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Uwe Ludewig und die Zukunft der Nutzpflanzen

Seit knapp einem Jahr leitet Prof. Dr. Uwe Ludewig das Fachgebiet Ernährungsphysiologie der Kulturpflanzen an der Universität Hohenheim. Von Haus aus Physiker und spezialisiert auf Elektrophysiologie, befasst er sich heute hauptsächlich mit Transportprozessen in Pflanzen. Die molekularen Zusammenhänge will er nutzen, um das Potenzial von Nutzpflanzen besser zu erschließen, den Düngemittelverbrauch zu senken und um Nutzpflanzen fit für den Klimawandel zu machen.

Von der Physik zur Pflanzenkunde: Prof. Dr. Uwe Ludewig erforscht Transportvorgänge in Nutzpflanzen. © privat

Schon während seines Studiums an der Universität Göttingen wandte sich Ludewig der Biologie zu und vertiefte seine Ausbildung in Richtung Biophysik. Mit seiner Diplomarbeit am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie tauchte er noch tiefer in die Materie ein. Ludewig verlegte sich auf Elektrophysiologie und befasste sich in der Gruppe des Nobelpreisträgers Prof. Dr. Erwin Neher mit der Untersuchung von Ionenkanälen in Zellmembranen. Neher ist einer der Urväter der Patch-Clamp-Methode, die es überhaupt erst möglich machte, Transportvorgänge an Ionenkanälen zu untersuchen. Ludewig, nun endgültig fasziniert vom Thema, wechselte nach seinem Abschluss zu einem weiteren berühmten Elektrophysiologen: Er machte seine Doktorarbeit beim Leibniz-Preisträger Prof. Dr. Dr. Thomas Jentsch an der Uni Hamburg. Hier befasste sich Ludewig zwischen 1993 und 1996 vor allem mit Transportvorgängen an Chlorid-Kanälen und ihrer Bedeutung für physiologische Prozesse.

Ludewig trieb in dieser Zeit jedoch nicht nur die Promotion voran, sondern auch seine Fortbildung in der Biologie. „Es gab an der Uni Hamburg ein spezielles Angebot für Fachfremde, einen Aufbaustudiengang in Molekularbiologie, der mit einem Zertifikat abschloss“, erzählt Ludewig. Derart gut mit Abschlüssen gerüstet, ging er als Postdoc mit einem EMBO-Stipendium für ein Jahr als Elektrophysiologe an die Universität im spanischen Sevilla. Die Entscheidung, in Europa zu bleiben, traf er ganz bewusst. „Wir haben in Europa gerade in der Biophysik ganz hervorragende Arbeitsgruppen, es gibt also gute Alternativen zum fast schon obligatorischen USA-Aufenthalt“, betont Ludewig.

Immobil und doch gut genährt – die Geheimnisse der Pflanzenphysiologie

Generell interessiert er sich für Transportprozesse in Organismen jeder Art, sei es Mensch, Tier oder Pflanze. Nachdem er eine Zeitlang auch mit Ratten gearbeitet hatte, reifte sein Plan, zukünftig mit Pflanzen zu arbeiten. „Ein hoch interessanter Aspekt war für mich, wie Pflanzen den Transport von Mineralien und Metaboliten steuern. Manche Bäume stehen 600 Jahre am gleichen Standort und können sich hier über Jahrhunderte hinweg gut ernähren. Die Frage ist, wie sie das regulieren“, sagt Ludewig. Dieser Sache ging er an der Universität Tübingen näher auf den Grund. Hier charakterisierte er pflanzliche Transport-Komplexe, die mit molekularbiologischen Methoden in Froscheier eingebaut wurden. „Frosch-Oocyten sind ein hervorragendes Expressionssystem, mit dem allein schon wegen der Größe der Oocyten – sie haben einen Durchmesser von rund einem Millimeter – sehr gut zu arbeiten ist“, erklärt Ludewig.

2002 gründete er in Tübingen seine eigene Arbeitsgruppe, die sich mit Molekularphysiologie und Elektrophysiologie des Stickstofftransports befasste. Das hauptsächliche Objekt der Untersuchungen war Arabidopsis. Das unscheinbare Ackerkraut ist weltweit eine der beliebtesten Modellpflanzen, über die entsprechend viel bekannt ist. „Grundlegende Aspekte lassen sich mit am besten in Arabidposis untersuchen“, bestätigt Ludewig. Nach seiner Habilitation und einer Vertretungsprofessur an der TU Darmstadt wurde er 2010 auf den Lehrstuhl für Ernährungsphysiologie der Kulturpflanzen an der Uni Hohenheim berufen, wo er seit Oktober letzten Jahres forscht und lehrt.

