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Weltspitze Pflanzenforschung in Tübingen

Im Bereich der Pflanzenforschung liegen die deutschen Max-Planck-Institute weltweit an der Spitze. Detlef Weigel, Direktor am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen, trägt zu diesem Erfolg einiges bei. Am Modellorganismus Arabidopsis thaliana erforscht er die molekularen Grundlagen pflanzlicher Anpassungsfähigkeit an Umweltbedingungen und pflanzlicher Immunität. Mit zahlreichen Publikationen in angesehenen Fachzeitschriften ist er der meistzitierte Pflanzenforscher Europas*.

Prof. Dr. Detlef Weigel, Direktor der Abteilung Molekularbiologie am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen © Jörg Abendroth / Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Als Maß für die Qualität eines Fachartikels wird gerne verwendet, wie oft er von anderen Wissenschaftlern zitiert worden ist. Weltweit sind die meisten hochzitierten Fachartikel aus den Jahren 2000 bis 2010 im Bereich der Pflanzenforschung in den deutschen Max-Planck-Instituten entstanden**. Doch was macht die Forschungslandschaft in Deutschland für Pflanzenforscher so attraktiv? Detlef Weigel sieht den Hauptgrund vor allem darin, dass die Grundlagenforschung in Deutschland generell besser gefördert wird als beispielsweise in den USA. Dort ist eine baldige Anwendbarkeit der voraussichtlich gewonnenen Ergebnisse das Hauptkriterium für die Forschungsförderung. Dies führt dazu, dass Forschungsgelder vor allem in die Biomedizin fließen.

Ganz anders sei es dagegen, wenn man Gelder bei der Max-Planck-Gesellschaft oder der Deutschen Forschungsgemeinschaft beantrage: „Es zählt vor allem, wie interessant die Fragestellung ist. Die Anwendung steht erst einmal im Hintergrund“, so Weigel. „Die Idee dahinter ist, dass exzellente Grundlagenforschung jeder Anwendung vorausgehen muss.“ Daraus resultiere dann auch eine größere Wertschätzung der Pflanzenforschung.

ERC Advanced Grant für das Projekt IMMUNEMESIS

Die Modellpflanze der Genetiker, die Ackerschmalwand, gehört zu den Kohlgewächsen. Sie eignet sich durch ihre Anspruchslosigkeit, eine kurze Generationsdauer und ihre kleine Genomgröße besonders für die Forschung. © Jörg Abendroth / Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Weigel und sein Team widmen sich intensiv grundsätzlichen Fragestellungen. An der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana erforschen sie, welche molekularen Mechanismen eine Anpassung von Pflanzen an ihre Umgebung ermöglichen. Dabei interessieren sie sich für so unterschiedliche Aspekte wie Blühzeitpunkt oder Entwicklung dieser Spezies. Derzeit beschäftigt sich Weigels Arbeitsgruppe mit dem Immunsystem der Ackerschmalwand. Für das Projekt IMMUNEMESIS erhielt er im Jahr 2013 einen der begehrten ERC Advanced Grants. Dieses Projekt wird vom Europäischen Forschungsrat (ERC) fünf Jahre lang mit insgesamt 2,5 Millionen Euro gefördert. Die Ansprüche des ERC sind hoch: Nur bahnbrechende und unkonventionelle Projekte werden gefördert.

Das Kunstwort IMMUNEMESIS verbindet die griechische Rachegottheit „Nemesis“ mit „Immunität“: zu viel Immunität rächt sich. „Bei Pflanzen besteht eine Austauschbeziehung, ein sogenannter „trade-off“ zwischen der Abwehrkraft und dem Wachstum. Schaltet die Pflanze das Immunsystem an, so geht das oft auf Kosten des Wachstums“, erläutert Weigel. Die Wissenschaftler möchten dieses Verhältnis zunächst in natürlichen Arabidopsis-Linien beschreiben. Dann soll untersucht werden, ob sich Hybride, also Nachkommen, die aus der Kreuzung zweier solcher Zuchtlinien entstehen, anders verhalten. Dies ist wichtig, da es sich bei vielen Sorten, die in der Landwirtschaft eingesetzt werden, um Hybride handelt.

