BioTech BRIEF 02/2006 Spezial

Die Folgegenerationen gentechnisch veränderter Pflanzen:
Neue Optionen für Wertschöpfung und Innovation

Nachwachsende Rohstofflieferanten

Nahrungspflanzen mit verbesserten Inhaltsstoffen

Bessere Futtermittelqualität für Nutztiere

Pflanzen als Pharmafabriken

Sichere Ernten und intakte Kulturlandschaften

Zehn Jahre ist es her, dass US-Landwirte mit der Kultivierung der ersten gentechnisch veränderten Nutzpflanzen begannen. Seit 1996 haben sich diese Anwendungen der modernen Biowissenschaften mit kontinuierlich wachsenden Anbauflächen in vielen Ländern etabliert. Sie leisten einen essentiellen Beitrag zur Ertrags- und Qualitätssicherung der globalen Ernten und fördern den Einsatz umweltschonender Agrarsysteme. Mit gentechnisch erzeugtem Insektenschutz und speziellen Herbizidtoleranzen verfügen Mais, Soja, Raps oder Baumwolle über besondere agronomische Merkmale, die sie auf den Weltmärkten zum Teil haben zur Standardware werden lassen. Neuerdings gibt es auch Saatgut, das mehrfach verbesserte Eigenschaften aufweist – bspw. Kombinationen aus einer Schädlingsresistenz und einer Herbizidtoleranz. In den USA kam 2005 sogar ein gentechnisch veränderter Mais mit einem dreifachen Zusatznutzen auf den Markt. Solche Mehrfachmerkmale betreffen schon rund ein Fünftel des globalen Anbaus gentechnisch veränderter Pflanzen.

Pflanzenzüchter arbeiten längst auch an den nächsten Generationen, wobei die Grenzen oft fließend sind. In der zweiten Generation folgen Kulturen mit gesünderen Nähr- und verbesserten Inhaltsstoffen, in der dritten geben maßgeschneiderte Gewächse, die komplexe und hochwertige Inhaltsstoffe für die industrielle Verarbeitung oder die Medizin liefern, den Ton an.

Die Anzahl von Freilandversuchen und Markteinführungen gentechnisch veränderter Pflanzen ist in den letzten Jahren zwar zeitweilig zurückgegangen – ein Grund dafür ist die Technologieskepsis in Europa und die strengen Zulassungs- und Importkriterien der EU. Doch die Forschungsarbeiten stehen nicht still: Die EU verabschiedete 2005 das Programm „Plants for the Future“ und präsentierte damit eine ehrgeizige europäische Vision für die Pflanzenforschung – die Grüne Gentechnik spielt dabei eine gewichtige Rolle. Auch in asiatischen, lateinamerikanischen und afrikanischen Ländern haben die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten mit gentechnisch veränderten Pflanzen unlängst stark zugenommen.

Technische Fortschritte wie die Einführung von Technologien wie der funktionellen Genomik, Proteomik und Metabolomik liefern die Basis für diese Entwicklung. Sie ermöglichen die systematische Analyse der pflanzlichen Stoffwechselwege und haben damit zum besseren Verständnis des Stoffwechsels von Pflanzen und Bakterien beigetragen. Schließlich bringen sie die Zusammenhänge zwischen Erbgut und Pflanzeneigenschaften besser zum Vorschein. Mit modernen Automatisierungs­techniken und der Bioinformatik erlauben sie einen immer schnelleren und systematischeren Erkenntnisgewinn. Dieser Fortschritt gilt für die Grüne Gentechnik in der Landwirtschaft ebenso wie für die „rote“ Sparte der medizinischen Forschung und die „weiße“ Gentechnik, die darauf abzielt, biotechnologische Verfahren für industrielle Produktionsprozesse fit zu machen.

Auf Grundlage der dynamischen Weiterentwicklung all dieser Biotechsegmente verfolgt die EU das Ziel, zu einem „bio-basierten Wirtschaftsraum“ zu werden. In einem solchen Umfeld werden zukünftige Rohstoffe zunehmend aus nachwachsenden pflanzlichen Quellen stammen und Verarbeitungs- und Produktionsverfahren verstärkt in biologische Produktionssysteme – bspw. Mikroorganismen, Pflanzen und Zellkulturen – verlagert oder diesen auf technischem Wege nachempfunden. Die Abhängigkeit von fossilen Energiequellen wird sich in einem „bio-basierten Wirtschaftsraum“ reduzieren lassen, und zahlreiche Produktionsabläufe werden umweltfreundlicher und wirtschaftlicher ausgelegt sein. Überdies erschließen die Biowissenschaften neue Produktpaletten: Zahlreiche, mittlerweile handelsübliche Medikamente oder der mit dem Provitamin A angereicherte „Goldene Reis“ wären ohne die modernen Biotechnologien nicht entwickelt worden.

Im vorliegenden „Special“ des Biotech Briefs werden zukunftsweisende Forschungs- und Entwicklungsarbeiten aus der Grünen Gentechnik und verwandten Bereichen sowie bisherige Erfahrungen mit gentechnisch verbesserten Pflanzen vorgestellt.

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1. Nachwachsende Rohstofflieferanten

Die globalen Reserven an Erdöl und anderen fossilen Rohstoffen für die Energieerzeugung und Industrieproduktion sind endlich. Auch deshalb wächst seit Jahren die Bedeutung nachwachsender pflanzlicher Rohstoffe. Hierzu zählen Pflanzen zur direkten Energieerzeugung wie auch solche, die als Ausgangsstoff für die Herstellung von Lacken, Klebe-, Dämm- oder Schmierstoffen dienen. Nachwachsende pflanzliche Rohstoffe sind „klimafreundlicher“ als fossile Energiequellen, und die anfallenden Rest- und Abfallstoffe sind vielfältig weiter verwert- und kompostierbar. Um insbesondere für die industrielle Produktion effizient einsetzbar zu sein, ist es unerlässlich, dass die Pflanzeneigenschaften optimal an die jeweiligen Verarbeitungsprozesse angepasst werden. Die gewünschten Inhaltsstoffe sollen in den nachwachsenden Rohstofflieferanten bereits exakt so anfallen wie sie anschießend benötigt werden. Hierdurch kann der Gesamtaufwand in einem Verarbeitungsprozess zum Teil erheblich reduziert werden. An derlei Optimierungen pflanzlicher Inhaltsstoffe arbeiten Züchter unter anderem mit gentechnischen Methoden.

