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Why study plants?
Pflanzen sind, wie die meisten Tiere, vielzellige Eukaryonten
BakterienArchaea Tiere
Pflanzen
Pilze
Gemeinsame Vorfahren
Pflanzen sind, wie die meisten Tiere, vielzellige Eukaryonten
BakterienArchaea Tiere
Pflanzen
Pilze
Gemeinsame Vorfahren
Pflanzen sind unterschiedlich
Grünalgen
Leber-moose
Laub-moose
Gefäßpflanzen
Bärlapp-gewächse
Farne
Samen-pflanzen
Blüten-pflanzen
Gymnospemen
MonokotyledonenDikotyle-donen
Landpflanzen
Pflanzen können an den verschiedensten Standorten gedeihen.
Pflanzen machen uns glücklich
Dravigne, A. et al. (2008) HortScience 43: 183-187; Photo credit: tom donald
Menschen mit
Pflanzen im
Blickfeld sind
mit ihrer Arbeit
zufriedener.
Pflanzen sind erstaunliche Lebewesen
Größte Blüten (~ 1 m)
Älteste Lebewesen (~ 5000 Jahre)
Größte Organismen (> 100 m)
Photo credits: ma_suska; Bradluke22; Stan Shebs
Wir können nicht ohne Pflanzen leben
• Pflanzen produzieren den
größten Teil des Sauerstoffs,
von dem wir leben.
• Pflanzen produzieren den
größten Teil der chemisch
gebundenen Energie, die
wir als Nahrung nutzen oder
als Treibstoff verbrennen.
• Pflanzen produzieren eine
erstaunliche Vielfalt von
nützlichen Verbindungen.
Joseph Priestley (1772)
erkannte, dass die
Atmung von Tieren und
Menschen die Luft
“verbraucht”.
Ein Lebewesen in
einem abgeschlossenen
Behälter stirbt.
Wir können nicht ohne Sauerstoff leben!
KEIN Sauerstoff
Priestley erkannte auch,
dass Pflanzen die Fähigkeit
besitzen, Luft wieder
regenerieren zu können.
Heute wissen wir, dass
Pflanzen den für uns
lebenswichtigen Sauerstoff
als Nebenprodukt der
Photosynthese produzieren.
Wir können nicht ohne Sauerstoff leben!
Sauerstoff wirdvon der Pflanzeproduziert
Pflanzen fixieren Kohlendioxid und
synthetisieren daraus energiereiche Produkte,
die wir als Nahrungsgrundlage nutzen
CO2
Über die Photosynthese
setzen Pflanzen das
atmosphärische CO2
zunächst in Zucker um.
Pflanzen produzieren eine erstaunliche
Vielfalt an wertvollen Verbindungen
Vitamin A
Vitamin CVanillin
Kaffein
Morphin
CO2
Why study plants?
Um gefährdete Pflanzen
und eine bedrohte Umwelt
zu schützen.
Um die Natur besser
verstehen zu können.
Um Pflanzen als Rohstoffe
und Produzenten von
Nahrung und Medizin
besser nutzen zu können.
Photo credit: tom donald
Das Studium der Pflanzen zeigt
uns unsere Welt
Zeichnung des Korks von Robert Hooke, dem Entdecker der “Zellen”
Zellen wurden erstmals in Pflanzen entdeckt
Korkzellen (Photographie)
Photo credit: ©David B. Fankhauser, Ph.D
Viren wurden erstmals aus Pflanzen isoliert
Tabakmosaikvirus
Viren infizieren Menschen,
Tiere und Pflanzen. Sie
verursachen viele Krankheiten
wie AIDS, Hepatitis, SARS,
Schweinegrippe, Windpocken
und Kinderlähmung.
Image Copyright 1994 Rothamsted Research
Die Arbeiten von Gregor Mendel an Erbsen
führten zu den Vererbungsregeln
… und halfen uns, menschliche Krankheiten wie die Sichelzellen Anämie zu verstehen ...
G. Mendel (1822-1884)
... und die Hämophilie, wie auch unzählige andere genetisch bedingte Erkrankungen.
