Verbesserung der Holzeigenschaften von Eukalyptus und Pappel zur Gewinnung von Bioenergie

Federführendes Institut HF Institut für Holzforschung

Beteiligte Institute FG Institut für Forstgenetik

Ausgepflanzte Pappeln mit genetischer Modifizierung

Pflanzen können mit Hilfe genetischer Methoden modifiziert werden. Solche transgenen Pflanzen unterscheiden sich oft in ihrem Phänotyp und möglicherweise auch in ihren Eigenschaften. Bei Bäumen, deren Holz bestimmten Verwendungszwecken zugeführt wird, eröffnet diese Methode Möglichkeiten, gezielt Einfluss auf bestimmte Eigenschaften zu nehmen. Das vorliegende Forschungsprojekt zielt darauf, Pappel und Eukalyptus als schnellwachsende Baumarten hinsichtlich ihrer Eignung zur Gewinnung von Bioenergie zu optimieren.

Hintergrund und Zielsetzung

Das übergeordnete Ziel des Projektes TREEFORJOULES ist es, die wichtigsten Faktoren zu identifizieren, die den physikalisch-chemischen Eigenschaften der Zellwände zugrunde liegen, die eine Schlüsselrolle bei der Schwierigkeit spielen, diesen nachhaltig produzierten Rohstoff als Quelle für die effiziente Erzeugung von Biokraftstoffen der zweiten Generation zu nutzen. Dieses Wissen ist für künftige Assoziationsstudien und Marker-unterstützte Züchtung von Elite-Bäumen zur Verbesserung der Verarbeitung von Lignozellulose unverzichtbar. Damit wird gleichzeitig ein Beitrag zur Erreichung der Ziele der KBBE-Ausschreibung für eine Sicherung der nachhaltige Energieversorgung geleistet.

Vorgehensweise

Der Arbeitsplan besteht aus 4 Arbeitspaketen, aus denen 29 Ergebnispakete erarbeitet und 16 Meilensteine erreicht werden sollen. Das TI ist an der Erarbeitung von 9 Ergebnispaketen und an Erreichung von 10 Meilensteinen beteiligt. Im WP1 sollen Kandidatengene als mögliche Regulatoren für die Holzbildung identifiziert und charakterisiert werden. Die Forstgenetik wird eine Transkriptomanalyse von Xylemzellen durchführen sowie Kandidatengen-inaktive (RNAi) transgene Pappeln herstellen. Das Institut für Holzforschung ist an der Identifizierung von Holzeigenschaften sowie der Analyse des bioenergetischen Potentials des Holzes beteiligt sowie an dem sogenannten "Microphenotyping", d.h. an de Charakterisierung Die Holzbiologie untersucht transgenes Holz mit innovativen mikroskopischen und mikrospektroskopischen Methoden.

Ergebnisse

Das Plant- KBBE (Transnational Plant Alliance for Novel Technologies: towards implementing the Knowledge-Based Bio-Economy in Europe) Projekt „Tree for Joules“ hatte zum Ziel, genetische Modifizierungen bei Eukalyptusbäumen und Pappeln zu erzeugen. Diese Modifizierungen sollten dahingehend gesteuert werden, optimiertes lignocellulosisches Material zur Erzeugung von Biokraftstoffen der zweiten Generation bereit zu stellen. Ein Teilziel des Projekts war die Identifizierung und Charakterisierung sogenannter regulatorischer Kandidatengene, die für die Ausprägung der für Holz charakteristischen Eigenschaften verantwortlich sind. Diese Eigenschaften wiederum basieren vorwiegend auf der chemischen Zusammensetzung der sekundären Zellwände. Sekundärwände bestehen aus den drei Hauptbestandteilen Cellulose, Hemicellulosen und Lignin, wobei Cellulose das häufigste und Lignin das zweithäufigste Biopolymer weltweit darstellen. Diese drei Wandkonponenten bilden ein kompliziertes dreidimensionales Gefüge, das ziemlich widerstandsfähig gegenüber jeglichem Abbau ist. Deshalb sind energieintensive Vorbehandlungen erforderlich, um Biokraftstoffe herzustellen. Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung von Holzzellwänden als Folge genetischer Modifikationen sind vielversprechende Ansätze, um besseres Ausgangsmaterial bereitstellen zu können.

Wir untersuchten bei verschiedenen transgenen Pappel-Linien die Ligninverteilung in den Zellwänden von Fasern. Transmissions-Elektronenmikroskopie und zelluläre UV-Spektroskopie wurden hierfür eingesetzt. Zusätzlich erfolgten an identischem Material chemische Analysen zur Bestimmung des Klason-Ligningehalts. Xylemfasern in Kontrollbäumen zeigten die übliche konzentrische Schichtung ihrer Zellwände. Beide mikroskopischen Techniken bestätigten, dass die Zellzwickel und Mittellamellenbereiche deutlich mehr Lignin enthalten als die Sekundärwandbereiche. Genetisch modifizierte Pappeln bildeten Holzbereiche mit unterschiedlichen Lignifizierungsgraden ihrer Fasern. Beispielsweise gab es Linien, die in Teilbereichen erheblich geringer lignifiziert waren als Kontrollen. Bisweilen erschienen manche Zellwände nahezu ohne Lignin, einschließlich der Zellzwickel. Andererseits fanden sich transgene Linien mit Fasern, die vergleichsweise hohe Ligningehalte aufwiesen. Die Elektronenmikroskopie erbrachte zusätzliche strukturelle Informationen zur Zellwandarchitektur. Unterschiede in den Zellwanddicken und der Ausbildung sogenannter Gelatinöser Fasern spielen sicher eine Rolle bei der chemischen Bestimmung von Ligningehalten, da hierbei die Verhältnisse zwischen Lignin und Cellulose verschoben werden. Die Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der Zellwandarchitektur bei sowie der Interpretation von Ergebnissen verschiedener Teildisziplinen, die an diesem Projekt beteiligt waren.