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Grüne und Weiße Gentechnik arbeiten Hand in Hand

Die Weiterverarbeitung pflanzlicher Rohstoffe geschieht häufig in Fermentationsanlagen unter Mithilfe gentechnisch veränderter Bakterien – das klassische Beispiel für die industrielle „Weiße Biotechnologie“. Hieran zeigt sich, wie eng die verschiedenen Biotechnologiesparten mitunter miteinander verknüpft sind. Oft sind sie Teil einer gemeinsamen Wertschöpfungskette und basieren auf identischen biologischen Grundlagen. Die Forschungsarbeiten mit optimierten nachwachsenden Rohstoffpflanzen sind bereits von ersten Erfolgen gekrönt. Dabei ist klar, dass die bisher entwickelten Kulturen nur Vorboten einer umfassenden neuen Pflanzengeneration sind:

Bioethanol aus gentechnisch verändertem Mais

Pflanzen können durch moderne biotechnologische Verfahren gezielt für die Energieversorgung herangezüchtet werden. Weit fortgeschritten ist hierbei die Entwicklung von Mais, aus dem sich besonders effizient Bioethanol gewinnen lässt. In den USA und in Japan sind solche gentechnisch veränderten Maispflanzen bereits erfolgreich in Freilandversuchen getestet worden. Auf den Weg gebracht wurden sie vom Agrarunternehmen Syngenta, das in den USA kürzlich auch eine erste Anbauzulassung beantragt hat.

Der Mais bildet eine spezielle Form der Amylase – ein Enzym, das für die Umwandlung von Maisstärke in Zucker benötigt wird. Die neuen Pflanzen tragen als Folge der gentechnischen Modifikation das für den ersten Produktionsschritt der Bioethanolherstellung benötigte Enzym bereits in sich – in klassischen Verfahren wird der Inhaltsstoff extern aus Bakterien gewonnen. Die in den Maispflanzen gebildete Amylase ist darüber hinaus besonders hitzestabil, weshalb die Bioethanolerzeugung aus Maisstärke bei höheren Temperaturen beschleunigt erfolgt. Die Herstellung von Bioethanol aus Amylase-Mais ist damit deutlich günstiger. Schätzungen zufolge werden bei der Herstellung von Bioethanol aus Amylase-Mais zehn Prozent der Produktionskosten eingespart. Dadurch wird die Nutzung regenerativer Energiequellen rentabler, was dringend erforderlich ist, um das Ziel der EU, bis 2010 mindestens 5,75 Prozent aller Kraftstoffe aus regenerativen Quellen zu gewinnen, erreichen zu können.

www.transgen.de/aktuell/meldungen_europa/200603.doku.html

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Kartoffeln mit optimiertem Stärkegehalt

Stärke produzierende Pflanzen wie Kartoffeln, Getreide und Mais gehören aktuell zu den wichtigsten Rohstoffpflanzen. Kartoffelstärke wird in der Papier-, Textil- und Klebstoffindustrie eingesetzt. Mit Hilfe der Gentechnik ist es Wissenschaftlern gelungen, die Eigenschaften der Stärke in Kartoffeln an die Anforderungen der industriellen Verarbeitung besonders gut anzupassen.

Eine solche gentechnisch veränderte Stärkekartoffel des Unternehmens BASF steht in Europa kurz vor der Marktzulassung. Das Besondere an ihr ist: Sie enthält als Stärkeanteil nur Amylopektin. In herkömmlichen Kartoffeln liegt der Speicherstoff Stärke als Gemisch der beiden Komponenten Amylopektin und Amylose vor. Beide Bestandteile sind für verschiedene industrielle Anwendungen geeignet, aber ihre Trennung wäre sehr aufwändig. BASF-Forschern ist es gelungen, das Gen für die Amylose-Bildung „abzuschalten“, so dass die neuen Kartoffeln nur noch Amylopektin-Stärke enthalten, für die es vielfältige Verwendungszecke gibt.

www.corporate.basf.com/de/produkte/biotech/plantscience/pflanzenalsfabrik/?id=V00-hVT.B8amubcp.e7

Umgekehrt wird auch an gentechnisch veränderten Kartoffeln geforscht, die hauptsächlich Amylose enthalten. Aus dieser Stärkekomponente können bspw. biologisch abbaubare Folien hergestellt werden.

Grundlegende Forschungsarbeiten an Kartoffeln mit veränderter Stärke wurden bereits in den 1990er Jahren am Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung in Köln und am MPI für molekulare Pflanzenphysiologie in Golm unternommen. Auch aktuell sind MPI-Forscher maßgeblich daran beteiligt, die wissenschaftlichen Grundlagen für die Entwicklung verbesserter Kartoffelsorten zu erweitern. Die Kölner MPI-Wissenschaftler erforschen vorrangig die genetischen Grundlagen für Schädlingsresistenzen und haben dabei widerstandsfähigere Kartoffeln im Sinn. In Golm beschäftigt man sich vor allem mit dem Kohlenhydrathaushalt der Pflanzen, was in die Entwicklung neuartiger Stärkequalitäten münden soll.

http://www-de.mpimp-golm.mpg.de

www.mpiz-koeln.mpg.de/

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Baumwolle mit längeren Fasern

Baumwolle ist nicht gleich Baumwolle, verschiedene Sorten und Ernten können sich sehr stark unterscheiden. Als besonders wertvoll gilt Baumwolle mit langen Fasern, bis zu fünf Zentimeter lang können sie werden. In der Natur gibt es viele verschiedene Baumwollsorten. Dennoch stoßen Pflanzenzüchter bei der Steigerung der Faserlängen mit herkömmlichen Züchtungsmethoden an ihre Grenzen. Mit gentechnischen Methoden sind Wissenschaftlern des Unternehmens Bayer und des australischen Forschungsinstituts CSIRO hingegen deutliche Verbesserungen der Faserqualität gelungen.

