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Why study plants?. Pflanzen sind, wie die meisten Tiere, vielzellige Eukaryonten Bakterien Archaea Tiere Pflanzen Pilze Gemeinsame Vorfahren.

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Präsentation zum Thema: "Why study plants?. Pflanzen sind, wie die meisten Tiere, vielzellige Eukaryonten Bakterien Archaea Tiere Pflanzen Pilze Gemeinsame Vorfahren."—  Präsentation transkript:

1 Why study plants?

2 Pflanzen sind, wie die meisten Tiere, vielzellige Eukaryonten Bakterien Archaea Tiere Pflanzen Pilze Gemeinsame Vorfahren

3 Pflanzen sind, wie die meisten Tiere, vielzellige Eukaryonten Bakterien Archaea Tiere Pflanzen Pilze Gemeinsame Vorfahren

4 Pflanzen sind unterschiedlich Grünalgen Leber- moose Laub- moose Gefäßpflanzen Bärlapp- gewächse Farne Samen- pflanzen Blüten- pflanzen Gymnospemen Monokotyledonen Dikotyle- donen Landpflanzen Pflanzen können an den verschiedensten Standorten gedeihen.

5 Pflanzen machen uns glücklich Dravigne, A. et al. (2008) HortScience 43: ; Photo credit: tom donald Menschen mit Pflanzen im Blickfeld sind mit ihrer Arbeit zufriedener.

6 Pflanzen sind erstaunliche Lebewesen Größte Blüten (~ 1 m) Älteste Lebewesen (~ 5000 Jahre) Größte Organismen (> 100 m) Photo credits: ma_suska; Bradluke22; Stan Shebs

7 Wir können nicht ohne Pflanzen leben Pflanzen produzieren den größten Teil des Sauerstoffs, von dem wir leben. Pflanzen produzieren den größten Teil der chemisch gebundenen Energie, die wir als Nahrung nutzen oder als Treibstoff verbrennen. Pflanzen produzieren eine erstaunliche Vielfalt von nützlichen Verbindungen.

8 Joseph Priestley (1772) erkannte, dass die Atmung von Tieren und Menschen die Luft verbraucht. Ein Lebewesen in einem abgeschlossenen Behälter stirbt. Wir können nicht ohne Sauerstoff leben! KEIN Sauerstoff

9 Priestley erkannte auch, dass Pflanzen die Fähigkeit besitzen, Luft wieder regenerieren zu können. Heute wissen wir, dass Pflanzen den für uns lebenswichtigen Sauerstoff als Nebenprodukt der Photosynthese produzieren. Wir können nicht ohne Sauerstoff leben! Sauerstoff wird von der Pflanze produziert

10 Pflanzen fixieren Kohlendioxid und synthetisieren daraus energiereiche Produkte, die wir als Nahrungsgrundlage nutzen CO 2 Über die Photosynthese setzen Pflanzen das atmosphärische CO 2 zunächst in Zucker um.

11 Pflanzen produzieren eine erstaunliche Vielfalt an wertvollen Verbindungen Vitamin A Vitamin C Vanillin Kaffein Morphin CO 2

12 Why study plants? Um gefährdete Pflanzen und eine bedrohte Umwelt zu schützen. Um die Natur besser verstehen zu können. Um Pflanzen als Rohstoffe und Produzenten von Nahrung und Medizin besser nutzen zu können. Photo credit: tom donald

13 Das Studium der Pflanzen zeigt uns unsere Welt Zeichnung des Korks von Robert Hooke, dem Entdecker der Zellen Zellen wurden erstmals in Pflanzen entdeckt Korkzellen (Photographie) Photo credit: ©David B. Fankhauser, Ph.D

14 Viren wurden erstmals aus Pflanzen isoliert Tabakmosaikvirus Viren infizieren Menschen, Tiere und Pflanzen. Sie verursachen viele Krankheiten wie AIDS, Hepatitis, SARS, Schweinegrippe, Windpocken und Kinderlähmung. Image Copyright 1994 Rothamsted Research

