• Neue Wege in der Pflanzenforschung

    Mit Hightech gegen Herbizidresistenzen

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    Nutzpflanzen schützen und Unkräuter bekämpfen: Dr. Anu Machettira untersucht im Gewächshaus die Wirkung herbizider Testsubstanzen auf unterschiedliche Pflanzenarten.

Unkrautbefall ist der wichtigste Grund für Ernteausfälle weltweit, er führt zu hohen Kosten und bedroht die globale Ernährungssicherheit. Weil Unkräuter zunehmend Resistenzen gegen einige Herbizide entwickeln, wird es für Landwirte schwerer, ihre Felder profitabel zu bewirtschaften. Auf der Suche nach neuen Herbiziden mit alternativen Wirkmechanismen beschreitet Bayer neue Wege und ko­operiert mit dem Start-up-Unternehmen Targenomix.

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  • Herausforderung:
    Unkrautresistenzen nehmen zu und bedrohen die Ernährung der Weltbevölkerung.
  • Lösung:
    Bayer-Forscher kooperieren mit verschiedenen Partnern wie dem Biotech Start-up Targenomix. Durch bioinformatische Methoden finden sie so komplett neue Herbizid-Wirkmechanismen.
  • Nutzen:
    Neue herbizide Wirkstoffe ermöglichen es Farmern weltweit ihre Felder wieder profitabel zu bewirtschaften – und sichern so Ernteerträge.

Sie wachsen extrem schnell, in großer Zahl und überwuchern Nutzpflanzen, sodass der Landwirt nach kurzer Zeit sein Feld kaum wiedererkennt: Ackerwinden schlängeln sich um chinesische Weizenhalme, Weidelgras überwächst Raps in Australien und stiehlt ihm Sonnenlicht und Nährstoffe. Währenddessen kann Palmer-Amaranth US-amerikanische Maispflanzen überragen, und jeder einzelne Strauch verteilt am Saisonende bis zu 1.500.000 Samen in der näheren Umgebung. Diese Unkräuter plagen Landwirte in den USA, Mexiko, Argentinien und jetzt auch in Brasilien. Für Bauern weltweit bedeutet Unkrautbefall ein vernichtendes Szenario, durch das sie verstärkt zu chemischen Pflanzenschutzmitteln greifen müssen, sogenannten Herbiziden – einer künstlichen Sense gegen Unkräuter, die allerdings zusehends stumpf wird. Nichts kontrolliert Unkräuter in einem so großen Maßstab und so wirtschaftlich wie ein Herbizid.

Jeder einzelne Strauch des Unkrauts Palmer-Amaranth verteilt am Saisonende bis zu 1.500.000 Samen in der näheren Umgebung.

Herbizidresistente Unkräuter

Die Zahl herbizidresistenter Unkräuter steigt kontinuierlich

Mittlerweile sind etwa 250 Unkrautarten resistent gegen Herbizide und beeinträchtigen das Wachstum bedeutsamer Feldfrüchte enorm. Seit Jahrzehnten steigt die Zahl kontinuierlich, sodass heute gegen 23 von 26 bekannten Herbizid-Wirkmechanismen Resistenzen existieren. „Es ist ein globales Problem, das die Welternährung bedroht“, sagt Dr. Marco Busch, Head of Weed Control Research bei der Bayer-Division Crop Science. Würden die Landwirte komplett auf Herbizide verzichten, lägen die Ertragsverluste durch Unkräuter bei rund einem Drittel der Gesamternte. Verantwortungsvoller und effizienter Herbizideinsatz reduziert sie auf neun Prozent. „Wir können uns solche Verluste bei der Ernährung der vorausgesagten knapp zehn Milliarden Erdenbürger im Jahr 2050 schlichtweg nicht leisten“, erklärt Busch. Damit die verfügbaren Herbizide wirksam bleiben, empfiehlt Bayer ein integriertes Programm zum Unkraut-Management. Bayers Integrated Weed Management verfolgt eine ganzheitliche Strategie nachhaltiger Landwirtschaft. Besonderes Augenmerk liegt auf der Unkrautkontrolle durch eine Kombination physikalischer, ackerbaulicher, biologischer und chemischer Maßnahmen, die kostengünstig sind und die Umwelt schonen. „Langfristig brauchen wir aber innovative Herbizide, die das Handwerkszeug von Landwirten erweitern und diversifizieren“, betont Busch.