Das Faserwachstum wird innerhalb der Pflanzenzellen gesteuert, indem Rohrzucker in kleinere Zuckermoleküle, welche Wasser anziehen, gespalten wird. Als Folge der Aufspaltung kann Flüssigkeit in die Zellen einströmen, diese schwellen an und lassen die Fasern wachsen. Die Forscher von Bayer und CSIRO haben es geschafft, die Aktivität eines bestimmten Gens zu steigern und damit die Geschwindigkeit der Rohrzuckerspaltung in den Baumwollzellen gezielt zu erhöhen. Kultivierungen im Gewächshaus erbrachten deutlich längere Fasern. Erste Freilandversuche mit dieser gentechnisch veränderten Baumwollsorte sind in den USA in die Wege geleitet worden.

www.research.bayer.de/ausgabe-17/baumwolle/page4046.htm

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Bioplastik aus Bakterien und gentechnisch veränderten Pflanzen

Verschiedene Forschungsgruppen und Unternehmen haben sich zum Ziel gesetzt, biologisch abbaubare Kunststoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe zu entwickeln. Die Mehrzahl der Forschungsbemühungen konzentriert sich momentan darauf, so genannte PHA-Kunststoffe (Polyhydroxyalkanoate) mithilfe von Bakterienkulturen heranzuziehen. Als Rohstoffe kommen hierbei Stärkepflanzen wie Mais oder Ölpflanzen in Frage. Man geht davon aus, dass unterschiedliche PHA-Kunststoffarten zukünftig eine Reihe herkömmlicher Kunststoffe wie PET (Polyethylen-terephthalat) oder andere Grundstoffe der chemischen Industrie werden ergänzen oder zum Teil ersetzen können. Durch eine gezielte Optimierung der Stoffwechselwege bestimmter Bakterienstämme können PHA-Kunststoffe mit vielseitigen Zusatzeigenschaften entstehen – bspw. mit unterschiedlichen Elastizitätsgraden. Das US-Unternehmen Metabolix hat Anfang 2006 den Bau einer biotechnischen Produktionsanlage für PHA-Kunststoffe auf pflanzlicher Basis mit einer Kapazität von jährlich 50.000 Tonnen angekündigt.

Parallel dazu arbeitet Metabolix an der Gewinnung von PHAs aus Pflanzen. Gegenüber der Herstellung in Fermentern wird dies als weniger aufwändig und kostengünstiger und damit zukunftsträchtig erachtet. Derzeit konzentriert man sich in diesem Forschungsbereich auf die Grasart „switchgrass“ (Rutenhirse), die auch als guter Energielieferant bekannt ist. Nach der Gewinnung des Biokunststoffes sollen Pflanzenreste deshalb für die Energieproduktion in Biogasanlagen eingesetzt werden. Durch diese Doppelnutzung können, den Erwartungen von Metabolix zufolge, die Kosten für das Produktionssystem weiter reduziert werden. Metabolix setzt aber bewusst auf beide Lösungsansätze zur PHA-Produktion, um für verschiedenste Kunststoffanforderungen die jeweils effizientesten Produktionssysteme anbieten zu können: PHAs sollen von speziellen Bakterienkulturen und aus gentechnisch veränderten Pflanzen gewonnen werden.

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Doppel- und Dreifachnutzung erhöhen die Wirtschaftlichkeit

Einen ähnlichen Ansatz verfolgen deutsche Forscher bei der Entwicklung von Kartoffeln zur Gewinnung von Polyaspartat. Im Rahmen eines von der Fachagentur für nachwachsende Rohstoffe geförderten Projektes kümmern sie sich um die Entwicklung von Kartoffelknollen, die den Ausgangsstoff für die Herstellung dieses Kunststoffs bilden. Polyaspartat besitzt ein breites Anwendungsspektrum und kommt bspw. in Waschmitteln vor. Die Herstellung des Grundstoffes für Polyaspartat in Kartoffeln soll dadurch rentabler werden, dass noch weitere Komponenten der Kartoffelknollen extrahiert und weiter verarbeitet werden: die Kartoffelstärke soll für industrielle Zwecke genutzt werden und bestimmte Proteine in die Futtermittelproduktion fließen.

www.metabolix.com

Lipide, Enzyme und Feinchemikalien aus gentechnisch veränderten Pflanzen

Die modernen Pflanzenwissenschaften können vielfältige Rohstoffe für die weiße Biotechnologiesparte liefern. Das Kölner Biotechnologieunternehmen Genistry hat sich darauf spezialisiert, pflanzliche Produktionssysteme für Feinchemikalien zu entwickeln. Speziell für industriell nutzbare Pflanzenlipide wurde eine biotechnologische Methode gefunden, mit der sich diese Stoffe in Pflanzenzellen herausbilden. Die gentechnisch veränderten Gewächse werden in Glashäusern herangezogen und geerntet. Die chemisch komplex aufgebauten Pflanzenlipide können günstig hergestellt werden.

Auch Enzyme spielen eine wichtige Rolle in industriellen Produktionsabläufen. Sie fungieren wie kleine Katalysatoren, modifizieren Stärke, optimieren Fette oder steuern Reifungsprozesse. Sie sind wichtige und effiziente Werkzeuge für die weiße Biotechnologie. Genutzt werden sie zurzeit vor allem in der Lebens-, Futter- und Waschmittel- und in der Stärke- und Textilindustrie. Die Produktion der Enzyme hat sich in den letzten Jahrzehnten stark verändert. Wurden sie ursprünglich aus Tieren und Pflanzen isoliert, so werden sie heute größtenteils mit Hilfe gentechnisch veränderter Mikroben gewonnen.

Die Bereitstellung industriell einsetzbarer Enzyme durch gentechnisch veränderte Pflanzen wird seit einigen Jahren als eine zweite neue Produktionsform erprobt. Die Vorteile gegenüber ihrer Herstellung mit Hilfe von Mikroben in geschlossenen Reaktoren liegen in den geringeren Produktionskosten. Zudem können die Anbauflächen der Pflanzen schnell und wirtschaftlich an sich wandelnde Marktnachfragen angepasst werden. Eine Vielzahl von Enzymen kann bereits heute aus modifizierten Pflanzen gewonnen werden. Freilandversuche mit Pflanzen, die spezielle Enzyme produzieren, gibt es in den USA seit mehr als zehn Jahren. Das Unternehmen Sigma-Aldrich hat dort auch bereits zwei Enzyme (Avidin und Trypsin) auf den Markt gebracht, die von gentechnisch verändertem Mais geliefert werden. Beide werden für diagnostische Zwecke genutzt, und kleine Anbauflächen reichen aus, um die Nachfrage zu bedienen.