Stammbaum einer Familie mit Hämophilie Allelen
Die Arbeiten von Gregor Mendel an Erbsen
führten zu den Vererbungsregeln
G. Mendel (1822-1884)
Die Mendel´schen Regeln
waren grundlegend für die
Pflanzengenetik und die moderne
Pflanzenzüchtung.
Pflanzenzüchter
Norman Borlaug
(1914-2009)
Nobelpreis 1970
Die Arbeiten von Gregor Mendel an Erbsen
führten zu den Vererbungsregeln
G. Mendel (1822-1884)
WHY STUDY PLANTS?
Die Weltbevölkerung wächst und wächst …
Die Weltbevölkerung
wird sich zwischen 1950
(2.5 Milliarden) und
2020 (7.5 Milliarden)
verdreifachen.
Wel
tbev
ölke
rung
(M
illia
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)
Ein Hauptziel der
Pflanzenwissenschaft ist
die Steigerung der
Nahrungsmittelproduktion.
Es wird angenommen,
dass wir einen Anstieg um
70% in den nächsten 40
Jahren benötigen werden.
Die Weltbevölkerung wächst und wächst …
Mangelernährung und Hunger lassen
überproportional viele Kinder sterben
2004 starben 60 Millionen Menschen weltweit
(Source: World Health Organization, 2008)
10 Millionen waren Kinder unter
fünf Jahren; davon 99% aus
Entwicklungsländern
(Source: The State of the World's Children, UNICEF, 2007)
Mangelernährung und Hunger lassen
überproportional viele Kinder sterben
5 Millionen Kinder unter fünf Jahren
sterben jährlich an Unterernährung und
den damit verbundenen Ursachen;
d.h. alle sechs Sekunden stirbt ein
Kind im Vorschulalter einen
vermeidbaren Tod.
Mangelernährung und Hunger lassen
überproportional viele Kinder sterben
1 Millionen Kinder sterben jährlich
an Vitamin A - Mangel.
(Source: Vitamin and Mineral Deficiency, A Global Progress Report, UNICEF)
Mangelernährung und Hunger lassen
überproportional viele Kinder sterben
Wie würde die Welt auf eine Krankheit
reagieren, die die Bevölkerung in den
USA, Kanada und der Europäischen
Gemeinschaft betrifft?
Mehr als 1 Milliarde Menschen weltweit
leiden chronisch an Hunger
Das ist mehr als die Gesamtbevölkerung in den USA, Kanada und der
Europäischen Gemeinschaft
(Source: FAO news release,19 June 2009)
Mehr als zwei Milliarden Menschen weltweit
leiden an Eisenmangel und sind anämisch
Das ist mehr als die Gesamtbevölkerung in den USA, Kanada, der
Europäischen Gemeinschaft und China
(Source: World Health Organization, WHO Global Database on Anaemia)
WAS KÖNNEN DIE
WISSENSCHAFTLER
DAGEGEN TUN?
Durch die Entwicklung von Pflanzen
• die trocken- oder stress-tolerant sind
• die weniger Dünger oder Wasser benötigen
• die pathogen-resistent sind
• die nahrhafter sind
Pflanzenwissenschaftler können ein Beitrag
zur Linderung des Hungers leisten
Das Wachstum von Pflanzen wird oftmals
durch Trockenheit beeinträchtigt
Image source: IWMI
Gebiete mit physikalischem und ökonomischem Wassermangel
Trockenstress wird durch den Anstieg
der globalen Temperatur verstärkt
Der Ernteertrag kann in warmen Gebieten um ~3 - 5% pro 1°C Temperaturanstieg sinken.
© European Communities, 1995-2009. Image Source: The PESETA Project
Vorhersage der Temperaturänderung fürden Zeitraum 2071-2100, relativ zumZeitraum 1961-1990.
Sogar ein milder Trockenstress führt zu
Ernte-Einbußen
Bereits ein milder Trockenstress führt
zur Reduktion der Photosynthese
und des Wachstums; ein starker
Trockenstress zum Absterben.
