht die Sache im Fall der gentechnisch veränderten Pflanzen ohne CSE-Genfunktion etwas anders aus. Hier haben die Forscher berichtet, dass die gentechnisch veränderten Pflanzen etwas kleiner sind als die nicht veränderten Artgenossen, was auf ein schwächeres Wachstum hinweist, das durch einen niedrigeren Ligningehalt verursacht wird. Auch wird die Frage zu klären sein, ob Pflanzensprosse mit geringerem Ligningehalt leichter durch Insekten attackierbar sind.

transGEN: Wenn man solche Eigenschaften wie den Ligningehalt verändern will, braucht man dann in jedem Fall gentechnische Methoden?

Matthias Fladung: In der Tat stellen die langen Generationszeiten und langen Jugendphasen bei Bäumen die Forstpflanzenzüchtung vor erhebliche Herausforderungen. So ist es tatsächlich nicht möglich, Bäume in dem gleichen Maße züchterisch zu bearbeiten, wie es beispielsweise bei Getreiden der Fall ist. Gentechnische Methoden stellen daher eine Möglichkeit dar, bei Bäumen komplexe Eigenschaften wie den Ligningehalt zu verändern, allerdings sind auch noch andere Möglichkeiten denkbar. Alternativen könnten genetische Verfahren wie zum Beispiel Tilling sein, bei dem die klassische Mutationszüchtung mit schnellen DNA-Analyse-Methoden kombiniert wird. Auch wenn sich damit eine Verkürzung der Züchtungszeit erreichen ließe, die Züchtung von ligninarmen-Bäumen würde dennoch viele Jahrzehnte beanspruchen. Möglicherweise könnte zukünftig eine Kombination von Gentechnik und Methoden wie Tilling eine Alternative darstellen. Mit dem Fast-Breeding-Verfahren etwa ist es möglich, eine Blütenbildung bereits nach einen Jahr - und nicht wie üblicherweise bei Bäumen erst nach sechs bis zehn Jahren - zu erreichen. Mit diesen früh blühenden Bäumen könnte ein zu Getreiden und anderen Nahrungspflanzen vergleichbares Züchtungsprogramm entwickelt werden, an dessen Ende ein Produkt steht, welches nachweislich keine fremden Gene mehr enthält.

transGEN: Vielen Dank für das Gespräch