www.genistry.com

www.sigmaaldrich.com

2. Nahrungspflanzen mit verbesserten Inhaltsstoffen

Gesundheitsfördernde Pflanzenöle

Wissenschaftlern der BASF Plant Science ist es gelungen, in gentechnisch veränderten Leinpflanzen langkettige Omega-3-Fettsäuren entstehen zu lassen. Diesen Fettsäuren wird eine gesundheitsfördernde Wirkung auf das Herz-Kreislauf- und das Nervensystem zugeschrieben. Man findet sie vor allem in Seefisch. Für die Anreicherung in Leinsamen hatten die Forscher um den Botaniker Ernst Heinz Plankton-Gene in die Pflanzen übertragen. Mit einem Löffel des neuen Öls könnte die empfohlene Tagesmenge an ungesättigten Fettsäuren aufgenommen werden. Erste Feldversuche mit Pflanzen, die langkettige Fettsäuren produzieren, haben in Schweden stattgefunden. Mittlerweile sind die gleichen gentechnischen Veränderungen auch bei anderen Ölpflanzen durchgeführt worden.

Die BASF Plant Science ist auch am europäischen Forschungsprogramm LipGene beteiligt. Im Rahmen dieses Programms unterstützt die EU Projekte, die zum Verständnis ernährungsbedingter Krankheiten beitragen und Ansätze für eine gesündere Ernährung liefern.

www.eurekalert.org/pub_releases/2004-09/asop-gmo091704.php
www.abendblatt.de/daten/2004/09/24/344663.html
www.lipgene.tcd.ie/research/

Ölpflanzen mit weniger Transfettsäuren

In verschiedenen Forschungsprojekten weltweit arbeiten Wissenschaftler an Änderungen der Fettsäurezusammensetzung von Ölpflanzen, um sie mit gesundheitlich positiven Merkmalen auszustatten. Ein Schwerpunkt liegt darauf, den Gehalt an unvorteilhaften Transfettsäuren in Lebensmitteln zu verringern. Diese Transfettsäuren entstehen in erster Linie beim chemischen Härten (Hydrieren) von Pflanzenölen. Durch diesen Vorgang werden Öle und Fette hitzestabil und sie eignen sich anschließend besser zum Braten und Frittieren. Deshalb zielen viele Forschungsarbeiten darauf ab, den Gehalt an hitzeempfindlichen Fettsäuren in Ölpflanzen zu senken und damit eine Hydrierung überflüssig zu machen.

Um derlei Ziele geht es bei der Entwicklung von Sojabohnen mit verringertem Linolensäuregehalt. Die erste Generation konventionell gezüchteter Sojabohnen mit diesem Qualitätsmerkmal ist in den USA auf dem Markt. Eine weitere Senkung des Linolensäureanteils scheint mit klassischen Züchtungsmethoden allerdings wenig aussichtsreich. An weiteren Generationen von Soja mit hitzebeständigen Fettsäuren oder zusätzlichen Omega-3-Fettsäuren wird deshalb vor allem mit gentechnischen Methoden gearbeitet.

www.foodnavigator.com/news-by-product/news.asp?id=64510

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„Goldener Reis“ mit mehr Provitamin A

Der von den Forschern Peter Beyer und Ingo Potrykus an der ETH Zürich und der Universität Freiburg entwickelte „Goldene Reis“ enthält zusätzliches Beta-Karotin im Reiskorn. Der menschliche Körper wandelt dieses Beta-Karotin in Vitamin A um, welches für das Sehvermögen und eine funktionierende Immunabwehr des Körpers wichtig ist. Der „Goldene Reis“ soll dabei helfen, Vitamin-A-Mangel-Krankheiten vorzubeugen – vor allem in Entwicklungsländern. Sechs Jahre nach der Vorstellung seines Prototyps im Jahre 1999 haben britische Wissenschaftler vor wenigen Monaten eine verbesserte Variante präsentiert, deren Beta-Karotin-Anteil noch einmal um das 23-Fache gesteigert werden konnte. 70 Gramm verbesserter „Goldener Reis“ könnten nunmehr die empfohlene Tagesdosis an Provitamin A liefern. Verantwortlich dafür ist ein zusätzliches Mais-Gen, das in den ursprünglichen gentechnisch veränderten Reis einfügt wurde.

Mittlerweile arbeiten Forschungsinstitute in verschiedenen asiatischen Ländern wie auch in den USA daran, den „Goldenen Reis“ in Freilandversuchen zu testen und ihn in lokale Reissorten einzukreuzen. Kleinbauern in Entwicklungsländern soll er zukünftig lizenzfrei zur Verfügung stehen. Nach Einschätzung von Potrykus haben die aufwändigen Zulassungsvorschriften dazu geführt, dass weitere Feldversuche und erste Markteinführungen auf sich warten lassen.

Jährlich erblinden weltweit bis zu 500.000 Kinder aufgrund von Vitamin-A-Mangel. Nach Ansicht des „Golden Rice Humanitarian Board“ bietet der neue gentechnisch veränderte Reis Entwicklungsländern eine zusätzliche Möglichkeit im Kampf gegen die Mangelernährung. Die Leser des renommierten Wissenschaftsmagazins Nature Biotechnology hielten die Entwicklung des „Goldenen Reises“ für so bedeutsam, dass sie die beiden deutschen Erfinder in den Kreis der bemerkenswertesten und einflussreichsten Persönlichkeiten der „Landwirtschafts-, Umwelt- und Industriellen Biotechnologie“ der vergangenen zehn Jahre wählten. Anfang 2006 erhielten Beyer und Potrykus den „Nature Biotech Award“.