Hitze und Trockenheit beeinträchtigen den Ernteertrag
Wir brauchen Pflanzen mit der Fähigkeit,
unter Stress-Bedingungen gut zu wachsen
Mehr Landfläche zum Anbau von Nutzpflanzen benötigt
Hitze und Trockenheit beeinträchtigen den Ernteertrag
Wir brauchen Pflanzen mit der Fähigkeit,
unter Stress-Bedingungen gut zu wachsen
Waldrodungen für den Landgewinn führen jedochzu einer gesteigerten CO2- Abgabe in die Atmosphäre
Hitze und Trockenheit beeinträchtigen den Ernteertrag
Mehr Landfläche zum Anbau von Nutzpflanzen benötigt
Wir brauchen Pflanzen mit der Fähigkeit,
unter Stress-Bedingungen gut zu wachsen
Die Änderung eines einzigen Gens kann
der Pflanze Trocken-Toleranz verleihen
Anschl. WässerungGut gewässert 10 Tage trocken 20 Tage trocken
Trocken-tolerant
Wildtyp
Yu, H. et al. (2008) Plant Cell 20: 1134-1151
Ein vergrößertes Wurzelsystem trägt
zur Trocken-Toleranz bei
Keimlinge Ausgewachsene Pflanzen
Wildtyp WildtypTrocken- tolerant
Trocken- tolerant
In Trockengebieten
könnte ein Anbau
von Pflanzen mit
vergrösserten
Wurzelsystemen
zu höheren
Ernteerträgen
führen.
Yu, H. et al. (2008) Plant Cell 20: 1134-1151
Düngemittel sind limitiert und ihre
Herstellung ist energieaufwändig
• Nutzpflanzen brauchen Dünger -
Kalium, Phosphat, Stickstoff und
andere Elemente.
• Kalium und Phosphat stammen
aus nicht-erneuerbaren Quellen.
• Die Herstellung von Stickstoff-
Düngern verbraucht hohe
Energiemengen.Photo credits: Mining Top News; Library of Congress, Prints & Photographs Division, FSA-OWI Collection, LC-USW361-374
Der Einsatz von Düngemitteln trägt
beträchtlich zur Umweltverschmutzung bei
Photo courtesy of NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio)
Das Auswaschen von
Düngemitteln ist
umweltschädigend.
Es führt zur
Algenblüte; der damit
verbundene
Sauerstoffmangel im
Wasser zerstört die
Grundlagen für
jegliches Leben.
Yuan, L. et al. (2007) Plant Cell 19: 2636-2652
Die Aufnahme von Nährstoffen in die
Pflanzen kann verbessert werden
Verbesserte Transportsysteme in der Wurzel können den Einsatz von Düngemitteln reduzieren.
Nutzpflanzen werden mit mehrjährigen Pflanzen gekreuzt, um die Abhängigkeit von Dünger und Wasser zu reduzieren.
Wes Jackson vom Land Institute zeigt die mehrjährige Pflanze Thinopyrum intermedium (Weizengras), die mit dem Weizen verwandt ist
Mehrjährige Pflanzen haben ein größeresWurzelsystem und können Wasser und
Nährstoffe besser aufnehmen alsdie meisten (einjährigen) Nutzpflanzen
Photo credit: Jodi Torpey, westerngardeners.com
Zwei ernste Krankheiten bedrohen z. Zt.
die Welternährung
• Phytophthora infestans
bewirkt die Kartoffelfäule und
hat sich erneut zu einer
ernsten Bedrohung entwickelt.
• Puccinia graminis tritici,
der Getreide-Rostpilz,
hat sich ebenfalls zu einer
aggressiven Form entwickelt.
Photo credits: www.news.cornell.edu; www.fao.org
Phytophthora infestans zerstört Kartoffeln
• Die Kartoffelfäule wird
durch Phytophthora
infestans bewirkt. In den
1840-iger Jahren führten
durch Phytophthora verursachte
Missernten zu mehr als 1 Millionen
Hungertoten in Europa.. (Photo credits: USDA; Scott Bauer)
Infiziert Behandelt
Die Identifizierung von Resistenz - Genen
Resistent
Inokuliert mit Pilz Nicht inokuliert
Suszeptibel
Die Pflanze (links) trägt das Resistenzgen und zeigt keine Krankheitssymptome.
