Als Integrative Pflanzen Wissenschaft (Integrative Plant Science) wird ein noch relativ junger Wissenschaftszweig bezeichnet, der sich mit der Molekularstruktur der Pflanzen beschäftigt. Anhand von Modellen molekularbiologischer Abläufe erklärt die Integrative Pflanzenwissenschaft das biologische System der Pflanzen. Dazu werden fundierte Kenntnisse aus anderen Wissenschaften, wie der Chemie, der Geographie, der Geologie, der Systemtheorie und der Mathematik, benötigt. Zudem beeinflussen die Forschungsergebnisse der Integrativen Pflanzen Wissenschaft viele andere Wissenschaftsgebiete, wie die Medizin, die Pharmakologie und die Genetik.
Für viele der wichtigsten und global nachhaltig wirkenden Innovationen im medizinischen, technologischen und wirtschaftlichen Bereich bildet die Integrative Pflanzen Wissenschaft die essentielle Grundlage. Andererseits fordert der ständige Erkenntniszuwachs in den mit der Integrativen Pflanzen Wissenschaft in Zusammenhang stehenden Wissensgebieten zur immer tieferen Auseinandersetzung mit diesem speziellen Zweig der Naturwissenschaften heraus. Mit Integrativer Pflanzen Wissenschaft beschäftigen sich Universitäten, Hochschulen und andere Bildungs- und Forschungseinrichtungen in Ländern wie Belgien, China, Deutschland, Holland, der Schweiz und den USA.
Begriff und Wesen der Integrative Pflanzen Wissenschaft
Die Integrative Pflanzen Wissenschaft ist mathematisch orientiert. Der Computer gehört zu den wichtigsten Werkzeugen dieses interdisziplinären Fachs, das sich unter anderem mit der computergestützten Simulation biochemischer Prozesse pflanzlicher Organismen beschäftigt und aufzeigt, wie sich diese während der Evolution verändert haben.
Der Begriff der Integrativen Pflanzen Wissenschaft existiert erst seit einigen Jahrzehnten. Dieser Wissenschaftszweig, der auch Systembiologie der Pflanzen genannt wird, ist eine Disziplin am Schnittpunkt von Biologie, Mathematik und Informatik. Die Integrative Pflanzen Wissenschaft untersucht das System der Lebensfunktionen von Pflanzen und die einzelnen Elemente, die diese Funktionen ermöglichen. Darüber hinaus versucht die Integrative Pflanzen Wissenschaft vorher zu sagen, was geschieht, wenn der Ablauf biochemischer Prozesse in der Pflanze durch äußere Einflüsse gestört wird. Dazu werden sowohl mathematische als auch experimentelle Ansätze genutzt.
Die Integrative Pflanzen Wissenschaft hilft, alle Interaktionen zwischen den einzelnen Komponenten des biologischen Systems von Pflanzen zu verstehen. Außerdem gehört die Beschreibung und Analyse aller Pflanzenbestandteile zu den Aufgaben der Integrativen Pflanzen Wissenschaft. Sie erklärt, auf welche Weise die Interaktionen der pflanzlichen Moleküle die Funktionen der Zelle regulieren. Alle gewonnenen Erkenntnisse können in mathematische Modelle übersetzt werden. Die Modellierung bestimmter Systeme von pflanzlichen Organismen dient in der Forschung beispielsweise dazu, das Verhalten eines solchen Systems unter geänderten Bedingungen, sowie seine Reaktion auf extreme Reize, vorher zu sagen.
Die Geschichte der Integrativen Pflanzen Wissenschaft von den Ursprüngen bis zur Gegenwart
Die Integrative Pflanzen Wissenschaft gehört zu den Schlüsselwissenschaften des 21. Jahrhunderts. Ihre Geschichte ist eng mit der Geschichte der Systembiologie verbunden, die auch Integrative Biologie genannt wird. Der Grundstein für die Forschungsarbeit in Fachgebieten, zu denen die Integrative Pflanzen Wissenschaft gehört, wurde 1952 mit dem mathematischen Modell einer Nervenzelle gelegt. Das war die erste Simulation eines Lebensprozesses auf der Basis von Funktionsgleichungen.
Seit den 60er Jahren hat sich ein Forschungszweig der Biologie etabliert, der sich mit mathematischen Modellierungen und Simulationen von Lebensprozessen beschäftigt. Seitdem wird der Begriff Systembiologie für diesen Wissenschaftsbereich gebraucht. In den 90er Jahren wurden mithilfe der Systembiologie große Fortschritte in der Erbgutforschung gemacht. Parallel zur dabei entstandenen Datenflut entwickelten sich die computergestützten Möglichkeiten, diese zu verarbeiten. Durch die inzwischen verbreitete Nutzung des Internets ist es mittlerweile Wissenschaftlern an fast allen Orten der Welt möglich, erzeugte Daten, die beispielsweise den Zellstoffwechsel bestimmter Pflanzen betreffen, gemeinsam zu nutzen. Die Computermodellierung ermöglicht Experimente in einem Umfang, der die Kapazitäten jedes Labors sprengen würde.