Die zweite grundsätzliche Frage, die Weigel in diesem Projekt beantworten will, beschäftigt sich mit dem Zusammenhang zwischen der genetischen Variation des Immunsystems und den Krankheitserregern, denen die Pflanzen ausgesetzt sind. Hier staunt selbst Weigel: „Man sollte denken, dass man bei einer so gut untersuchten Pflanze wie der Ackerschmalwand über die natürlich vorkommenden Pathogene doch schon alles wissen müsste. Doch das ist ganz und gar nicht der Fall“. Gerade im Immunsystem gibt es sehr viel genetische Variation. Pflanzen tragen Resistenzgene, mit denen sie sich gegen Pathogene wehren. Betrachtet man ein Feld von Pflanzen der gleichen Art, wird man Gruppen von Pflanzen mit ganz unterschiedlichen Resistenzgenen finden. „Werden diese dann auch von unterschiedlichen Mikroben befallen?“, fragt sich Weigel.

Auch wenn es bis zu einer Anwendbarkeit der gewonnenen Erkenntnisse noch ein weiter Weg ist, liegt diese für ihn klar auf der Hand: Hat man die zugrunde liegenden Mechanismen verstanden, so könnte es zukünftig möglich sein, Pflanzen herzustellen, die ein robusteres Immunsystem haben, ohne dass dies ihr Wachstum beeinträchtigt.

Licht im Datendschungel

Professor Detlef Weigel und sein Team möchten aufklären, wie sich Immunität und Wachstum in verschiedenen Arabidopsis-Linien verhalten. © Rebecca Schwab / Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Zur Bearbeitung dieser Fragestellungen setzen Weigel und sein Team neueste DNA-Sequenzierungstechniken ein. Diese Hochdurchsatzverfahren ermöglichen es beispielsweise, die kompletten Genome verschiedener Arabidopsis-Stämme in relativ kurzer Zeit zu sequenzieren oder auch die Lokalisation von DNA-bindenden Proteinen genomweit zu untersuchen. Doch diese Methodik liefert eine riesige Datenmenge. Es ist also eine Herausforderung, daraus die gewünschten Informationen zu extrahieren. Weigel setzt hierbei auf ein Team mit großer Spannbreite. Das Spektrum reicht von Mitarbeitern, die hauptsächlich molekularbiologisch arbeiten, bis hin zu Mitarbeitern, die sich nur mit der Datenanalyse beschäftigen. „Das geht von Biologen über Informatiker bis hin zu Mathematikern und Physikern.“ Für die Kommunikation zwischen den Extremen sorgen Wissenschaftler, die in beiden Bereichen ausgebildet sind.

Weigel genießt besonders die Situation, direkt in Tübingen zwei exzellente Kooperationspartner zu haben, die sich mit dem Umgang mit sehr großen Datenmengen beschäftigen. Seit bereits zehn Jahren arbeitet er mit Prof. Dr. Bernhard Schölkopf, Direktor am MPI für Intelligente Systeme zusammen, den er als führenden Experten weltweit im Bereich des Data-Mining nennt. Auch die Methoden zur schnellen Durchführung von Sequenzabgleichen, die Prof. Dr. Daniel Huson an der Universität Tübingen entwickelt, sind für Weigels Team von großem Nutzen.

Gentechnik ist unverzichtbar

Auch wenn die Pflanzenforschung in Deutschland einen sehr guten Stand hat, die Gentechnik wird in der breiten Öffentlichkeit häufig kritisch betrachtet. Zwar hat Weigels Forschung kaum mit diesem Gebiet zu tun, dennoch: Als Pflanzenforscher berührt ihn dieses Thema. „Angesichts der Herausforderungen, dass in den nächsten Jahrzenten ein Drittel mehr Menschen auf der Welt zu ernähren sind, werden wir auf die Gentechnik nicht verzichten können“, ist Weigel überzeugt. Er sieht sie zwar nicht als Allheilmittel, aber doch als wichtigen Baustein an, der zusammen mit verbesserten landwirtschaftlichen Praktiken und herkömmlicher Pflanzenzüchtung zum nötigen Fortschritt beitragen wird.

* LabTimes, 07/2013
**www.salk.edu/pdf/news/plantbio.pdf

Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/weltspitze-pflanzenforschung-in-tuebingen/