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Mit Hightech zu neuen Wirkstoffen: Bayer-Mitarbeiter Mario Boecher bereitet den Pipettierroboter in Frankfurt für die Analyse Tausender herbizider Testmoleküle vor.

Eine Lösung sind Wirkstoffe, die sich gegen völlig neue Ziele richten

Ein vielversprechender Ansatz zur Lösung des Problems ist die Entwicklung von Molekülen, die völlig neue Ziele in der Pflanzenzelle angreifen. „Wir wollen Substanzen zur Verfügung stellen, die Landwirte gegen resistente Unkräuter einsetzen können“, sagt Busch. Dafür setzt Bayer auf neuartige Wege, die die klassischen industriellen Forschungsansätze ergänzen und stärken. Bayer-Forscher kooperieren jetzt mit Wissenschaftlern der Firma Targenomix. Die Ausgründung des Max-Planck-Instituts für Molekulare Pflanzenphysiologie in Golm bei Potsdam besitzt eine große Kompetenz auf verschiedenen Gebieten wie Genetik, Zellbiologie oder Biochemie sowie als Schwerpunkt Bioinformatik und Systembiologie. In ihren Laboren untersuchen die Experten, was in einer Pflanze geschieht, die mit Substanzen aus der Bayer-Wirkstoffbibliothek behandelt wurden. Dazu isolieren die Targenomix-Forscher Zigtausend unterschiedliche Biomoleküle aus den Pflanzen, die zuvor in den Bayer-Labors in Frankfurt vorbereitet wurden. Mit mathematischen Modellen können sie von dem Biomolekül-Profil auf den möglichen Wirkort schließen. So identifizieren sie Substanzen, die neuen Wirkmechanismen folgen. Die systembiologischen Ansätze der Forscher werden unterstützt durch parallel durchgeführte genetische, zellbiologische und biochemische sowie biophysikalische Arbeiten.

Expertenrunde: Dr. Arno Schulz, Dr. Bodo Peters und Dr. Pascal von Koskull-Döring (v. li.) diskutieren bei Bayer in Frankfurt über die Effekte von herbiziden Kandidatenmolekülen.
Die Forscher arbeiten größtenteils mit dem Pflanzenmodell Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana).
Mehr als die Summe der Bestandteile: Targenomix-Geschäftsführer Dr. Sebastian Klie (Mitte) bespricht mit Mitarbeitern und Dr. Pascal von Koskull-Döring (re.) ein Interaktionsnetzwerk von Genen. Sein interdisziplinäres Team analysiert die Folgen einer Herbizidbehandlung auf molekularer Ebene.

Gegen 23 von 26 bekannte Herbizid-Wirkmechanismen existieren Resistenzen.

Interview: Lothar Willmitzer

„Wir brauchen neue Wirkstoffe“

research sprach mit Prof. Lothar Willmitzer über die Verbreitung von Herbizidresistenzen. Er ist einer der Direktoren des Max-Planck-Instituts (MPI) für molekulare Pflanzenphysiologie in Golm bei Potsdam und für die wissenschaftlichen Arbeiten der Firma Targenomix gemeinsam mit Dr. Klie und Dr. von Koskull-Döring verantwortlich.

Wie gefährlich ist die Zunahme von Herbizidresistenzen für die Landwirtschaft?

Was ich sehe, ist bedrohlich. Wir brauchen eine neue Generation von Herbiziden, die neue Ziele in der Pflanzenzelle angreifen – diese liefern uns Unternehmen wie Bayer. Seit knapp 30 Jahren wurde kein Herbizid mit neuem Wirkmechanismus zugelassen – Resistenzen nehmen aber zu. Wir haben es mit einem weltweiten Problem zu tun und müssen handeln.