In Deutschland und Europa existieren verschiedene Projekte zur Förderung der Systembiologie und der Integrativen Pflanzen Wissenschaften. Sie werden beispielsweise an den Universitäten von Potsdam, Freiburg und Magdeburg, teilweise in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut, umgesetzt. Das Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie ist gegenwärtig an interdisziplinären Forschungsaktivitäten beteiligt, die dazu beitrugen, an der Universität Potsdam die Forschungseinheit Systembiologie der Pflanzen zu etablieren. Sie beschäftigt sich unter anderem mit der Veränderung des Photosyntheseprozesses durch Umwelteinflüsse. Die Forschungseinheit ist auf dem Weg, sich zu einem führenden Zentrum der Integrativen Pflanzen Wissenschaft zu entwickeln.
Das Studium der Integrativen Pflanzen Wissenschaft
Die Ausbildung im Bereich Integrative Pflanzen Wissenschaft findet, auf Grund der Verzahnung verschiedener Disziplinen und der fachübergreifenden Komplexität innerhalb dieses Wissenschaftszweigs, in der Regel im Rahmen eines Universitätsstudiums statt. Die Studenten werden in Fächern wie Molekularbiologie, Pflanzenbiochemie und Bioinformatik ausgebildet. Während des Studiums haben die Studenten Gelegenheit, verschiedene Praktika, beispielsweise zur molekularen Pflanzenphysiologie, zu absolvieren. Die praktische Forschungsarbeit dient der Lösung aktueller Schlüsselprobleme der Pflanzenbiologie. Innerhalb der Praktika werden die Teilnehmer mit molekularbiologischen Techniken, die unter anderem bei der DNA-Analyse Anwendung finden, vertraut gemacht. Auf diese wissenschaftliche Tätigkeit aufbauend, bieten die Forschungseinrichtungen den Studenten oft die Möglichkeit an, sich für eine Diplom- oder Projektarbeit anzumelden.
In der Regel besteht für Studenten der Integrativen Pflanzen Wissenschaft das Angebot, in aus internationalen Teilnehmern zusammengesetzten Seminargruppen zweisprachig, in Deutsch und Englisch, zu lernen. Der Studienplan kann individuell, auf der Grundlage der bisherigen Ausbildung, zusammengestellt werden. Das Studium der Integrativen Pflanzen Wissenschaft wird als Aufbaustudium für Absolventen eines Bachelorstudiums in Informatik, Biologie, Bioinformatik oder Systembiologie empfohlen. Auch für Absolventen anderer Fachrichtungen, wie Molekularbiologie, Biotechnologie, Lebensmittelchemie, Agrarökonomie oder Medizin, in denen Kenntnisse der Biologie oder Informatik vermittelt werden, kommt ein Studium der Integrativen Pflanzen Wissenschaft infrage. Zu den Studieninhalten gehören theoretische und praktische Aspekte der Zellbiologie, Genetik, Biochemie und Physiologie der Pflanzen. Diese Fächer werden unter Einbeziehung aktueller globaler ökologischer Aspekte gelehrt.
Aufbau, Ablauf und Inhalt des Studiums
Integrative Pflanzen Wissenschaft ist ein Masterstudiengang, der mit einer Dissertation abgeschlossen werden kann. Voraussetzung ist in der Regel ein vorangehendes sechssemestriges Bachelorstudium. Während der ersten zwei Semester findet ein Grundlagenstudium statt, in dem Basiskenntnisse in fachbezogener Biologie, Mathematik, Physik und Chemie vermittelt werden. Darüber hinaus können sich die Studenten in dieser Zeit zusätzlich zwischen verschiedenen Wahlfächern entscheiden. Am Ende und während des Grundstudiums werden alle belegten Fächer geprüft.
Während des folgenden Aufbaustudiums, das das zweite und dritte Studienjahr umfasst, wird modularer Unterricht in Biologie, physikalischer und biophysikalischer Chemie, sowie in organischer Chemie angeboten. Die verschiedenen Lehrveranstaltungen des Bachelorstudiums, zwischen denen teilweise gewählt werden kann, beinhalten:
- Struktur und Aufbau der Pflanzen und Tiere,
- Vielfalt der Mikroorganismen,
- Zellbiologie,
- Molekularbiologie,
- Evolution des Lebens,
- Naturschutz,
- Neurobiologie,
- und Immunologie.
Der anschließende Masterstudiengang, der vier Semester umspannt, widmet sich konkret der Integrativen Pflanzen Biologie. Während dieses Bildungsgangs kann für jeden Studenten ein Doktorprogramm aufgestellt werden. Die Teilnahme an den Lehrveranstaltungen ist direkt oder mithilfe eines E-Learning-Programms möglich. Idealerweise beteiligen sich die Studenten in Gruppen an einem Projektunterricht. Innerhalb dieser Forschungsgruppen können während der ersten Monate des Studiums die Doktorantenprogramme erörtert und strukturiert werden.