Song, J. et al. (2003) PNAS 100: 9128-9133; Copyright (2003) National Academy of Sciences, U.S.A.
Pflanzengenetiker haben ein
Phytophthora infestans
Resistenz-Gen identifiziert
und es in andere Kartoffel-
Varietäten eingeführt.
Der Getreiderost ist eine zunehmende
Bedrohung
• Ein neuer, hoch-
pathogener Stamm
tauchte erstmals 1999
in Uganda auf (Ug99).
• Die meisten Weizensorten
sind gegen diesen Stamm
nicht resistent.
Infizierte Weizenpflanzen
Photo credit: ARS USDA
Ug99 bedroht den Weizen weltweit
• Das ist ein globales
Problem, das eine
globale Aufmerksamkeit
erfordert. Die Sporen
von Ug99 werden nicht
an nationalen Grenzen
aufgehalten …
– United Nations Food and Agriculture Organization (FAO)
Photo credit: ARS USDA
Die Pilzsporen werden durch den Wind übertragen
• Ug99 wird in Uganda,
Kenia, Äthiopien, im
Jemen, Sudan und Iran
gefunden und bedroht
Regionen im Nahen Osten,
Ost-Afrika, Zentralafrika
und im südlichen Afrika.
Rot: Winde, mit denen die
Pilzsporen verbreitet
werden.
Photo credit: www.wheatrust.cornell.edu
Weizen ist die
wichtigste Nutzpflanze
in vielen bedrohten
Regionen, besonders
für die ärmsten
Bewohner.
Wahrscheinliche Ug99 Flugbahnen
Photo credit: www.wheatrust.cornell.edu
Die Pilzsporen werden durch den Wind übertragen
Internationale Wissenschaftler-Teams kooperieren, um die Ausbreitung von Ug99 zu überwachen und resistente Weizen-Varietäten zu entwickeln.
Zur Zeit weiß niemand, ob rechtzeitig resistente Varietäten entwickelt werden können, um eine größere Hungersnot abzuwenden …
Photo credits: Bluemoose; FAO
Nach der Ernte reifen
die Früchte, werden
weich und verrotten.
Diese Prozesse machen die Früchte
weniger ansehnlich und beeinträchtigen
ihren Nährwert.
Photo credits: Cornell University; ARC
Pflanzenbiologen suchen nach Möglichkeiten,
Pflanzen nach der Ernte gesund zu erhalten
Unsachgemäße Lagerung von Kartoffeln führt zur Ergrünung und der Produktion von Solanin. Solanin ist schädlich und in höheren Mengen toxisch.
Photo credits: Dr. C.M. Christensen, Univ. of Minnesota; WSU; Pavalista, A.D. 2001
Aspergillus Schimmel,der auf Maiskörnern wächst.
Pilzbefall während der Lagerung kann zu einem
Verlust des Körnerertrages von mehr als 50% führen.
Grün-Skala
Zei
t (T
age)
Tage = -0.106 + 0.6937 (GS)
Weiss-Rot Licht(6.8 µE m-2 sec-1)
Pflanzenbiologen suchen nach Möglichkeiten,
Pflanzen nach der Ernte gesund zu erhalten
Vitamin A Defizienz
Hunger
Wir brauchen Vitamine, Mineralien und
Kalorien. Die Ernährung am Existenz-
minimum ist normalerweise
nährstoffarm. Die damit verbundene
Mangelernährung ist primär eine
Krankheit der armen Bevölkerung.