Was können Wissenschaftler tun?

Es gibt verschiedene Möglichkeiten: Erstens können wir neue chemische Mittel zur Unkrautbekämpfung entwickeln. Ein zweiter Ansatz ist, die Pflanzen selbst zu verändern – beispielsweise, indem wir Nutzpflanzen unempfindlicher gegen konkurrierende Unkräuter machen.

Wie sieht Ihre Vision aus?

Die schwerpunktmäßige Ausrichtung von Targenomix auf den bioinformatischen Umgang mit diesem Problem war und ist mir sehr wichtig. In diesem Bereich gibt es noch Gestaltungsspielraum. Wissenschaftliche Konzepte sind dagegen in der Biochemie und Zellbiologie deutlich fixierter. Die Bioinformatik lässt mehr Raum, in dem sich Forscher entfalten und ihre eigenen kreativen Ansätze verfolgen können. Außerdem generieren wir in der modernen Biologie immer günstiger und immer schneller Daten. Dieser Trend wird sich fortsetzen – und umso wichtiger werden die Werkzeuge, mit denen wir die Daten interpretieren können.

Bei Targenomix verfolgen Sie den Ansatz der Systembiologie. Wie schätzen Sie das Potenzial der hypothesefreien Forschung ein?

Der Ansatz der Systembiologie – zu versuchen, einen Organismus in seiner Gesamtheit zu verstehen – wird weiter an Bedeutung gewinnen. Wir sammeln zunächst viele Daten über unser Versuchsobjekt, aus der Gesamtheit der Daten leiten wir dann eine Hypothese ab. Wir enden also mit der Hypothese, während die konventionelle Forschung mit ihr beginnt. Letztlich geht es darum, das biologische System besser zu beschreiben und ich persönlich glaube, dass wir es dann auch besser verstehen können. Es gibt da durchaus andere Meinungen in der Forscher-Community. Nach dem Motto: Wenn wir die Teile des Autos kennen, wissen wir noch lange nicht, wie es fährt. Ich bin mir sicher: Diese neuen Ansätze und Methoden werden zu mehr Wissen darüber führen, wie Pflanzen funktionieren. Einige Wissenschaftler haben möglicherweise die Zeitkomponente unterschätzt. Forschung hat aber ohnehin ein offenes Ende, da es kein endgültiges Ziel zu erreichen gibt.

Resistente Unkräuter bekämpfen und Nutzpflanzen schützen: Mithilfe hochmoderner Technologien werden neue Herbizide entwickelt, die den Landwirten in Zukunft helfen können, ihre Ernten zu sichern.

Die Entwicklung neuer Herbizide beginnt im Kleinstmaßstab mit Setzlingen

Der eigentliche Forschungs- und Entwicklungsprozess für neue Substanzen, die den Unkräutern auf den Feldern den Garaus machen und Ernteerträge sichern, beginnt zunächst im kleinen Maßstab: in einer 15 Zentimeter langen rechteckigen Mikrotestplatte mit 96 Vertiefungen für individuelle biologische Tests. Jede Vertiefung enthält Unkrautkeimlinge und wird mit einer anderen Testsubstanz behandelt. Weitere Platten enthalten Unkrautsetzlinge anderer Arten. An den jungen Pflänzchen testen Bayer-Forscher Tausende Moleküle aus der unternehmenseigenen Substanzbibliothek. In diesem Molekülfundus lagern mehrere Millionen Fläschchen mit verschiedenen Prüfsubstanzen und täglich kommen neue dazu. „Wir untersuchen deren Effekte auf Pflanzen in einem Hochdurchsatz-Verfahren. Zur Steigerung der Effizienz sind viele Schritte automatisiert und werden von Robotern durchgeführt“, erklärt Dr. Pascal von Koskull-Döring, Projekt-Koordinator der Targenomix-Kooperation bei Bayer.

Vom Labor in die freie Natur – das ist der schwierigste Schritt

Die grüne Gefahr: Dieses Maisfeld in Colorado ist von glyphosatresistenter Kochia befallen. Resistente Unkräuter stehlen Nutzpflanzen Platz, Nährstoffe, Wasser und Licht – so schmälern sie die Erträge.