Während des Studiums verpflichtet sich jeder Student, eine gewisse Anzahl Punkte zu sammeln. Grundsätzlich kann aus mehreren praktischen und theoretischen Lernangeboten gewählt werden, die zum Sammeln dieser Punkte dienen. Auch die Teilnahme an externen Projekten oder Forschungsarbeit in auswärtigen Labors kann in die Studienzeit eingerechnet und mit Punkten belohnt werden. Am Ende jedes Studienjahrs, also nach 12 und nach 14 Monaten, erbringen die Studenten einen mündlichen und schriftlichen Zwischenbericht über ihre bisherige Arbeit.
In den verschiedenen Lehrveranstaltungen und Projekten können Studenten mit unterschiedlichen wissenschaftlichen Hintergründen eine gemeinsame Wissensbasis erreichen. Studenten, die bereits über ein umfangreiches Wissen in Biologie verfügen, besuchen Kurse wie „Informatik für Naturwissenschaftler“ oder „Netzwerkbetrieb für Naturwissenschaftler“. Wer dagegen schon über ein hohes Informatikwissen verfügt, kann beispielsweise Kurse über funktionelle Biologie, Molekularbiologie oder Evolutionsbiologie belegen. Der Schwerpunkt der Ausbildung liegt jedoch auf integrativen Fächern wie algorithmische Bioinformatik, statistische Bioinformatik, Bioinformatik biologischer Sequenzen oder theoretische Systembiologie.
Zum Lehrplan gehören Vorträge, Seminare und praktische Kurse, zwischen denen die Doktoranten wählen können. Alle diese Aktivitäten verfolgen das Ziel, die Studenten bei der Durchführung ihrer eigenen wissenschaftlichen Projekte zu unterstützen und ihnen Fertigkeiten im Umgang mit zeitgemäßer Kommunikationstechnik zu vermitteln. Die Doktoranten sind bereits während ihres Studiums als junge Forscher geschätzt und anerkannt.
Im einzelnen haben die Lehrgebiete der Integrativen Pflanzen Wissenschaft folgendes zum Inhalt:
Molekularbiologie:
- Vermittlung von Kenntnissen über die Struktur und die Kontrolle der Gene, sowie Verfahren der Gentechnik und Besonderheiten der Genregulation
Pflanzenphysiologie:
- Vermittlung grundlegender Kenntnisse der Bewegungs- und Entwicklungsphysiologie der Pflanzen, Kennenlernen des Zellstoffwechsels
Modul „Das System Pflanze“:
- Vertiefung der Kenntnisse über das System Pflanze. Dazu gehören die verschiedenen morphologischen, zellulären, physiologischen und molekularen Prozesse während der Entwicklung und des Wachstums der Pflanzen und die Photosynthese
- Darstellung von Nährstoffströmen
- Beschreibung der Blattentwicklung, Wurzelbildung, Fruchtbildung und Blütenbildung
Ausbildungsziel
Das Studium der Integrativen Pflanzen Wissenschaft versetzt Studenten in die Lage, fachübergreifende Forschungen im Bereich der Molekular- und Systembiologie der Pflanzen zu betreiben und ihre eigenen Forschungsprojekte in Angriff zu nehmen. Das Ziel des internationalen Doktoranten-Programms „Integrative Plant Science“ ist es, junge Wissenschaftler zur selbstständigen Durchführung solcher Projekte zu befähigen. Während des Studiums und der Praktika werden sie mit aktuellen Fragestellungen der Integrativen Pflanzen Wissenschaft konfrontiert und dazu angeregt, neue Forschungsprojekte zu initiieren.
Die Verknüpfung verschiedener Wissenschaftszweige, wie Biochemie, Biostatistik, Bioinformatik, Pflanzenphysiologie und Molekularbiologie der Pflanzen, lässt einen integrativen Ansatz zur Untersuchung des Systems Pflanze entstehen. Während des Promotionszeitraums können den Studenten verschiedene Fördermöglichkeiten angeboten werden. Die Promotionsausbildung schließt für sie den Zugang zu den neuesten Technologien ein. Durch das Erlernen einer Vielzahl methodischer Ansätze erlangen die Doktoranten Fähigkeiten, die sie während ihrer weiteren wissenschaftlichen Laufbahn benötigen.
Studierende der Integrativen Pflanzen Wissenschaft können später in allen Bereichen der Wirtschaft und Forschung tätig sein, in denen biochemische, biophysikalische, molekulargenetische, zellbiologische, mikrobiologische, neurobiologische und strukturbiologische Kenntnisse benötigt werden. Absolventen dieser Studienrichtung finden mit ihrem Wissen über Lebensprozesse und ihren mathematischen und analytischen Fähigkeiten ihr Aufgabengebiet nicht nur im engeren Umkreis der Pflanzen Wissenschaft, sondern auch in der privaten Wirtschaft und in staatlichen Institutionen. Mögliche Arbeitsgebiete sind die Grundlagen- und angewandte Forschung, öffentliche Aufgaben sowie Beratungstätigkeiten. Auch in die internationale Entwicklungszusammenarbeit können sich Wissenschaftler der Fachrichtung Integrative Pflanzen Wissenschaft auf vielfältige Weise einbringen.
