„Cassava Source-Sink“ – AG Wolfgang Zierer

Abbildung 1
Abb.1: Speicherwurzeln einer 10 Monate alten Cassava Pflanze

Unser Team strebt danach den Ertrag von Cassava zu erhöhen. Cassava ist eine tropische Nutzpflanze die weltweit mehr als 800 Millionen Menschen mit Nahrung versorgt. Besonders in Sub-Sahara Afrika besitzt die Pflanze eine enorme Bedeutung für die Nahrungssicherheit der lokalen Kleinbauern.

Der 3-4 Meter hohe Strauch bringt unter guten Bedingungen zahlreiche stärkehaltige Speicherwurzeln hervor. Die Wurzeln (Abb. 1) und die Stärke in diesen Wurzeln bilden die Basis für vielfältige Nahrungsmittel.

Abbildung 2
Abb.2: Eine 4 Meter hohe Cassava Pflanze des Genotyps 60444

So werden die Wurzeln beispielsweise gekocht oder frittiert gegessen, oder die Stärke in den Wurzeln wird zu Produkten wie dem afrikanische Gari, eine Art Brei, verarbeitet.

Abbildung 3
Abb.3: Entdeckung von ertragsrelevanten Genen in Blättern, Phloem, und Speicherwurzeln mit folgender Kombination

Im Gegensatz zu bereits sehr ertragsoptimierten Nutzpflanzen wie z.B. Weizen oder Mais, sind die Erträge von Cassava oft noch niedrig. Eine nachhaltige Ertragssteigerung würde daher die Nahrungssicherheit von Millionen Menschen verbessern. Deshalb arbeiten wir an der biotechnologischen Verbesserung des Cassava Ertrags.

Leider ist dieses Ziel noch nicht zum Greifen nahe und eine biotechnologische Verbesserung bedingt ein tiefgreifendes Verständnis der Pflanze. Unsere Arbeit beinhaltet deshalb auch sehr viel Grundlagenforschung um die physiologischen und biochemischen Prozesse dieser spannenden Pflanze besser zu verstehen.

Abbildung 4
Abb.4: Verschiedene Stadien der Cassava Transformation

Wir forschen vor allem an der Regulation des Kohlenstoffwechsels in autotrophen- und heterotrophen Pflanzengeweben, dem Assimilat Transport, sowie der pflanzlichen Entwicklung. Innerhalb dieser Prozesse versuchen wir Gene mit positiven Auswirkung auf den Ertrag zu identifizieren und sie eventuell miteinander zu kombinieren um einen noch stärkeren Effekt zu erzielen (Abb. 3).

Abbildung 5
Abb.5: Cassavapflanzen im Gewächshaus

Wir testen die Gene mit Hilfe von transgenen Cassavapflanzen, die wir entweder selbst oder mit Hilfe unserer Kooperationspartner an der ETH Zürich erstellen. Dabei kommen ausgefeilte Gewebekulturprotokolle zum Einsatz die aus de-differenzierten Zellen wieder ganze Pflanzen regenerieren (Abb. 4).

Die von uns veränderten Cassavapflanzen werden zunächst in unseren Gewächshäusern mit verschiedensten Methoden untersucht. Pflanzen die besser wachsen als ihr jeweiliger genomischer Hintergrund sind dabei natürlich besonders interessant (Abb. 5).

Abbildung 6
Abb.6: Gasaustausch Messungen an Cassava mit zwei Messköpfen

Neben der Erfassung von Wachstumsparametern und physiologischer Studien wie z.B. Photosynthese Messungen (Abb. 6), kommen bei uns alle gängigen Techniken molekularer Pflanzenforschung wie z.B. Transkriptom- und Proteomanalysen (Abb. 7) regelmäßig zum Einsatz.

Abbildung 7
Abb. 7: Beispiel einer gewichteten Gennetzwerk Korrelationsanalyse mit sieben verschiedenen Geweben

Auch zahlreiche Metabolit Messungen gehören zu unserem Standardrepertoir. So gewähren uns z.B. enzymatische Zuckermessungen und Massenspektrometrie-basierte Methoden Einblicke in den pflanzlichen Primärmetabolismus (Abb. 8).