Nutzpflanzen im Fokus

Der Name spricht für sich: Die Biomassepflanze Miscanthus x giganteus (Chinaschilf) ist interessant für die Energiegewinnung. © Ludewig, Uni Hohenheim

Hier vollzieht er einen Schwenk in Richtung Nutzpflanzen: „Damit bin ich sehr glücklich, weil ich es für sehr wichtig halte, sich nicht nur mit Modellpflanzen zu beschäftigen. Die molekularen Zusammenhänge aus Modellpflanzen sind nicht so einfach auf Nutzpflanzen übertragbar, wie man häufig dachte.“ Er möchte seine Arbeit nun verstärkt auf relevante Fragestellungen für die Welternährung ausrichten – ein Bereich, der laut Ludewig in der Grundlagenforschung vernachlässigt wird. „Wir haben ein gutes Basiswissen darüber, wie sich Pflanzen ernähren. Durch den Klimawandel zum Beispiel kommen jedoch neue Herausforderungen auf die Pflanzen und damit auf den Anbau von Nutzpflanzen zu. Wir wollen erforschen, wie sich unter veränderten Umweltbedingungen mit weniger Wasser und höheren Temperaturen ihre Ernährung verändert.“

Dabei spielen Untersuchungen zur Düngung eine große Rolle. Ludewig führt insbesondere seine früheren Arbeiten zur Aufnahme und Verarbeitung von Stickstoff in der Pflanze weiter. „Stickstoff-Dünger wird weltweit seit mehreren Dekaden massiv auf dem Acker eingesetzt, und trägt zur Klimaerwärmung bei. Wir wollen untersuchen, wie sich das Potenzial der Pflanzen zur Stickstoffverwertung verbessern lässt, zum Beispiel durch gezielte Züchtung“, sagt Ludewig. Das Nährstoffangebot lässt sich auch durch Kombination der Düngemittel mit anderen Substanzen verbessern, manche Mineralien oder Mikronährstoffe können die Aufnahmefähigkeit der Pflanzen steigern. Wie genau, mit welchen Substanzen und in welchen Konzentrationen, wird jetzt in Hohenheim erforscht.
Auch die traditionelle Phoshpatdüngung hat Ludewig im Blick. „In rund 100 Jahren sind die gut nutzbaren Phosphatquellen weltweit erschöpft. Hier gilt es, heute schon andere Strategien zu entwickeln, etwa indem wir Recycling-Materialien wie Ausfällprodukte aus Kläranlagen als Phosphatquelle erschließen“, sagt Ludewig. Insgesamt sieht er die Landwirtschaft in mancher Hinsicht vor einem Paradigmenwechsel. „In den letzten 30, 40 Jahren ging es ausschließlich um Ertrag. Heute leben wir in einer Gesellschaft, die sich gesünder ernähren will und haben eine Weltbevölkerung, die immer mehr Stoffe benötigt. Die Frage ist also, wie ernähren wir uns am besten von gut ernährten Pflanzen“, bringt Ludewig den Forschungsbedarf auf den Punkt.

Energiepflanzen – eine interessante Option für nährstoffarme Böden

In Froscheier (links, Massstab 1 cm) wird die cRNA von Pflanzen injiziert, um die Selektivität von Transportern oder Kanälen zu messen. Im Bild rechts ein Strukturmodell eines Aquaporins (Wasserkanals), der auch Nährelemente transportiert. Die Aminosäuren, die die Selektivität bestimmen, sind hervorgehoben, die Lage und der Durchmesser der Pore sind durch ein grünes Netz dargestellt. © Ludewig, Uni Hohenheim

Er betrachtet Nutzpflanzen aber nicht nur aus dem Blickwinkel der Welternährung. Auch ihre Verwendung als Energiepflanzen ist sein Thema. Am Beispiel Miscanthus, einem riesenhaften Süßgras, will er erkunden, ob und wie Energiepflanzen an Standorten angebaut werden können, die sich nicht so gut für den Anbau von Nahrungsmittel-Pflanzen eignen. „Miscanthus ist ein interessanter Kandidat, weil die Pflanze einen geringen Nährstoffbedarf und einen relativ geringen Wasserbedarf hat. Damit ist die Pflanze nicht nur ideal für einen gut fruchtbaren Ackerboden, sondern auch für Standorte, die bisher nicht oder kaum für den Pflanzenbau genutzt wurden“, sagt Ludewig. Miscanthus hat seiner Ansicht nach gute Chancen auf eine weltweite Anbau-Karriere. „In wieweit sie für sehr trockene Standorte geeignet ist, wird sich noch zeigen“, sagt er. Bei diesem Projekt kooperiert Ludewig eng mit Prof. Dr. Iris Lewandowski, die an der Uni Hohenheim das Fachgebiet Nachwachsende Rohstoffe und Bioenergiepflanzen leitet.

Ein wichtiges Forschungsziel ist es, beim Anbau von Energiepflanzen möglichst alle Mineralstoffe im Acker zu lassen, mit Pflanzen zu arbeiten, die nach Nutzung der Stoffe für ihr Wachstum diese wieder in den Boden entlassen. „Wir wollen möglichst wenig Nährstoffe und Mineralien mit der Ernte abführen. In der Energiepflanzennutzung sind wir ausschließlich an den pflanzlichen Kohlenstoffverbindungen interessiert, die wir zur Energiegewinnung weiterverarbeiten können“, erläutert Ludewig. Das erfordert ein Um- beziehungsweise Weiterdenken in der Züchtung. Oder den Einsatz gentechnischer Methoden, wobei das für Ludewig zurzeit keine Option ist, da es zumindest in Deutschland hierfür in absehbarer Zeit keine Akzeptanz geben dürfte.

Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/uwe-ludewig-und-die-zukunft-der-nutzpflanzen