Zum Studium der Integrativen Pflanzen Wissenschaft
Im Gegensatz zu verschiedenen anderen Studiengängen kann Integrative Pflanzen Wissenschaft nicht in einem Fernstudium belegt werden. Da dieser Studiengang in seiner Thematik derart komplex und praxisbezogen ist, kann hier nicht, wie beispielsweise bei dem Bachelor of Law, auf ein Fernstudium ohne Anwesenheitspflicht, also ein Präsenzstudium, zurückgegriffen werden.
Eine der grundlegenden Studien Voraussetzungen ist aber ein sechssemestriges Bachelorstudium welches beispielsweise per Fernstudium neben der Arbeit her absolviert werden kann. Aufgrund der nicht vorhandenen Anwesenheitspflicht ist diese Art des Studiums aber nur für sehr disziplinierte und engagierte Studenten geeignet die sich selbst immer wieder zum studieren motivieren können ohne eine längere „Durststrecke“ zu haben. Die abgeschlossenen Aufgaben werden anschließend per Mail oder auch postalisch dem jeweiligen Dozenten und Tutor zugesendet sodass dieser sie korregieren und benoten kann. Jedem Studenten wird, wie auch bei einem Präsenzstudium, ein Tutor zugewiesen welcher Hilfestellungen bei verschiedensten Fragen gibt und bei Aufgaben und längeren Projektarbeiten weiterhilft. Nach dem Abschluss des Bachelorstudiums kann somit auf klassische Weise ein Studium der Integrativen Pflanzen Wissenschaft mit den verschiedensten Schwerpunkten wie unter anderem auch Biochemie, Zellbiologie oder auch Mikrobiologie abgeschlossen werden.
Durch den hohen Praxisanteil werden die Studenten zudem zu eigenständigem Handeln und Hinterfragen animiert sodass Sie bestehende Prozesse analysieren und verbessern, da ihr Studium neben dem biologischen, chemischen und physikalischen Anteil einen hohen analytischen und mathematischen Schwerpunkt enthält. Anwendung findet dieses Studium daher in der Forschung, Wirtschaft und Pharmaindustrie.
Bedeutung und Wege der molekularbiologischen Forschung
Durch den globalen Klimawandel und die infolgedessen schwindende Artenvielfalt ist in Zukunft die Nahrungsmittelversorgung der Weltbevölkerung bedroht. Viele Pflanzen, deren Früchte, Samen, Blätter oder Wurzeln schon seit Jahrtausenden in die Nahrungsmittelkette des Menschen einfließen, können möglicherweise unter den veränderten klimatischen Bedingungen nicht mehr wie gewohnt wachsen und gedeihen.
Eine der auf diese Weise bedrohten Nutzpflanzen, ist die ursprünglich aus Kleinasien stammende Kichererbse, die der Mensch schon seit rund 8.000 Jahren kultiviert hat. Noch heute gehört die, in unseren Breiten relativ unbekannte, große dunkelgelbe Erbse zu den wichtigsten Grundnahrungsmitteln der Mexikaner und Inder. Die traditionellen Anbaugebiete dieser mit der grünen Erbse nicht näher verwandten Hülsenfrucht befinden sich in Indien, der Türkei, Pakistan, Afghanistan, Tadschikistan, Nordafrika und Mexiko. Doch viele Kleinbauern bauen wegen sinkender Ernteerträge schon seit Jahren keine Kichererbsen mehr an.
Damit die Aufzucht dieser alten Kulturpflanze auch in den kommenden Jahren nicht zum Erliegen kommt, wird ein Samen benötigt, der gegen Trockenheit und Krankheiten besonders resistent ist. Deshalb machte es sich ein australischer Pflanzenforscher und Ernährungswissenschaftler zur Aufgabe, einen äußerst wiederstandsfähigen Kichererbsensamen zu finden, wie ihn die Vorfahren der heutigen Ackerbauern benutzten. Doch selbst in den entlegendsten Bergdörfern Kleinasiens gibt es kaum noch Bauern, die noch so altes Saatgut aufbewahren.
Trotzdem begab sich der Forscher auf eine 2.000 Kilometer lange Reise durch Tadschikistan, dem Land, in dem früher solcher Samen verwendet wurde. Er untersuchte die Wildpflanzen der Gebirgsregionen und fragte Einheimische aus Dörfern, die vorher noch nie ein Fremder betreten hatte, nach altem Kichererbsensaatgut. Diese gründliche investigative Tätigkeit blieb nicht unbelohnt. Das lange gesuchte Saatgut konnte tatsächlich gefunden werden. Es ist für die Züchtung einer Kichererbsenpflanze, die anspruchslos und trotzdem ertragreich ist, ein unglaublich wertvolles Gen-Reservoir.