Anämie (Kinder)
Ein verbesserter Gehalt an pflanzlichen
Nährstoffen kann Mangelernährung vermindern
Image sources: Petaholmes based on WHO data; WHO
Die Anreicherung von Nahrungsmitteln mit Vitaminen
(wie Folsäure und Vitamin A) und Mikro-Nährelementen
(wie Eisen, Zink und Jod) hat zu einem dramatischen
Rückgang der Mangelernährung in großen Teilen der
Welt geführt.Photo credit: © UNICEF/NYHQ1998-0891/Giacomo Pirozzi
Genetisch veränderte Biotech-Pflanzen
Eisen-angereicherter Reis
Wildtyp (oben) und Antioxidantien-angereicherte
Tomaten (unten)
Photo credits: Golden Rice Humanitarian Board © 2007;Credit: ETH Zurich / Christof Sautter; Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: Butelli, E. et al., Nature Biotechnology 26, 1301-1308 copyright (2008)
Vitamin A-angereicherter Reis(“Golden Rice”)
Pflanzen
versorgen uns
nicht nur mit
Nahrung
Pflanzen:
• sind Ausgangsmaterialen für die Herstellung neuer therapeutischer Mittel
• liefern Fasern für Papier und Gewebe
• stellen erneuerbare Produkte bereit
• dienen als erneuerbare EnergiequellenPhoto credit: tom donald
Pflanzen produzieren eine große Vielfalt von
Verbindungen, die in der Medizin oder
als Drogen genutzt werden
• Weide (Salix); Rinde enthält schmerzstillende Salicylate
(Aspirin = Acetylsalicylsäure)
• Fingerhut (Digitalis purpurea); Rohstoff für die
Isolierung von Digitalis (Herzmittel)
• Pazifische Eibe (Taxus brevifolia); Rohstoff für die
Isolierung von Taxol (Krebsmittel)
• Kaffee (Coffea arabica) und Tee (Camellia sinensis);
Rohstoff für die Isolierung von Koffein
Malaria führt zu Millionen von Toten
Weltregionen mit erhöhtem Risiko für Malaria.
Hay, S.I. et al., (2009) PLoS Med 6(3): e1000048. doi:10.1371/ journal.pmed.1000048
Plasmodium falciparum
ist der Verursacher von Malaria
Plasmodium in
einer Mauszelle.
Image by Ute Frevert; false color by Margaret Shear
Plasmodium wird über infizierte
Stechmücken auf Menschen übertragen
Photo credit: CDC
Die Rinde des Chinabaums enthält Chinin,
das die Plasmodien abtötet
Plasmodium entwickelt jedoch Resistenzen gegen Chinin, so dass andere Anti-Malaria Mittel gefunden werden müssen.
Image credits: Köhler; CDC
Gin und Quinin?
(Crown copyright; Photograph courtesy of the Imperial War Museum, London - Q 32160)
Britische Soldaten in
tropischen Regionen
bekamen Quinin als
Anti-Malaria Mittel.
Um den bitteren
Geschmack zu
neutralisieren, wurde
Quinin mit süßem
Sprudelwasser (“Tonic”)
gemischt, oft auch mit Gin
- der Ursprung des “Gin Tonic”.
Artemisia annua ist eine Pflanze mit
neuen Anti-Malaria Aktivitäten
Photo credit: www.anamed.net
Artemisinin
Artemisia wird von chinesischen Kräuterärzten seit
2000 Jahren eingesetzt. 1972 konnte die aktive
Komponente, Artemisinin, isoliert werden.
Pflanzenwissenschaftler entwickeln
hoch-aktive Artemisia Arten
Photo credit: www.york.ac.uk/org/cnap/artemisiaproject/
Pflanzliche Zellwände stellen wichtige
und dauerhafte Materialien bereit
Holz besteht
primär aus
pflanzlichen
Zellwänden.
Photo credit: tom donald
Zellwände
Photo credit: www.wpclipart.com/plants; Zhong, R. et al. (2008) Plant Cell 20: 2763-2782
Primäre Zellwände bestehen hauptsächlich aus
Kohlenhydraten und Proteinen.
Einige Zellen produzieren eine feste sekundäre Zellwand, in die Lignin, eine quervernetzte Verbindung, eingelagert wird.
