Holzscheibe einer Pappel

Pappeln mit weniger Lignin: Biotreibstoffe aus Holz

Biotreibstoffe aus schnell wachsenden Bäumen, die keine Ansprüche an die Böden stellen und der Nahrungsmittelerzeugung keine Flächen wegnehmen. Schon wärs, doch um mehr Biotreibstoffe aus Holz zu erzeugen, müsste man dessen Hauptbestandteil ändern – die Lignozellulose. Weltweit wird daran geforscht, auch in Europa. Doch die Züchtung solche Bäume dauert ewig - wenn es überhaupt möglich ist. Mit den neuen Genome Editing-Verfahren könnte sich das grundlegend ändern. In Belgien beginnt gerade ein weiterer Freilandversuch mit gentechnisch veränderten Pappeln.

Pappeln, Forschung

Forschung an Pappeln: Wenn sie weniger Lignin enthielten und dafür mehr Zellulose, wären schnellwachsenden Bäume besser für die Herstellung von Biotreibstoffen geeignet. Doch bis dahin ist der Weg noch weit.

Foto: Pappeln im Gewächshaus des Institutes für Forstgenetik, Großhansdorf. Großes Foto oben: Holzscheibe einer Pappel, Matthias Fladung

Für Biotreibstoffe sind vor allem solche Pflanzen interessant, die in kurzer Zeit auf relativ kleinen Flächen viel Biomasse produzieren - und dabei nicht mit Nahrungspflanzen konkurrieren. Besonders schnell wachsende Bäume wie Pappeln oder Weiden bieten sich dafür an: Sie können auch an anspruchslosen Standorten wachsen, die für Nahrungspflanzen nicht geeignet sind. Das Problem: Der Hauptbestandteil verholzender Pflanzen ist Lignozellulose – ein komplexes Geflecht aus verschiedenen Biopolymeren: Zellulose, Hemizellulosen und Lignin. Um daraus Biotreibstoffe herstellen zu können, muss dieses äußerst stabile Stoffgemisch erst entwirrt und in kleinere Einheiten zerlegt werden. Einfach ist das nicht.

Zellulose und Lignin machen zusammen bis zu 80 Prozent der gesamten Pflanzenmasse aus. Lignin ist der Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände und damit eine der drei häufigsten organischen Verbindungen der Erde. Es sorgt für die Stabilität des Pflanzengewebes und schützt die Pflanze vor Schäden durch Schädlinge. Bei Bäumen kann der Ligningehalt bis zu 30 Prozent der Trockenmasse betragen, bei Gräsern liegt das Lignin deutlich weniger vernetzt vor als bei verholzten Pflanzen. Lignin ist eine der häufigsten organischen Verbindungen auf der Erde.

Für die Herstellung von Bioethanol oder anderen flüssigen Kraftstoffen ist jedoch nur die Zellulose von Interesse. Als Polysaccharid (Vielfachzucker) lässt sie sich mit Hilfe von Enzymen in kleinere Zuckermoleküle aufspalten, welche dann für die Bioethanolgewinnung genutzt werden können. Lignin hingegen - ein Makromolekül - ist aufgrund seiner komplizierten Struktur dafür nicht geeignet.

Um verholzte Pflanzen überhaupt zur Herstellung von Bioethanol verwenden zu können, muss die Zellulose zunächst vom Ligninanteil chemisch getrennt werden. Dieser Prozess ist energieaufwändig, teuer und belastet die Umwelt. Anschließend kann das Lignin verbrannt werden und so thermische Energie liefern. Der Zellulose-Anteil ist als nachwachsender Rohstoff nutzbar, nicht nur für Bioethanol, sondern auch um daraus Papier herzustellen.

Um aus pflanzlicher Biomasse effizienter Bioethanol gewinnen zu können, verfolgen Pflanzenforscher das Ziel, den Lignin-Anteil im Holz zu reduzieren und gleichzeitig den Zellulosegehalt zu erhöhen. Schon seit über 20 Jahren arbeitet man daran - anfangs vor allem mit Gentechnik, inzwischen verstärkt mit neuen molekularbiologischen Verfahren.