Mithilfe der Integrativen Pflanzen Wissenschaft ist es möglich, unseren heutigen Nutzpflanzen gegen Krankheiten, Stress, Pilzbefall und schädliche Umwelteinflüsse Resistenz zu verleihen. Trockenheit, starke Temperaturschwankungen, Stürme, Überflutungen, Hitze und intensive UV-Strahlung sind Extreme, die der globale Klimawandel mit sich bringt. Sie gefährden jedes Jahr die Ernten vieler Getreidearten. Zudem führt die intensive Düngung in der Landwirtschaft zur zunehmenden Versalzung der Böden.
Umweltprobleme solcher oder ähnlicher Art gibt es nicht erst seit der Erfindung der Massenmedien, sondern sie existierten auch schon in früheren Zeiten. Pflanzen haben gegenüber Tieren und Menschen den Nachteil, vor sich verschlechternden Umweltbedingungen nicht davonlaufen zu können. Im Laufe der Evolution mussten sie deshalb versuchen, sich durch Anpassung und Mutation zu schützen.
Pflanzliche Organismen besitzen die Fähigkeit, sehr schnell auf veränderte und schädliche Umwelteinflüsse zu reagieren. Sonst würden ihre Zellen irreparabel zerstört. Dabei ist eine gute Signalaufnahme von Nutzen. Deshalb verfügt jede Pflanze über besondere Reizleitungen. Sobald eine Pflanze mit deren Hilfe Reize verarbeitet, kommt es zu vielen Veränderungen in ihren Zellen. Auf diese Weise passt sie sich den veränderten Lebensbedingungen an.
Der selbe Mechanismus hilft der Pflanze, sich zu wehren, wenn sie von einem Krankheitserreger, wie einem Pilz oder einem Bakterium, befallen wird. Die empfangenen Signale gelangen sofort in den Zellkern, wo sie zur Abwehr des Erregers bestimmte Gene aktivieren. Es wurde sogar nachgewiesen, dass Pflanzen bei einer Erstinfektion mehr Eiweißmoleküle eines bestimmten Typs produzieren, als normalerweise. Diese spezifischen Eiweiße bilden von da an lebenslang die Immunabwehr der Pflanze. Auf diese Weise baut die Pflanze Kräfte auf, die sie gegen einen späteren wiederholten Erregerbefall resistenter machen. Wenn eine Pflanze einmal diese verbesserte Resistenz besitzt, werden die Signale einer drohenden Gefahr noch schneller in den Zellkern geleitet als sonst, sodass die Abwehr sofort beginnen kann.
Die Fähigkeit, eigene Abwehrkräfte aufzubauen, ist besonders bei noch nicht sehr lange kultivierten Pflanzen und Wildpflanzen stark ausgeprägt. Viele Nutzpflanzen hingegen, die schon seit Jahrtausenden gezüchtet werden, haben diese Eigenschaft im Laufe der Jahre verloren. Erst die heutigen Möglichkeiten der Integrativen Pflanzen Wissenschaft erlauben es, die ursprünglichen Überlebenstricks und das Signalsystem der Pflanzen zu entschlüsseln. Dabei hilft die computergestützte Modellierung der molekularen Prozesse der Pflanzenzellen. Das Ziel dieser Forschungsarbeiten ist, die Abwehrmechanismen der robusteren Pflanzen ihren kultivierten und empfindlichen Verwandten zu implementieren. So können, mithilfe der Gentechnik, Nutzpflanzen wie Soja und Weizen künftig gezielt gegen Krankheitserreger und gegen Schädigungen durch Umwelteinflüsse resistenter gemacht werden.
Internationale Zusammenarbeit
Viele der führenden Industriestaaten haben erkannt, welche immense Bedeutung der Integrativen Pflanzen Wissenschaft vor allem bei der Lösung der durch Umweltverschmutzung und Klimawandel verursachten globalen Probleme zukommt. Deshalb hat sich gerade in China, das in seinen Ballungsgebieten mit erheblicher Umweltverschmutzung zu kämpfen hat, in den letzten Jahren die Pflanzentechnologie sehr stark entwickelt.
Das Genome Center in Peking ist dementsprechend auch besser und leistungsstärker als die meisten vergleichbaren Forschungseinrichtungen in Europa. Die dort beschäftigten Wissenschaftler verfügen über enorme Datenmengen, die die Gesamtheit der pflanzlichen Gene betreffen. Was die Verarbeitung dieser Daten betrifft, kommen den Pekinger Wissenschaftlern Chinas herausragenden Kapazitäten auf dem Feld der Computertechnologie zugute. Eine Pflanze, die in Peking und an anderen Forschungsstandorten der Welt, besonders häufig zur computergestützten Modellierung der pflanzlichen Molekularstruktur verwendet wird, ist die Ackerschmalwand. Dieses Wildkraut ist deshalb ein Ideales Forschungsobjekt für die Integrative Pflanzen Wissenschaft, weil bereits ihr gesamter genetischer Schaltplan bekannt ist, der aus etwa 30.000 Genen besteht. Neben dem Reis, war die Ackerschmalwand lange die einzige Pflanze, deren Gene vollständig entschlüsselt sind.