Abbildung 8
Abb. 8: Enzymatische Bestimmung von Glucose, Fructose und Saccharose (A) und chromatografische Bestimmung von phosphorylierten Intermediaten (B)

 

Abbildung 8
Abb. 9: Charakterisierung eines Cassava Promoters mit Hilfe von stabil-transformierten Promoter-Reporter Pflanzen

 

Zusätzlich zur Analyse von ertragsrelevanten Genen arbeiten wir auch an der Entwicklung von besseren Werkzeugen zur Erzeugung transgener Pflanzen wie z.B. verbesserte Transformationsprotokolle oder die Identifizierung gewebespezifischer Promotoren (Abb. 9).

Abbildung 10
Abb. 10: Speicherwurzelquerschnitt einer mit einer fluoreszierenden Substanz beladenen Pflanze

Desweitern führen wir auch verschiedene Studien an Cassava Wildtyp (WT) Pflanzen und verschiedenen Zuchtsorten durch um grundlegende physiologische Prozesse der Cassavapflanze wie z.B. die Speicherwurzelbildung oder den Assimilat Transport besser zu verstehen.

Abbildung 11
Abb. 11: Cassava Source-Sink Projektpartner

So haben wir zum Beispiel mit Beladungsexperimenten mit fluoreszierenden Substanzen die zelluläre Konnektivität von Cassava Stämmen und Speicherwurzeln aufgeklärt (Abb. 10).

Unsere Arbeitsgruppe ist in das Cassava Source-Sink (www.cass-research.org) Projekt (CASS) eingebettet und hat durch unsere zahlreichen Partner Zugriff auf ein größeren Netzwerk von pflanzenbiologischen Techniken und Expertisen (Abb. 11).

 

Wir pflegen enge Kooperationen mit:

  • International Institute of Tropical Agriculture (IITA), Bioscience, Ibadan, Nigeria
  • National Root Crops Research Institute (NRCRI), Umudike, Nigeria
  • Chung-Hsing University (NCHU), Advanced Biotechnology Center, Taichung, Taiwan
  • Sainsbury Laboratory Cambridge University (SLCU), Cambridge, United Kingdom
    Abbildung 12
    Abb. 12: Verschiedene Phasen der Feldtestung an der NCHU Taichung, Taiwan
  • Boyce Thompson Institute, Plant Research (BTI), Ithaca NY, USA
  • Eidgenössische Technische Hochschule (ETH), Biochemie, Zürich, Schweiz.
  • Technische Universität Kaiserslautern, Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie, Deutschland
  • Forschungszentrum Jülich, Institut für Bio- und Geowissenschaften, Deutschland
  • Max-Planck-Institute, Molekulare Pflanzenphysiologie, Deutschland

Mit Hilfe unserer Partner haben wir eine vollständige Pipeline von der Erstellung transgener Pflanzen, über die Labor- und Gewächshausanalyse, bis hin zur Feldtestung aufgesetzt (Abb. 12).

 

Versuchsfeld in Taiwan: 3 Monate alte Maniok-Pflanzen

 

Versuchsfeld in Taiwan: Kurz vor der Ernte


Abbildung 13
Abb. 13: Cassava Feldtestung am IITA Ibadan, Nigeria.

Unsere Feldversuche finden gemeinsam mit der NCHU Taichung, Taiwan und dem IITA Ibadan, Nigeria (Abb. 13) statt.

An beiden Standorten testen wir transgene Cassavapflanzen mit Änderungen im Source-Sink Stoffwechsel. Am IITA Ibadan wird außerdem Cassava auf konventionelle Art gezüchtet und wir arbeiten zusammen an zahlreichen Projekten zur Charakterisierung dieser Genotypen.

Unsere Arbeitsgruppe und das gesamte Cassava Source-Sink Projekt hoffen einen kleinen Beitrag zur Verbesserung der Nahrungssicherheit afrikanischer Kleinbauern leisten zu können. Wenn ihr euch auch für Cassava interessiert oder uns bei unserem Projekt unterstützen wollt, meldet euch gerne bei wolfgang.zierer@fau.de.