Konventionelle Züchtungsprogramme, bei denen verschiedene Elternlinien gekreuzt werden, sind schon wegen der langen Generationszeiten schwierig. Es dauert in der Regel mehrere Jahre, bis Bäume erstmals blühen und Nachkommen hervorbringen. Heute setzt man daher zunehmend auf die neuen Genome Editing-Verfahren. Mit ihnen sind gezielte Veränderungen einzelner Gene und DNA-Bausteine möglich. Wenn geeignete Ziele im Genom bekannt sind - Gene oder Genabschnitte, die den komplexen Stoffwechselweg zu Lignin steuern - können diese so „umgeschrieben“ werden, dass weniger Lignin und mehr Zellulose gebildet wird. Vor allem bei Bäumen würde eine erfolgreiche Anwendung von Genome Editing einen enormen Zeitgewinn bedeuten. Doch: Um die neuen Verfahren in der Pappelzüchtung zu etablieren, ist noch einiges an Forschung nötig.

Veränderte Pappeln im Freilandtest: Weniger Lignin, mehr Zellulose

Seit Mitte der 1990er Jahre wurden in der EU über vierzig Freisetzungen mit gentechnisch veränderten (gv-)Pappeln durchgeführt. Aktuell laufen noch vier Versuche, drei in Schweden und einer in Finnland. In Belgien startet das Vlaams Interuniversitair Instituut voor Biotechnologie (VIB) eine vierjährige Testreihe, bei dem es, wie bei den meisten anderen bereits laufenden Versuchen auch, vor allem um eine Senkung des Ligningehaltes geht. Die Wissenschaftler am VIB haben unter mit Hilfe von RNAi (RNA-Interferenz), eines zellulären „Abschaltmechanismus“, die Bildung eines bestimmten Enzyms (CSE) blockiert, welches an der Produktion von Lignin beteiligt ist. Als Folge bildet die Pflanze weniger Lignin. Außerdem ist das Ligninpolymer etwas anders zusammengesetzt als normalerweise. Beide Effekte machen es einfacher, das Holz aufzuschließen und führen zu einer verbesserten Zuckerausbeute. Versuche im Gewächshaus zeigten, dass die Pappeln bis zu 25 Prozent weniger Lignin und bis zu 13 Prozent mehr Zellulose enthielten.

Bei der aktuellen Freisetzung handelt es sich bereits um den dritten Freilandversuch des VIB mit gv-Pappeln. Auch in den vorherigen Versuchen ging es um eine veränderte Holzzusammensetzung, wobei jeweils ein anderes an der Lignin-Biosynthese beteiligtes Gen unterdrückt wurde, jeweils mit leicht unterschiedlichen Auswirkungen auf das Wachstum der Bäume.

Im Gewächshaus lassen sich mögliche Effekte, die das Abschalten einzelner Gene auf die Pflanzen haben, nur bedingt überprüfen, gerade bei Bäumen, die unter künstlichen Bedingungen schnell sehr hoch werden, während die Stämme dünn bleiben. Nur unter natürlichen Bedingungen, bei denen die Pflanzen Wettereinflüssen wie Wind und Regen, saisonalen Effekten und standorttypischen Bodeneigenschaften ausgesetzt sind, lässt sich ein möglicherweise langsameres Wachstum feststellen. Auch die Holzzusammensetzung kann unter Freilandbedingungen anders sein.

Ein weiteres VIB-Projekt nutzt die Gen-Schere CRISPR/Cas, um damit gezielt ein Schlüssel-Gen für die Lignin-Biosynthese zu blockieren. Die editierten Pappeln wiesen in Gewächshausversuchen einen um zehn Prozent reduzierten Ligningehalt auf, ohne dass das Wachstum der Bäume beeinträchtigt war. Der Zuckergehalt war um bis zu 41 Prozent höher als bei den unveränderten Vergleichspflanzen.