Doch auch das Kleine Blasenmützenmoos wird oft als Modell für pflanzenwissenschaftliche Forschungen genutzt. Gemeinsam mit Biologen aus den USA und aus Japan stellten sich kürzlich europäische Biowissenschaftler der Herausforderung, das Erbgut dieses Mooses zu erforschen, das zu den ältesten Landpflanzen der Erde zählt. Es gilt als eine der Pflanzen, die vor etwa 450 Millionen Jahren den Übergang vom Wasser zum Land vollzogen haben. Von der Ackerschmalwand ist das Kleine Blasenmützenmoos also entwicklungsgeschichtlich so weit entfernt wie der Mensch vom Fisch. Die Wissenschaftler kombinierten die Ergebnisse, die ihre chinesischen Kollegen bei der Erforschung der Ackerschmalwand gemacht haben, mit den Untersuchungen am Kleinen Blasenmützenmoos und es gelang, das Genom des uralten Mooses vollständig zu entschlüsseln. So kann man jetzt die Gesamtheit der Gene einer Pflanze aus der Perspektive der Evolution betrachten.
Doch damit fangen die Forschungen am Kleinen Blasenmützenmoos erst an. Die Wissenschaftler wollen mit dem Modellorganismus dieser Pflanze die Arzneimittelproduktion vereinfachen. Zudem entdeckten deutsche Forscher im Kleinen Blasenmützenmoos das Eiweiß, das Informationen schnell in den Zellkern leitet und konnten die Arbeitsweise dieses Proteins modellieren. Während der Signalweiterleitung läuft folgender Prozess ab: Das Eiweiß pumpt Kalzium-Ionen in kleine, als Vorratspeicher dienende Hohlräume, der Mooszellen. Auf diese Weise kann die Pflanze ihren Kalziumspiegel regulieren und sich auf ein veränderte Salzkonzentration im Boden einstellen. Es wurde also ein Eiweiß gefunden, mit dessen Hilfe die Pflanze auf versalzten Böden überleben kann.
Diese Eigenschaft macht das Kleine Blasenmützenmoos für die Nutzpflanzenentwicklung interessant. Zudem besitzt des Moos eine Resistenz gegen Trockenheit, deren Übertragung auf Kulturpflanzen sehr erstrebenswert wäre. Darüber hinaus verfügt die Pflanze über ursprüngliche Stoffwechselwege für Vitaminsynthesen und Synthesen ungesättigter Fettsäuren. Dieser Syntheseweg für ungesättigte Fettsäuren soll nun auf Raps übertragen werden. Auf diese Weise wird sich der Gesundheitsfaktor des Rapsöls noch weiter erhöhen.
Forschungsziele
Zu den Schlüsselzielen der Integrativen Pflanzen Wissenschaft gehört die umfassende Analyse der Photosynthese und die Anpassung ihrer Abläufe an sich ändernde Umweltbedingen. Die dazu notwendigen Untersuchungen werden mithilfe einer modellierten Grünalge durchgeführt. Die anhand der Arbeit mit einem solchen einfachen Organismus gewonnenen Erkenntnisse sollen später auf höhere Pflanzen, insbesondere auf Nutzpflanzen, angewendet werden und die Grundlage der weiteren Forschung bilden. Die Photosynthese spielt für das schnelle Wachstum der Pflanzen und eine ertragreiche Ernte eine wesentliche Rolle. Doch noch wichtiger ist, dass sie einen entscheidenden Einfluss auf die Erhaltung der Artenvielfalt und des ökologischen Gleichgewichts hat. Deshalb ist die Photosynthese ein bedeutender Faktor für die Qualität der Biosphäre der Erde, die wiederum die Beschaffenheit der Atmosphäre beeinflusst, mit allen Folgen, die das für das globale Klima und den Treibhauseffekt hat. Die Kraft der Photosynthese kann die Biosphäre und die Atmosphäre positiv beeinflussen.
Die Photosynthese ist ein Prozess, der nur in einzelligen Algen und komplexeren mehrzelligen Grünpflanzen stattfindet. Sie kann deshalb nicht anhand von Modellen anderer Bio-Organismen simuliert werden. Ein Organismus, der sich vorzüglich zur Modellierung aller mit der Photosynthese verbundenen Vorgänge eignet, ist die Grünalge Chlamydomonas reinhardtii. Die Forschungsarbeiten mit diesem Einzeller beantworten nicht nur die Frage, wie ein solcher Organismus auf Licht reagiert, sondern es wird auch ergründet, wie sich Veränderungen der Mineralzusammensetzung des Wassers oder des Bodens auf ihn auswirken.