Wirksame Substanzen werden an größeren Unkräutern und Nutzpflanzen erprobt

Biotests in der Herbizidforschung

Vielversprechende Wirkstoffe kommen im Prozess einen Schritt weiter und werden an größeren Pflanzen, die in der Erde wachsen, getestet. Zusätzlich untersuchen die Forscher ein größeres Spektrum an Unkrautarten. Zudem testen sie, ob die Substanzen einen Einfluss auf die Nutzpflanzen haben, die sie eigentlich schützen sollen. Kristallisiert sich im Prozess ein vielversprechender Kandidat heraus, dann muss er die strengen Toxizitäts- und Umweltsicherheitsprüfungen bestehen, bevor die Wissenschaftler zu Feldversuchen übergehen können: „Vom Labor in die freie Natur – das ist der schwierigste Schritt“, so von Koskull-Döring. Denn außerhalb des Gewächshauses oder der Klimakammer kommen auch Umwelteinflüsse hinzu – diese Faktoren können zu anderen Ergebnissen führen. Normalerweise analysieren die Forscher ihre Testpflanzen nicht auf der molekularen Ebene. Die Wirksamkeit einer Substanz wird allein anhand des sichtbaren Effekts bewertet, den sie bei den Unkräutern hervorruft. Einige Wirkstoffe führen beispielsweise zu einer Weißfärbung der Pflanzen, während andere ihr Wachstum stören. Mit diesem Ansatz können schnell viele Substanzen getestet werden. Aber: „Moleküle mit einem interessanten, doch eher schwachen Effekt können dabei manchmal durchs Raster fallen “, sagt von Koskull-Döring. Die Experten von Targenomix ermöglichen den Bayer-Forschern, tief in die Pflanzenzellen hineinzuschauen, um weiter zu klären, was dort passiert. Von Koskull-Döring erklärt den Ausgangspunkt: „Wir suchen bei Bayer Moleküle mit einem vielversprechenden biologischen Effekt, aber noch unbekanntem Wirkmechanismus als Kandidaten für weitere Untersuchungen aus.“ Substanzen, die zu diesem Zeitpunkt einen schwachen Effekt zeigen, aber einem neuen interessanten Wirkmechanismus folgen, können die Grundlage eines chemischen Optimierungsprogrammes sein, das zu deutlich wirksameren Kandidaten führt.

Die Diagnose metabolischer Resistenzen

Die Kooperation mit ­Targenomix läuft bislang sehr gut – auf hohem wissen­schaftlichen Niveau und in einer vertrauensvollen und partnerschaftlichen Zusammenarbeit.

Nach deren Auswahl beginnt die Laborarbeit – mit einigen Blu­mentöpfen, in denen Ackerschmalwand-Pflänzchen (wissenschaftlich: Arabidopsis thaliana) wachsen. „Arabidopsis ist die mit Abstand am besten untersuchte Modellpflanze: Sie war die erste Pflanze, deren relativ kleines Genom Wissenschaftler im Jahr 2000 komplett entschlüsselt haben. Seitdem hat die internationale Forscher-Community entsprechend viel Wissen über ihre molekularen Prozesse generiert“, erklärt von Koskull-Döring. Auf dieser Basis konnten die Forscherteams bei Bayer und Targenomix schnell eine Analyse-Pipeline etablieren, die sie derzeit auf Weizen und ausgewählte Unkräuter ausweiten. Das Team der Bayer-Division Crop Science in Frankfurt züchtet Acker­schmalwand-Pflänzchen in Klimakammern, um gleichbleibende Bedingungen sicherzustellen. Anschließend behandeln Forscher die Pflänzchen mit den herbiziden Testsubstanzen. Danach werden sie abgeerntet, schockgefrostet und für den Transport verpackt. Nur so bleiben die Biomoleküle stabil, bis die Experten von Targenomix in Golm sie untersuchen können.

