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

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ölke

rung

(M

illia

rden

)

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.