Es gibt zwei Hauptgründe, aus denen die Integrative Pflanzen Wissenschaft sich der Klärung dieser Fragen mithilfe einer einzelligen Alge nähert, und nicht die Stoffwechselvorgänge einer komplexer strukturierten Nutzpflanze modelliert: Erstens sind die zentralen Prozesse der Photosynthese der Algen, trotz der Evolution, im Wesentlichen immer noch die selben, die auch während der Photosynthese der höheren Kulturpflanzen ablaufen. Zweitens lassen sich an einem Einzeller die grundlegenden Prozesse des Wachstums und des Zellstoffwechsels viel klarer analysieren, als an einem komplizierteren, multifunktionelleren Organismus. Bei der Grünalge können genau die Prozesse beobachtet werden, die die wesentliche Grundlage der Photosynthese sind. Von ihnen ausgehend ist es möglich, die Funktionen der höheren Pflanzen genauer zu analysieren.
Die weiteren Forschungsarbeiten finden in zwei Phasen statt: In der ersten Phase werden aus den, während der Arbeit mit der Grünalge gesammelten, Informationen diejenigen herausgefiltert, die Zusammenhänge zwischen Umweltfaktoren und organischen Stoffwechselprozessen verdeutlichen, die auf die gleiche Weise bei der Photosynthese der höheren Kulturpflanzen vorhanden sind. Dazu gehören zum Beispiel die Wechselwirkung zwischen Lichtstärke, Temperatur und Wachstum sowie die Wechselwirkung zwischen Lichtaufnahme und Freisetzung von Sauerstoff.
In der zweiten Phase soll die Übertragbarkeit der Ergebnisse der Forschungsarbeit an der Grünalge auf höhere Kultur- oder Wildpflanzen getestet werden. Das geschieht durch die Analyse des Verhaltens dieser Pflanzen unter vergleichbaren Umweltbedingungen. Dabei gilt dem molekularen Mechanismen der Kultur- oder Wildpflanzen besondere Aufmerksamkeit. In dieser Phase wird getestet, inwiefern die Pflanzen bestimmte natürliche Gegebenheiten für sich nutzen können. Dabei kann durch Erstellung von Modellpflanzen, die grundverschiedene Eigenschaften haben, beobachtet werden, wie solche Pflanzentypen auf veränderte Umweltbedingungen reagieren.
Verwendet werden die Ackerschmalwand, ein robustes Wildkraut, und die Tomate, eine empfindliche Kulturpflanze. Beide haben sich auf natürliche Weise während einer langen Evolutionszeit ihren jeweiligen Lebensbedingungen angepasst. Dabei konnten sie auf verschiedene Art ihre Gene weiterentwickeln. Das ist entweder durch eine Verschmelzung von ursprünglichen Genen zu neuen oder durch Genmutation geschehen. Die Modellierung der heutigen Gene dieser beiden Pflanzen gibt Aufschluss darüber, welche Eigenschaften für sie zur Sicherstellung des photosynthetischen Prozesses, unter den Bedingungen ihrer jeweiligen Lebensräume, essentiell sind. Das Ziel dieser Forschungen besteht darin, Pflanzen zu züchten, die auf vorhandenen Böden und unter den zukünftigen klimatischen Verhältnissen gut gedeihen können.
Die Methoden der Integrativen Pflanzen Wissenschaft zur Analyse des pflanzlichen Alterungsprozesses
Wie bei fast allen Lebewesen, verläuft auch das Leben der Pflanzen zyklisch. Eine einjährige Pflanze bekommt nur einmal Blätter und Blüten, während sich bei einer mehrjährigen Pflanze dieser Vorgang ständig wiederholt. Sobald Pflanzen ihre Blätter nicht mehr benötigen, lassen sie sie in einem streng kontrollierten Abbauprozess sterben. Bevor es dazu kommt, sichern sie sich jedoch alle, für ihr weiteres Leben notwendigen, Eiweiße und Mineralstoffe, die in diesen Blättern enthalten sind. Die Ackerschmalwand, die ihre Blätter bereits vor der Blütenbildung abwirft, speichert diese Stoffe zunächst in den Blüten und später in den sich entwickelnden Samen. Auf diese Weise werden die lebenswichtigen Substanzen sogar an die nächste Generation weitergegeben.
Das baldige Absterben der Blätter löst in Pflanzen ein bestimmtes Signal aus, das ihnen anzeigt, dass die Zeit gekommen ist, sich zurück zu bilden. Mit den Methoden der Integrativen Pflanzen Wissenschaft kann erforscht werden, welche komplizierten genetischen Prozesse das bewirken. Zudem kann herausgefunden werden, wie sich die Aktivitäten der Gene bei den alternden Pflanzen verändern.