In Golm analysieren die Targenomix-Experten die Folgen von Herbizidbehandlungen

Die Labore des Start-ups befinden sich in direkter Sichtweite des Max-Planck-Instituts für Molekulare Pflanzenphysiologie. Mehrmals im Jahr erhalten die Wissenschaftler um Dr. Sebastian Klie, Geschäftsführer von Targenomix, eine „frostige Lieferung“ aus Frankfurt: „In Golm werden modernste Techniken eingesetzt, die wir in Frankfurt so noch nicht anwenden“, erklärt Dr. Axel Trautwein, Head of Small Molecules Research bei Crop Science. Zur genaueren Untersuchung der Biomoleküle in den Zellen zer­stören die Wissenschaftler von Targenomix das Pflanzenmaterial in einem ersten Schritt mechanisch in einer Gewebemühle. Sie mischen die Proben in einem Reaktionsgefäß mit kleinen Kügelchen, das sie auf rund tausend Oszillationen pro Minute beschleunigen: „So zerschießen wir die Zellen regelrecht“, sagt Klie.

Vielfalt ist Zukunft – Anti-Resistenz-Initiative von Bayer

In dem sogenannten Gewebehomogenat verbergen sich die Ziele der Forscher – die Moleküle aus dem Zellinneren. „Sie stammen aus den verschiedensten zellulären Prozessen. Darunter sind die Erbinformation DNA, ihre im Zellstoffwechsel aktive Kopie RNA und die Proteine, die basierend auf der RNA gebildet werden. Sie sind der Endpunkt des genetischen Informationsflusses. Proteine beeinflussen den Zellstoffwechsel sowie zahlreiche Metaboliten – Biomoleküle, die an beinahe allen zellulären Prozessen beteiligt sind“, so Klie.

Resistenzen umgehen – Ernten sichern

Das Problem Herbizidresistenzen ist hochkomplex: „Es gibt dafür keine einfache Universallösung“, sagt Dr. Bodo Peters, Head of Project & Product Support von Weed Control Research bei der ­Bayer-Division Crop Science. Deshalb verfolgt er mit seinem Team im Weed Resistance Competence Center – kurz WRCC – in Frankfurt mehrere Ansätze. Schwerpunkte sind die Forschung an Resistenzen, das Management resistenter Unkräuter und die Entwicklung effektiver, integrierter Strategien zur Unkrautkontrolle für Landwirte: „So helfen wir den Landwirten, wenn sie mit Herbizidresistenzen konfrontiert sind“, sagt Peters. Das WRCC erhält Proben von resistenten Unkräutern von landwirtschaftlichen Betrieben weltweit, analysiert den Resistenztyp und sucht nach Lösungen. Diese Nähe zur konkreten Situation auf dem Feld ist auch für die Wirkstoffentwicklung unersetzlich. „Sonst würden wir möglicherweise Herbizide entwickeln, die am Bedarf der Landwirte vorbeigehen“, sagt Dr. Marco Busch, Head of Weed Control Research. Damit die Forscher neue Substanzen schneller finden, haben sie die Kapazitäten in ihren chemischen Labors deutlich erhöht. Dafür wurden in Frankfurt rund 40 Forscherstellen geschaffen, die ein Verband australischer Getreideanbauern, die Grains Research and Development Corporation (GRDC), im Rahmen einer Kooperation mit Bayer seit Dezember letzten Jahres finanziell unterstützt. Unter den Forschern sind elf Postdocs aus Australien und Neuseeland, die Erfahrungen aus ihren besonders von der Resistenzproblema­tik betroffenen Heimatländern einbringen. „Diese zusätzlichen Wissenschaftler helfen uns, neue resistenzbrechende Wirkstoffe zu finden“, erklärt Busch. Auch die Kooperation mit der Firma Targenomix soll dabei helfen. Denn: „Das Problem können wir nur gemeinsam lösen: mit Landwirten, Pflanzenforschern und allen beteiligten Interessengruppen“, so Peters.

Pflanzen im Kleinstformat: Die Bayer-Mitarbeiterin Tanja Zupritt programmiert einen Roboter, der Unkrautsetzlinge in äußerst kompakten Gefäßen verarbeitet.
Labortechniker Heiko Jung begutachtet Pflänzchen, die in einer Klimakammer unter konstanten Bedingungen wachsen.