Nature Biotechnology Vol. 23, Nr. 4 April, 2005, www.nature.com/nbt/

www.goldenrice.org

http://news.bbc.co.uk/1/hi/sci/tech/4386933.stm

www.pr.uni-freiburg.de/prmit_layout_alt/prmit.php?ind=1401

www.nature.com/nbt/journal/v24/n3/full/nbt0306-291.html

3. Bessere Futtermittelqualität für Nutztiere

Mais mit essentiellen Eiweißbausteinen

In den USA ist der erste Anbau von gentechnisch verändertem Mais mit verbesserter Futtermittelqualität in greifbare Nähe gerückt. Das US-Landwirtschaftsministerium (USDA) hat Anfang 2006 die Zulassung für den so genannten „LY038-Mais“ des Unternehmens Renessen erteilt. Er enthält, gegenüber herkömmlichem Mais, einen wesentlich höheren Anteil der essentiellen Aminosäure Lysin. Tiere müssen diesen Eiweißbaustein mit der Nahrung aufnehmen, weil sie ihn selbst nicht produzieren können. Durch den erhöhten Lysin-Gehalt des gentechnisch veränderten Maises kann bei seiner Verfütterung zukünftig auf Futtermittelzusätze mit dieser Aminosäure verzichtet werden. Für 2006 ist eine Erprobung des Lysin-Mais in Feldversuchen, für 2007 der Start des praktischen Anbaus vorgesehen. Der Hersteller Renessen hat bereits in der EU eine Genehmigung zum Import und zur Verwendung als Futtermittel beantragt.

www.renessen.com/news/02.06.2006.eng.pdf
www.transgen.de/aktuell/meldungen_europa/200601.doku.html

Weitere Entwicklungsarbeiten mit optimiertem Futtermais laufen in verschiedenen Forschungsgruppen. Ziele solcher Arbeiten sind bspw. erhöhte Anteile an Protein, Energie und wichtigen Aminosäuren.

Raps mit weniger Bitterstoffen

Raps wird derzeit vor allem für die Gewinnung von Rapsöl kultiviert. Dabei entsteht als Nebenprodukt ein Presskuchen mit einem hohen Anteil hochwertiger Eiweißstoffe, der bspw. an Hühner verfüttert wird. Allerdings können zu große Mengen dieses Futterstoffs die Verdauung der Tiere beeinträchtigen und den Hühnereiern einen unangenehmen Geruch verleihen. Grund ist der hohe Anteil an Bitterstoffen (Sinapin). Wissenschaftler des Leibnitz-Instituts für Pflanzenbiochemie (IPB) in Halle, der Deutschen Saaten-Union und der Universität Göttingen haben deshalb einen Raps entwickelt, dessen Bitterstoffanteil 80 Prozent unter der Norm liegt. Kooperationspartner in Kanada erproben zurzeit seine Anbaueigenschaften in Freilandversuchen. Durch eine zusätzliche gentechnische Veränderung möchten die Forscher den verbleibenden Restgehalt an Sinapin auf ein Minimum senken. Die Futterqualität des Rapseiweißes würde dadurch weiter erhöht. Außerdem sollen dem Raps Widerstandskräfte gegen Kälte verliehen werden, um ihn auch in kühleren Anbauregionen kultivieren zu können. Dieter Strack vom IPB ist überzeugt davon, dass von den Vorteilen bitterstoffarmer Rapssorten nicht nur kanadische Landwirte profitieren können.

http://idw-online.de/pages/de/news151121

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Vitamine, Enzyme und Aminosäuren für eine bessere Tierernährung

Biotechnologisch erzeugte Futtermittelzusätze sind heute Standard in Mischfutterpartien. Vitamine und spezielle Aminosäuren, die von den Tieren nicht selbst gebildet werden, sind ebenso wie verdauungsfördernde Enzyme wichtig für die ausreichende Nährstoffversorgung von Nutztieren. Da diese Stoffe zumeist in den Futterpflanzen selbst nicht vorhanden sind, werden sie dem Futter beigemischt. Diese Futterergänzungen werden mittlerweile in sehr vielen Fällen mit Hilfe von gentechnisch veränderten Mikroorganismen gewonnen – gentechnisch veränderten Bakterien, Pilzen oder Hefen, die sie bspw. aus zuckerhaltigen Nährlösungen rohstoffschonend produzieren. Mit Hilfe solcher „Biofabriken“ werden aktuell pro Jahr über 700.000 Tonnen Aminosäuren hergestellt.

Das Enzym Phytase wird über ein solches biotechnologisches Verfahren bereitgestellt. Phytase ermöglicht es Schweinen und Hühnern, das in Futterpflanzen gespeicherte Phosphat zu verwerten. Ohne das Enzym im Futter würden die Tiere das Phosphat ungenutzt ausscheiden. Phosphat besitzt eine gute Düngewirkung, zuviel davon kann jedoch die Gewässer belasten und zu einem übermäßigen Wachstum von Algen und Wasserpflanzen führen. Um dies zu vermeiden, setzen Landwirte dem Tierfutter biotechnologisch produzierte Phytase zu. Die Nutztiere erhalten durch die Phosphatverwertung zusätzliche Nährstoffe, gleichzeitig werden Böden und Gewässer geschont. In aktuellen Forschungsarbeiten wollen Wissenschaftler mit gentechnischen Methoden nun Futterpflanzen wie Mais auch direkt dazu bringen, die Phytase im eigenen Stoffwechsel zu bilden.

Ein besseres Verständnis für den Phosphat-Stoffwechsel in Pflanzen wird auch für die menschliche Ernährung als nützlich erachtet, weil bspw. der pflanzliche Phosphatspeicherstoff Phytinsäure wichtige Mineralstoffe wie Magnesium oder Eisen binden und dadurch die Nährstoffaufnahme hemmen kann.

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4. Pflanzen als Pharmafabriken

Bei der Herstellung von Arzneimittelwirkstoffen in gentechnisch veränderten Pflanzen und Pflanzenzellen dreht es sich um eine Kombination aus landwirtschaftlicher und medizinischer Biotechnologie. Man nennt diesen Forschungszweig „Molecular Pharming“. In Pflanzenzellen lassen sich bspw. Impfstoffe in großen Mengen und einfacher als in herkömmlichen biotechnischen Produktionsanlagen herstellen. Pflanzenzellen können zuvor gentechnisch gezielt darauf abgestellt werden, exakt die für Menschen benötigten Wirkstoffe zu produzieren. Ein Vorteil gegenüber der Impfstoffproduktion in Pflanzen ist, dass diese, anders als Bakterien- oder tierische Zellen, nicht anfällig für den Befall mit für den Menschen gefährlichen Krankheitserregern sind.

Seit Jahren arbeiten Forschergruppen weltweit an unterschiedlichen pflanzlichen Produktionssystemen für eine Vielzahl von Biopharmazeutika. Im Januar 2006 hat die US-Veterinärbehörde zum ersten Mal ein aus gentechnisch veränderten Pflanzenzellen gewonnenes Tiermedikament zugelassen – einen Impfstoff gegen den Geflügelpesterreger „Newcastle Disease Virus“.