Pektin
Mikrofibrillen(Cellulose)
Hemicellulose
LöslicheProteine
MittelLamelle
PlasmaMembran
PrimäreZellwand
Holz und Fasern sind überall
Rembrandt van Rijn (1631)
Kleider aus Pflanzen-Gewebe (Baumwolle,Leinen, Seide)
Holz ist ein Baustoffund wird zur Herstellungvon Möbeln genutzt
Pflanzengewebe werdenzur Herstellung von Papier,früher Papyrus, genutzt
Die Leinwandist aus Flachs-oder Hanf-Fasern
Pflanzen liefern Fasern
für Papier und Gewebe
Baumwolle wird auf höhere Schädlingsresistenz
und eine verbesserte Faserproduktion gezüchtet.Photo credits: Chen Lab; IFPC
Die Sequenzierung des Genoms der Pappel,
deren Holz für die Papierproduktion genutzt
wird, wurde kürzlich abgeschlossen
Diese Information wird jetzt genutzt, um die Effizienz der Papierherstellung zu verbessern.
Photo credit: ChmlTech.com
Bleichen des Papierbreis
Die dunkle Farbe des Breis wird hauptsächlich durch Ligninverursacht, das schrittweise während des Bleichens entfernt wird
Nach Kochen O2 Bleichung
Pflanzen können Erdöl bei vielen
Produkten und Anwendungen ersetzen
Es braucht viele Millionen
Jahre, um abgestorbenes
organisches Material in Erdöl
umzuwandeln … und der
Erdöl-Vorrat geht zu Ende.
Erdöl ist KEINE
erneuerbare
Energiequelle
creativecartoons.org
Pflanzen können Erdöl bei vielen
Produkten und Anwendungen ersetzen
creativecartoons.org.
Es braucht viele Millionen
Jahre, um abgestorbenes
organisches Material in Erdöl
umzuwandeln … und der
Erdöl-Vorrat geht zu Ende.
Erdöl ist KEINE
erneuerbare
Energiequelle
Wenn ich groß bin, möchte ich ein
fossiler Brennstoff werden
Pflanzen dienen als Rohstoff für Bio-Kraftstoffe
Energie aus der Sonne
Image source: Genome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory
Zucker, Stärke und
Cellulose können zu
Ethanol fermentiert
werden.
Mikroorganismensetzen Zucker inAlkohol um, der dannaus der Mischung vonAlkohol, Wasser undMikroorganismenabgetrennt und überDestillation gereinigt wird.
Pflanzen dienen als Rohstoff für Biodiesel
Image sources: Tilo Hauke, University of Minnesota, Iowa State University Extension.
Aus Raps, Sojabohnen oder Algen
produzierter Biodiesel kann
erdölbasierten Diesel ersetzen.
Bioenergie-Pflanzen beeinträchtigen
nicht die Nahrungsmittelproduktion
oder deren Preise
Miscanthus giganteus
(“Elefantengras”) ist eine
mehrjährige und schnell-
wachsende Bioenergie-
Pflanze, die auf
landwirtschaftlich anders
nicht nutzbaren Flächen
angebaut werden kann.
Photo Illustration courtesy S. Long Lab, University of Illinois, 2006
Aus der Cellulose der Zellwand gewonnenes
Ethanol ist eine bedeutende Energiequelle
Zellwändeaus Mais-Stängeln
und anderen
Pflanzen-Abfällen
Ethanol
Image source: Genome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory
Produktion vonPlastik aus erneuerbarem Pflanzenmaterial
Energie aus der Sonne
Photo Illustration courtesy S. Long Lab, University of Illinois, 2006
Pflanzen dienen als Produzenten für erneuerbare
und biologisch abbaubare Materialien
Biodegradation
Wissenschaftler erforschen kostengünstige Wege, um aus Pflanzen Plastik herzustellen.
Photo Illustration courtesy S. Long Lab, University of Illinois, 2006
Energie aus der Sonne
Pflanzen dienen als Produzenten für erneuerbare
und biologisch abbaubare Materialien
Why study plants?
Von Pflanzen lernen wir die Grundlagen der Natur
und des Lebens zu verstehen. Mithilfe neuer
Technologien können wir Pflanzen als Lieferanten
für eine Unzahl von Verbindungen und Produkten
nutzen. Pflanzen ernähren uns, halten uns gesund
und bereichern unser Leben in vielfacher Hinsicht.