Hauptsächlich findet die Photosynthese in den Blättern der Pflanzen statt. Die Blätter sorgen also dafür, dass Pflanzen aus Licht gewonnene Energie speichern können, die ihnen dabei hilft, Zucker und andere für sie lebensnotwendige Stoffe herzustellen. Deshalb ist selbst die Rückbildung der Blätter ein aktiver, energieaufwändiger Prozess. Man kann es sogar so betrachten, dass dabei der Transport der für die Pflanze noch wertvollen Stoffe in andere Pflanzenteile im Vordergrund steht, also den Rückbildungsprozess bestimmt. Dass die Pflanze gerade zu dem Zeitpunkt, an dem sie ein bestimmtes Alter erreicht hat, ihre Blätter abwirft, ist ein Grund dafür, dass dieser Alterungsprozess durch Eingriffe von Außen immer wieder rückgängig gemacht werden kann. Beispielsweise ist es bei Tabakpflanzen möglich, ein Absterben der Blätter zu verhindern, indem die Blüten und Schoten entfernt werden. Eine Behandlung mit Pflanzenhormonen kann sogar bewirken, dass die Blätter wieder ergrünen.
Um mit den Methoden der Integrativen Pflanzen Wissenschaft alle Abläufe, die während des pflanzlichen Alterungsprozesses stattfinden, ergründen zu können, wird zunächst das Modell einer konkreten Pflanze erstellt. Sehr häufig verwenden Biologen für ihre Forschungen die Ackerschmalwand. Die Gründe dafür sind ihre Widerstandsfähigkeit und ihr vollständig bekanntes Genom. Die Blätter der Ackerschmalwand zeigen unter Laborbedingungen schon, wenn die Pflanze ein Alter von sechs bis sieben Wochen erreicht hat, erste Anzeichen der Rückbildung. Sie verlieren ihre Kraft und ihre Farbe, bis sie schließlich gelb und welk aussehen. In der integrativen Pflanzen Wissenschaft geht es darum, herauszufinden, wodurch dieser Vorgang ausgelöst wird.
Im Modellsystem beträgt die Photosyntheserate der Pflanze schon nach etwa sechs Tagen nur noch die Hälfte ihres Maximums. Dieser Rückgang könnte einer der Auslöser für das schnelle Welken der Blätter bei der Ackerschmalwand sein. Außerdem wird vermutet, dass auch Oxidanzien und freie Sauerstoffradikale den Alterungsprozess der Pflanze wesentlich beeinflussen. So produziert der pflanzliche Organismus, noch bevor die ersten Anzeichen der Blattalterung zu erkennen sind, immer weniger Enzyme, die Sauerstoffradikale binden. Daraus kann man schließen, dass die Lebensdauer von Pflanzen wie der Ackerschmalwand auch von den Stoffwechselfunktionen dieser Organismen abhängt. Die verstärkte Konzentration von chemischen Verbindungen in der Pflanze wie Wasserstoffperoxid, ist offenbar das Signal für den Beginn der Blattalterung.
Die Rolle der Integrativen Pflanzenwissenschaft in der medizinischen Forschung
Pflanzliche Stoffwechselprodukte, wie Wasserstoffperoxid, haben sowohl negative, als auch positive Eigenschaften. Zum einen fördern sie den Alterungsprozess der Pflanze, andererseits können sie aber auch eindringende Viren und Bakterien töten. Die Oxidanzien entstehen als Nebenprodukte der Zellatmung und sind so aggressiv, dass sie verschiedene Zellkomponenten ernsthaft schädigen können. Doch gerade dieser Eigenschaft kann die Natur auch gute Seiten abgewinnen: Das von den Pflanzen erzeugte Wasserstoffperoxid hat eine ähnliche Wirkung wie Desinfektionsmittel. Deshalb wird es in der Medizin zur Wundbehandlung genutzt. Aus diesem Grund versucht man innerhalb der medizinischen Forschung, mithilfe genetischer Methoden der Molekularbiologie, die Mechanismen des Pflanzenstoffwechsels zu fördern, die die Produktion von Wasserstoffperoxid begünstigen.
Das Kleine Blasenmützenmoos zählt zu den Pflanzen, die zur Produktion von Arzneimittel besonders geeignet sind. Es kann im Labor gezüchtet werden und ist nach einem molekularbiologischen Eingriff, bei dem zwei pflanzenspezifische Zuckerstrukturen ausgeschaltet wurden, in der Lage, menschliche Eiweiße zu bilden, die als Antikörper zur Therapie von Krankheiten einsetzbar sind. Auf ähnliche Weise wird versucht, aus höheren Kulturpflanzen, wie Mais, Tabak und Tomaten, Impfstoffe zu gewinnen, die möglicherweise sogar zur Behandlung von Krankheiten wie Aids, Tollwut oder Tuberkulose einsetzbar sind. Seit einiger Zeit arbeiten Wissenschaftler sogar daran, aus Bananen Impfstoffe herzustellen. Die „Impfbananen“ sollen, nach molekularbiologischen Veränderungen, Antikörper gegen Durchfallerkrankungen, Gelbsucht, Cholera, Hepatitis B, Masern und Kinderlähmung produzieren können.