Verschiedene Molekülklassen erfordern unterschiedliche Analysemethoden. Haben die Pflanzenexperten beispielsweise die überschriebene Erbinformation RNA aus dem Homogenat aufgereinigt, schicken sie ihre Proben an einen Dienstleister, der die Sequenzen aller darin enthaltenen RNA-Moleküle bestimmt. Diese Informationen untersuchen die Forscher und leiten daraus ab, welche Gene in der Pflanze nach der Herbizidbehandlung spezifisch aktiviert oder inaktiviert werden. Mit Computer-Analysen können Gene, die einen bestimmten Aktivitäts-Grenzwert überschreiten, erfasst werden. „Beim Erfassen aller RNA-Moleküle eines Organismus sprechen wir von einer Transkriptom-Analyse oder Transcriptomics“, erläutert Klie. Nach ähnlichen Prinzipien untersuchen die Forscher auch alle Gene, Proteine und Metabolite der Pflanze. Je nach Biomolekülklasse sprechen Wissenschaftler dementsprechend von Genomics, Proteomics und Metabolomics. Haben sie die Daten erzeugt, endet die Laborarbeit zunächst. Aber: „Für den Bioinformatiker wird es jetzt erst richtig spannend“, erklärt Klie. Damit die Forscher weiterarbeiten können, legen sie die Ergebnisse zunächst in einer zentralen Datenbank ab. Das klingt simpel, birgt aber Schwierigkeiten. Klie erklärt: „Wir produzieren bei der Untersuchung verschiedener Substanzen über Jahre hinweg Daten mit unterschiedlichen Methoden. Diese Daten müssen vergleichbar sein – das ist eine erhebliche Herausforderung für unsere Statistiker und Informatiker, die nicht relevante technische oder unerhebliche biologische Schwankungen mit neuen Algorithmen ausgleichen.“ Sind die Daten standardisiert, beginnen die Bioinformatiker, ihnen ihre Geheimnisse zu entlocken.

Neue Hypothesen durch den Vergleich von behandelten und unbehandelten Pflanzen

Sie suchen nach Unterschieden zwischen behandelten und nicht behandelten Pflanzen. Stoßen die Forscher auf Besonderheiten, können sie eine Idee entwickeln, an welches zelluläre Molekül ein Molekül bindet und in welchen Prozess es eingreift. Herzstück der Forschung in Golm ist die zentrale Targenomix-Datenbank: Sie weist den Forschern den Weg zu neuen Hypothesen, damit sie erklären können, wie Kandidatenmoleküle Pflanzen beeinflussen. Systembiologie nennt man diesen Ansatz, weil der Computer gigantische Datenmengen aus den verschiedenen Organisationsebenen der Zelle durchforstet, darin nach Abweichungen und Widersprüchen sucht, um daraus schließlich Hypothesen über das gesamte System Pflanze abzuleiten. „Diese komplexen Zusammenhänge können Menschen kaum noch erfassen“, erklärt Klie. Haben die Forscher ein Molekül aus der Bayer-Substanzbibliothek identifiziert, das wahrscheinlich einem neuartigen Wirkmechanismus folgt, geht es zurück ins Labor. „Die anfängliche Hypothese allein genügt nicht, wir müssen zeigen, dass das Herbizid wirklich an das angenommene Zielmolekül bindet“, so Klie.