Die Medikamentenherstellung in gentechnisch veränderten Pflanzen erfordert allerdings ganz andere Anbau- oder Produktionsbedingungen als der herkömmliche Landbau. Arzneimittelpflanzen werden strikt von der Lebens- und Futtermittelproduktionskette getrennt. Wie bei der Herstellung des Impfstoffs gegen das „Newcastle Disease Virus“ werden auch zukünftig Arzneimittelproduktionen in abgeschlossenen Pflanzenzellkulturen stattfinden oder auf kleinen, eingegrenzten Anbauflächen in Gewächshäusern.

www.ithacajournal.com/apps/pbcs.dll/article?AID=/20060214/NEWS01/602140330

Impfstoffe aus Tabakpflanzen

Für die Molecular-Pharming-Forschung haben sich viele Wissenschaftlerteams von vornherein Pflanzen ausgesucht, die bei der Lebensmittelherstellung keine Rolle spielen. So haben Biologen der Universität Würzburg aus Tabakpflanzen einen Impfstoff gegen die von Zecken übertragene Borreliose isolieren können. Hierfür schleusten sie zuvor ein Gen des Krankheitserregers in die Tabakpflanzen ein. Sie verfrachteten das neue Gen nicht, wie sonst üblich, in die Zellkerne der Pflanzen, sondern in die Chloroplasten, in denen ihre Photosynthese abläuft. Jede Pflanzenzelle enthält etwa einhundert Chloroplasten. Das bedeutet, dass die gentechnisch veränderten Tabakpflanzen den gewünschten Impfstoff in größerer Menge produzieren. Mäusen, denen der Impfstoff aus dem Tabak verabreicht wurde, bildeten Antikörper gegen den Borreliose-Erreger.

Die geringe Ausbeute beim „Molecular Pharming“ stellt trotz dieser Fortschritte immer noch eine der größten Herausforderungen dar. Die Würzburger Wissenschaftler arbeiten deshalb gezielt daran, die Impfstoffmengen im Tabak weiter zu steigern und ein wirtschaftlich konkurrenzfähiges Produktionssystem auf die Beine zu stellen.

www.uni-wuerzburg.de/presse/mitteilungen/p06-002w.html

Medikamente aus Moos

Als pflanzlicher Arzneimittellieferant bieten sich auch Moose an. Das Freiburger Unternehmen Greenovation widmet sich zu diesem Zweck dem „Kleinen Blasenmützenmoos“ und hat zusammen mit Forschern der Universität Freiburg eine Technologie entwickelt, mit der sich in den Mooskulturen verschiedenste Wirkstoffe herstellen lassen. In geschlossenen, beleuchteten Glasbehältern mit Wasser und Mineralsalzen vermehrt sich das Moos und scheidet die gewünschten Wirkstoffe in die Flüssigkeit aus. Hieraus können sie leicht extrahiert und im Anschluss gereinigt werden. In Freiburg ist das Moos außerdem gentechnisch verändert worden, um die gewünschten Wirkstoffe naturidentisch mit speziellen Zuckerketten auszustatten. Diese sind wichtig für die Wirksamkeit von Arzneimitteln. In Bakterien- und in tierischen Zellen werden sie selten in der für medizinische Zwecke erforderlichen Qualität gebildet.

http://biopro1.step.in-systeme.net/de/region/freiburg/magazin/01395/index.html

EU-Forschung für Pharma-Pflanzen

Seit 2004 unterstützt die EU ein Konsortium von Forschern aus elf europäischen Ländern und Südafrika. Gemeinsam haben sie sich das Ziel gesteckt, gentechnisch veränderte Pflanzen zur Gewinnung von Medikamenten und Impfstoffen zu entwickeln. Hierfür ist das EU-Projekt „Pharma-Planta“ mit einem Fördervolumen von zwölf Millionen Euro ins Leben gerufen worden. Die organisatorische Leitung des Forschungsvorhabens liegt bei Rainer Fischer vom Fraunhofer-Institut Molekularbiologie und Angewandte Ökologie (IME) in Aachen. Vorrangiges Ziel ist es, Medikamente, die in Entwicklungsländern benötigt werden, kostengünstig von gentechnisch veränderten Pflanzen bereitstellen zu lassen – bspw. Arzneimittel gegen Tuberkulose, HIV, Diabetes oder Tollwut.

www.pharma-planta.de/
http://icadc.cordis.lu/fep-cgi/srchidadb?CALLER=FP6_PROJ&ACTION=D&RCN=75532

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5. Sichere Ernten und intakte Kulturlandschaften

Die erste Generation gentechnisch veränderter Pflanzen zeichnet sich primär durch verbesserte Anbaueigenschaften aus. Insektenresistente Pflanzen erhöhen die Erntesicherheit bei verringertem Aufwand an Pflanzenschutzmitteln, herbizidtolerante Pflanzen erleichtern die Unkrautkontrolle. Pflanzen mit gentechnisch erzeugten Kombinationsmerkmalen haben sich bereits auf dem Markt etabliert. Folgeprodukte der neuen Sorten werden noch mehr können: Ihre Widerstandskraft wird derzeit gegen weitere Pflanzenschädlinge wie Insekten, Pilze und Viren ausgeweitet. Andere gentechnisch veränderte Kulturen werden auch unter extremen klimatischen Bedingungen wie Dürre, Kälte oder auf salzhaltigen Böden gedeihen. Neue Kombinationen verschiedenster gentechnisch vermittelter Schädlings-, Herbizid- und Stresstoleranzen sollen ebenfalls in absehbarer Zeit verfügbar sein.

Nach Angaben der zur UNO gehörenden Beratergruppe für Internationale Agrarforschung (CGIAR) werden derzeit etwa zehn Prozent der insgesamt 13 Milliarden Hektar Erdoberfläche landwirtschaftlich genutzt. Eine weitere Ausdehnung wäre mit Problemen verbunden, da sich nahezu die gesamte übrige unbewohnte Fläche, etwa 11,5 Milliarden Hektar, nicht für den Ackerbau eignet. Allerdings bietet nach Einschätzung von CGIAR auch der Großteil der aktuell bewirtschafteten Flächen nur „sub-optimale“ Anbaubedingungen. Abgesehen von zum Teil erheblichen Ernteverlusten durch Schädlings- und Krankheitsbefall können derzeit 70 Prozent der unter optimalen Bedingungen denkbaren globalen Pflanzenerträge aufgrund ungünstiger Umweltbedingungen wie Trockenheit, Versalzung, Hitze, zu hoher Lichtintensität, Kälte und sauren oder metallbelasteten Böden nicht realisiert werden.