Diese komplexen Zusammenhänge können Menschen kaum noch erfassen

Resistenz Arten

Start-ups wie Targenomix, die als Dienstleister die Grundlagen eines Wirkmechanismus untersuchen, sind für die Pflanzenforschung eher ungewöhnlich. Klie: „In der medizinisch-pharmazeutischen Industrie ist dieses Modell viel weiter verbreitet.“ Aber die Erfolge geben ihm und seinem Expertenteam aus den unterschiedlichsten Fachbereichen recht: Seine Genetiker, Biochemiker, Pflanzenphysiologen und Bioinformatiker entdeckten seit 2014 bereits mehrere Wirkmechanismen für einige herbizide Kandidatenmoleküle. „Wir geben nur wenige organisatorische Strukturen vor – Eigeninitiative und ständiger Austausch sind unsere Philosophie. Unsere Ergebnisse besprechen wir überall: an der Kaffeemaschine, beim gemeinsamen Mittagessen oder im Labor“, so Klie. Geprägt ist der Umgang des Teams in Golm von gegenseitigem Vertrauen. Und auch die Bayer-Kooperation basiert darauf: „Wir treffen uns zweimal im Jahr zum wissenschaftlichen Austausch und besprechen den aktuellen Stand sowie die weiteren Pläne“, sagt Trautwein. Die Zukunft der Kooperation ist für die nächsten Jahre gesichert – der Vertrag endet erst 2019. „Die Kooperation läuft bislang sehr gut, auf hohem wissenschaftlichen Niveau und in einer vertrauensvollen und partnerschaftlichen Zusammenarbeit“, sagt Trautwein.

Mit Systembiologie das Leben entschlüsseln

Um Vorgänge des Lebens zu verstehen, reicht es nicht, einzelne biologische Prozesse zu beschreiben – eine ganzheitliche Betrachtung des Organismus ist nötig, um zu verstehen, wie die Bestandteile zusammenwirken. Das ist Ziel der Systembiologie. Der Ansatz unterscheidet sich grundsätzlich von der derzeitigen experimentellen Vorgehensweise in der biologischen Forschung: Denn am Anfang eines Forschungsprojekts steht normalerweise eine Hypothese, die es anschließend zu beweisen oder zu widerlegen gilt. Die Systembiologie dreht diesen Ansatz um, die Daten und deren Muster führen die Wissenschaftler zu ihren Hypothesen. Experten nennen das auch nicht hypothesengetriebene Forschung. Die Systembiologie versucht sämtliche Moleküle einer Zelle und deren Interaktionen über die Zeit zu verfolgen. Außerdem beschreibt sie die Interaktionen von Zellen, die in unterschiedlichen Gewebearten zusammengeschlossen sind, sowie deren Zusammenspiel in Organen und im Gesamtorganismus. Diese Mammutaufgabe ist nur durch die Kombination modernster Molekularbiologie, mathematischer Modellierung und Rechenleistungen von Supercomputern lösbar. Deshalb arbeiten Forscher aus den verschiedensten Disziplinen eng zusammen: vom Mathematiker, Bioinformatiker, Chemiker, Biologen bis hin zum IT-Spezialisten.

Gerüstet für die Wirkstoffsuche: Das Team in der Pflanzenschutzchemie mit Cornelia Juschkus, Armin Sausen und Christiane Golla (v. li.) synthetisiert neue Kandidatenmoleküle.
Für die Analyse der Effekte auf die Unkrautpflanzen in 3-D-Phänotypisierungen verwenden die Forscher neueste Kameratechnologien.
Für besseren Pflanzenschutz: Targenomix-Mitarbeiterin Norma Funke bereitet Ackerschmalwand-Keimlinge in Golm für Omics-Analysen vor.
Dr. Marco Busch, Dr. Axel Trautwein und Dr. Pascal von Koskull-Döring (v. li.) koordinieren die Kooperation mit Targenomix auf Bayer-Seite.

Zehn bis 15 Jahre vergehen im Durchschnitt, bis ein Wirkstoff aus der Forschung tatsächlich in einem Produkt auf dem Markt ankommt. Bis dahin müssen die Landwirte mit den Werkzeugen auskommen, die sie jetzt zur Verfügung haben. Doch Bayer und Targenomix werden die Forschungspipeline weiter mit Kandidatensubstanzen füttern.

Wie entstehen Feld-Resistenzen?