Neue Pflanzensorten, die auch in unwirtlichen Bedingungen sichere Erträge liefern, können deshalb erheblich dazu beitragen, den Nahrungsmittel- und Rohstoffbedarf einer steigenden Weltbevölkerung ohne Ausweitung der globalen landwirtschaftlichen Flächen zu sichern. Umwelteinflüsse auf die Landwirtschaft würden mit ihrer Hilfe begrenzt. Im Gegenzug könnten Naturflächen erhalten und geschützt werden.

www.fao.org/WAIRDOCS/TAC/Y5198E/y5198e00.htm#Contents

Pilzresistente Kartoffeln

In Deutschland stehen für 2006 erstmals Freilandversuche mit gentechnisch veränderten Kartoffeln mit einer Resistenz gegen die Kraut- und Knollenfäule auf dem Programm. Diese Krankheit wird durch den pilzartigen Erreger Phytophthora infestans ausgelöst und vernichtet Jahr für Jahr rund ein Fünftel der weltweiten Kartoffelernten. Eine in Mexiko beheimatete wilde Kartoffelsorte besitzt eine natürliche Resistenz gegen den Pilzerreger. Wissenschaftler haben die hierfür verantwortlichen Gene entschlüsselt und aus der Wildform in eine Kulturart übertragen, um letztere mit Widerstandskräften gegen die Kraut- und Knollenfäule auszustatten. Bislang wird der Erreger in der landwirtschaftlichen Praxis mit chemischen Pflanzenschutzmitteln bekämpft. Phytophtora-resistente Kartoffeln sollen die Palette des Pflanzenschutzes bereichern. Sie könnten alsbald einen wesentlichen Beitrag zu Sicherung der Kartoffelernten leisten.

www.internutrition.ch/in-news/point/dez05.html

Widerstandskräfte gegen den Maiswurzelbohrer

Der Maiswurzelbohrer (Diabroticavirgifera) ist ein relativ neues Problem für Landwirte in Europa. Der fünf bis acht Millimeter große, schwarz-gelbe Käfer wurde etwa 1992 aus Nordamerika über den Flughafen Belgrad nach Europa eingeschleppt. Seitdem breitet sich das Insekt in nordwest- und nordöstlicher Richtung aus. Im Herbst 2003 wurde der Käfer erstmals in Deutschland entdeckt. Die Larven des Maiswurzelbohrers richten große Schäden in Maiskulturen an. Sie fressen an den Wurzeln der Pflanzen, deren Standfestigkeit dadurch leidet. Die Käfer ernähren sich von oberirdischen Pflanzenteilen. Als Bekämpfungsstrategie gegen das Schadinsekt reicht es nicht aus, wenn der Landwirt regelmäßig die Fruchtart auf einer Ackerfläche wechselt. Der Maiswurzelbohrer wird in der Landwirtschaft vor allem mit Hilfe von Saatgutbehandlungsmitteln bekämpft. Seit 2003 ist in den USA eine gentechnisch veränderte Maispflanze mit einer Resistenz gegen den Wurzelbohrer zum Anbau zugelassen. In Europa befindet sie sich derzeit im Zulassungsverfahren.

www.biosicherheit.de/de/mais/maiswurzelbohrer/199.doku.html

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Virusresistente Reben

Weinreben mit einer gentechnisch vermittelten Resistenz gegen die Reisigkrankheit werden zurzeit in einem Freilandversuch in der Nähe der elsässischen Stadt Colmar getestet. Die durch Viren ausgelöste Krankheit ist weltweit verbreitet und verantwortlich für mitunter gravierende wirtschaftliche Schäden im Weinbau. In Frankreich und Italien sind davon rund ein Drittel aller Weinreben betroffen. Eine Erkrankung der Reben führt zunächst zu Ertragsverlusten und nach einigen Jahren zum vollständigen Absterben der Rebstöcke. Übertragen werden die krankheitsauslösenden Viren durch im Boden lebende Fadenwürmer (Nematoden). Bisher werden diese in den Befallsregionen mit Hilfe von Schädlingsbekämpfungsmitteln abgetötet. Die einzige Alternative ist momentan die Rodung der Rebflächen mit einer anschließenden Brachephase von fünf bis acht Jahren. Beide Maßnahmen gehen mit erheblichen Kosten bzw. Einbußen für die Weinbauer einher.

www.inra.fr/la_science_et_vous/dossiers_scientifiques/ogm/questions_de_recherche/porte_greffe_transgenique_de_vigne

Stresstolerante Pflanzen

In bestimmten Anbauregionen haben Landwirte mit extremen Klimabedingungen wie großer Hitze oder Kälte zu kämpfen. Die Süßwasserknappheit ist in den letzten Jahren ebenfalls zu einem drängenden Problem der globalen Landwirtschaft geworden. Auf landwirtschaftlichen Flächen, die nicht ausreichend bewässert werden können, sinken die Ernteerträge, und Böden verlieren ihre Fruchtbarkeit. Häufige Bewässerung hingegen lässt Ackerflächen langsam aber sicher versalzen.

Öffentliche und privatwirtschaftliche Forschungsinstitute haben vor diesem Hintergrund Projekte gestartet, um herauszufinden, unter welchen Bedingungen Wild- und Nutzpflanzen unter widrigen Umständen und Klimastress gedeihen können. Zu diesem Zweck untersuchen sie in der Natur vorkommende widerstandsfähige Pflanzen wie dürretolerante Moose. Deren Schutzmechanismen sollen in einem späteren Stadium mit konventionellen Züchtungsmethoden und mit gentechnischen Verfahren auf Kulturpflanzen übertragen werden. Hierfür leistet die Entschlüsselung von immer mehr Pflanzengenomen Vorschub. Grundlage dafür sind effiziente und automatisierbare Techniken, um in kurzer Zeit das Erbgut vieler Einzelpflanzen nach günstigen Eigenschaften zu durchsuchen.

Besonders weit fortgeschritten sind Erkenntnisse dieser Art beim Reis und bei der heimischen Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), die von der pflanzlichen Molekulargenetik als Modellpflanze ausgewählt wurde. Bereits eine Vielzahl von Genen, die vorteilhafte Eigenschaften steuern, sind gefunden worden – bspw. Erbinformationen, die für die Bildung von Schutzsubstanzen wie der Aminosäure Prolin oder des Zuckers Trehalose verantwortlich sind. Lokalisiert wurden ebenso Gene, die veranlassen, dass Pflanzen unter Stress die Photosynthese ankurbeln, um ihr Überleben zu sichern. Fündig wurden Biowissenschaftler bei den verschiedensten Gewächsen, darunter Moose, Gerste und Spinat.

Es sind auch bereits Gentransfers zur Übertragung der Schutzfunktionen auf Nutzpflanzen geglückt. Da die zu Grunde liegenden biochemischen Zusammenhänge aber sehr komplex sind und in der Regel verschiedene Gene zusammenwirken, um eine spezielle Pflanzeneigenschaft zu aktivieren, wird es noch einige Zeit dauern, bis eine breite Palette stresstoleranter gentechnisch veränderter Pflanzen in Marktnähe rückt. Erste Erfolge der Biowissenschaften beleuchten allerdings das große Potenzial dieses Forschungszweiges:

Trockenheitstoleranter Weizen

Wissenschaftler aus Kairo haben in Freilandversuchen gentechnisch veränderte Weizenpflanzen getestet, die mit deutlich weniger Wasser auskommen. Der Weizen, der ein Gen der Gerste enthält, gedeiht gegenüber herkömmlichen Sorten schon bei einer um etwa 87 Prozent reduzierten Bewässerung. Ahmed Bahieldin vom Forschungsinstitut für Landwirtschaftliche Gentechnik (AGERI) in Kairo ist der Ansicht, dass in einigen trockenen Regionen schon der dort spärlich niedergehende Regen für die Kultivierung dieser Pflanzen genügen kann. Gegenüber konventionellen Vergleichssorten wuchs der gentechnisch veränderte Weizen zudem zu größeren Pflanzen heran und lieferte höhere Erträge. Derzeit werden Untersuchungen zur Sicherheit des Weizens für Menschen, Tiere und die Umwelt vorbereitet. Sollten auch sie positiv verlaufen, planen die ägyptischen Behörden, ein Genehmigungsverfahren für den Anbau des trockenheitstoleranten Weizens einzuleiten.

www.scidev.net/News/index.cfm?fuseaction=readNews&itemid=1661

Pflanzen mit ausgeglichenem Energiehaushalt

Wissenschaftler des Unternehmens Bayer haben herausgefunden, dass bei Pflanzen, die unter hohem abiotischem Stress wie Hitze, Dürre oder Kälte stehen, das Enzym PARP besonders aktiv wird. Es bewirkt einen beschleunigten Abbau der Energiereserven und eine verstärkte Atmung der Pflanzen. Als weitere Folge bilden sich in den Pflanzenzellen ungebundene Molekülteile, so genannte „freie Radikale“, welche die Zellen dauerhaft schädigen können. Mit gentechnischen Methoden gelang es den Bayer-Forschern, die Aktivität des PARP-Enzyms auch unter Stressbedingungen zu senken. Der Energieverbrauch und die Atmung der Pflanzen zeigten nach der Modifikation keine schädlichen Stresssymptome mehr, die Pflanzen wuchsen auch bei Hitze und Trockenheit deutlich besser als herkömmliche Vergleichsgewächse. Maispflanzen mit dieser gentechnischen Veränderung haben sich auch in Freilandversuchen bewährt, Tests mit Raps und Baumwollpflanzen sind im Gange.

www.isb.vt.edu/articles/jun0503.htm

Bodensanierung mit gentechnisch veränderten Kulturen

Geht es darum, verunreinigte Böden zu sanieren oder Abwasser, Abgase und Abfälle zu reinigen und zu recyceln, ist häufig von der „Grauen Gentechnik“ die Rede. Hierbei kommen gentechnisch veränderte Mikroben und Pflanzen zum Einsatz – wodurch sich eine weitere Schnittstelle zur Grünen Gentechnik ergibt. Es geht in diesem Themenfeld auch um Böden, die mit Schwermetallen belastet sind. In vielen Regionen der Welt machen sie die Landwirtschaft unmöglich. Vor allem Entwicklungs- und Schwellenländer wie Indien und China sind von derlei Kontaminationen betroffen. Die Reinigung solcher Böden ist aufwändig und teuer, in einigen Fällen technisch unmöglich. Abhilfe schaffen sollen verstärkt gentechnisch veränderte Pflanzen, die Schwermetalle über ihre Wurzeln aufnehmen und bspw. in ihren Blättern anreichern und anschließend entsorgt werden können. Schon in den 1980er Jahren haben Wissenschaftler Farne ausgemacht, die auf Metall belasteten Böden wachsen und Schwermetalle aus dem Boden ziehen. In den USA kamen 1999 erstmals gentechnisch veränderte Tabakpflanzen zum Einsatz, um im Boden versickerte Schadstoffe in harmlose Bestandteile abzubauen.

Metall anreichernde Pflanzen produzieren in aller Regel wenig Biomasse, weshalb ihre Entgiftungskapazitäten begrenzt sind. Mittlerweile konnten jedoch verschiedene Mechanismen der pflanzlichen Metallanreicherung und deren genetischen Grundlagen aufgeklärt werden. Der Erkenntnisgewinn fließt unmittelbar in die Anwendungsforschung. So gibt es bereits Modellpflanzen, die Arsen, Quecksilber oder Selen aus dem Boden ziehen. Ute Krämer vom Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie in Golm forscht an solchen Kulturen. Das Bundesforschungsministerium (BMBF) hat diese Arbeit über einen Zeitraum von fünf Jahren im Rahmen des „BioFuture-Programms“ für Nachwuchswissenschaftler gefördert.

www.mpg.de/bilderBerichteDokumente/dokumentation/pressemitteilungen/2003/pressemitteilung20031203/index.html

Krämer U., Phytoremediation: novel approaches to cleaning up polluted soils, Current Opinion in Biotechnology 2005, 16: 133-141.

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