Interview: Stephan powles

„Der Unkrautgefahr mit Diversität begegnen“

„research“ sprach mit Prof. Stephen Powles von der Australian Herbicide Resistance Initiative (AHRI) über Resistenzen in Australien und weltweit. In einer Partnerschaft mit Bayer arbeiten die australischen Unkrautexperten vom AHRI daran, Resistenzmechanismen besser zu verstehen sowie an neuen Strategien und Lösungen, mit denen die weltweit zunehmenden Herbizidresistenz-Probleme bewältigt werden können.

Weltweit kämpfen viele Landwirte mit herbizidresistenten ­Unkräutern. Wie schätzen Sie das Problem ein?

Die größten Probleme haben große Betriebe. Besonders in den USA, Kanada, Brasilien, Argentinien und Australien – den Getreide- Hauptexportnationen – ist es schwierig. Dort werden hauptsächlich glyphosattolerante Nutzpflanzen wie Sojabohnen, Mais und Baumwolle angepflanzt. Auf diesen Feldern wird ausschließlich Glyphosat eingesetzt und gegen dieses Herbizid werden immer mehr Unkräuter resistent. Allein in Nord- und Südamerika sind 50 Millionen Hektar Ackerland von glyphosatresistenten Unkräutern befallen.

Wie konnte es so weit kommen?

Durch den übermäßigen Einsatz von Glyphosat ohne die notwendige Diversität. Das ist simple Evolutionsbiologie. Wo ein starker Selektionsdruck – in diesem Fall der massive Einsatz nur eines Herbizids – aufgebaut wird, entstehen auch schnell Resistenzen. Der ausschließliche Einsatz eines Herbizids auf großen Flächen ohne hinreichende Diversität der Unkrautbekämpfungsmethoden wird immer und überall zu Resistenzen führen.

Was sind erfolgversprechende Strategien zum Vermindern oder Vermeiden von Resistenzen?

Kurz gesagt: Diversität, Diversität und nochmals Diversität. Herbizide sind ein hervorragendes Werkzeug, mit Unkräutern umzugehen. Sie können aber nur Bestandteil einer größeren Strategie sein: Nur eine Kombination aus verschiedenen Unkraut-Bekämpfungsmethoden ist langfristig erfolgversprechend. Dafür gibt es nicht die eine Lösung. Bei einem chinesischen Kleinbauern herrschen ganz andere Anforderungen als bei einem australischen Farmer, der auf 4.000 Hektar Land Weizen anbaut. Dennoch brauchen beide einen ausgewogenen Mix aus verschiedenen Herbiziden und anderen Unkrautbekämpfungs-Strategien, damit sie nachhaltig ertragreich arbeiten können.

Welche Ansätze verfolgen Sie in der AHRI?

Wir versuchen, den Landwirten die Vorteile einer diversen Unkraut­bekämpfungs-Strategie klarzumachen. Dafür suchen wir nach Werkzeugen, mit denen wir einen nachhaltigen Herbizideinsatz gewährleisten können. Ein Beispiel ist die „harvest weed seed control“ – hier versuchen wir, bei der Ernte dafür zu sorgen, dass möglichst wenig Samen von Unkräutern auf dem Acker zurückbleiben. So können wir die Menge von Unkräutern in diesen Feldern stark reduzieren. Diese Methode verbreitet sich in Australien immer weiter und wird in Kanada sowie den USA getestet – das freut uns natürlich sehr.

Wie stellen Sie sich die Landwirtschaft in 20 Jahren vor?

Dann müssen wir voraussichtlich neun Milliarden Erdenbürger ernähren: Das schaffen wir nur mit einer hochproduktiven nachhaltigen Getreide-Landwirtschaft. Die Kontrolle von Unkräutern muss ein wichtiger Bestandteil der Strategie sein, denn sonst verlieren wir Erträge, die wir dringend benötigen. Ich gehe davon aus, dass in 20 Jahren Herbizide noch immer ein wichtiges Werkzeug in unserem Arsenal gegen Unkräuter sein dürften. Deswegen müssen wir lernen, sie sinnvoll einzusetzen. Wir werden weiterhin dafür kämpfen müssen, dass unsere Äcker produktiv bleiben. Wir können und müssen das schaffen, alles, was wir dafür brauchen, sind Wissen und die richtigen Technologien.