15 Die Arbeiten von Gregor Mendel an Erbsen führten zu den Vererbungsregeln … und halfen uns, menschliche Krankheiten wie die Sichelzellen Anämie zu verstehen... G. Mendel ( )

16 ... und die Hämophilie, wie auch unzählige andere genetisch bedingte Erkrankungen. Stammbaum einer Familie mit Hämophilie Allelen Die Arbeiten von Gregor Mendel an Erbsen führten zu den Vererbungsregeln G. Mendel ( )

17 Die Mendel´schen Regeln waren grundlegend für die Pflanzengenetik und die moderne Pflanzenzüchtung. Pflanzenzüchter Norman Borlaug ( ) Nobelpreis 1970 Die Arbeiten von Gregor Mendel an Erbsen führten zu den Vererbungsregeln G. Mendel ( )

18 WHY STUDY PLANTS?

19 Die Weltbevölkerung wächst und wächst … Die Weltbevölkerung wird sich zwischen 1950 (2.5 Milliarden) und 2020 (7.5 Milliarden) verdreifachen. Weltbevölkerung (Milliarden)

20 Ein Hauptziel der Pflanzenwissenschaft ist die Steigerung der Nahrungsmittelproduktion. Es wird angenommen, dass wir einen Anstieg um 70% in den nächsten 40 Jahren benötigen werden. Die Weltbevölkerung wächst und wächst …

21 Mangelernährung und Hunger lassen überproportional viele Kinder sterben 2004 starben 60 Millionen Menschen weltweit (Source: World Health Organization, 2008)

22 10 Millionen waren Kinder unter fünf Jahren; davon 99% aus Entwicklungsländern ( Source: The State of the World's Children, UNICEF, 2007) Mangelernährung und Hunger lassen überproportional viele Kinder sterben

23 5 Millionen Kinder unter fünf Jahren sterben jährlich an Unterernährung und den damit verbundenen Ursachen; d.h. alle sechs Sekunden stirbt ein Kind im Vorschulalter einen vermeidbaren Tod. Mangelernährung und Hunger lassen überproportional viele Kinder sterben

24 1 Millionen Kinder sterben jährlich an Vitamin A - Mangel. (Source: Vitamin and Mineral Deficiency, A Global Progress Report, UNICEF) Mangelernährung und Hunger lassen überproportional viele Kinder sterben

25 Wie würde die Welt auf eine Krankheit reagieren, die die Bevölkerung in den USA, Kanada und der Europäischen Gemeinschaft betrifft?

26 Mehr als 1 Milliarde Menschen weltweit leiden chronisch an Hunger Das ist mehr als die Gesamtbevölkerung in den USA, Kanada und der Europäischen Gemeinschaft (Source: FAO news release,19 June 2009)

27 Mehr als zwei Milliarden Menschen weltweit leiden an Eisenmangel und sind anämisch Das ist mehr als die Gesamtbevölkerung in den USA, Kanada, der Europäischen Gemeinschaft und China (Source: World Health Organization, WHO Global Database on Anaemia)

28 WAS KÖNNEN DIE WISSENSCHAFTLER DAGEGEN TUN?

29 Durch die Entwicklung von Pflanzen die trocken- oder stress-tolerant sind die weniger Dünger oder Wasser benötigen die pathogen-resistent sind die nahrhafter sind Pflanzenwissenschaftler können ein Beitrag zur Linderung des Hungers leisten

30 Das Wachstum von Pflanzen wird oftmals durch Trockenheit beeinträchtigt Image source: IWMI Gebiete mit physikalischem und ökonomischem Wassermangel

31 Trockenstress wird durch den Anstieg der globalen Temperatur verstärkt Der Ernteertrag kann in warmen Gebieten um ~3 - 5% pro 1°C Temperaturanstieg sinken. © European Communities, Image Source: The PESETA Project Vorhersage der Temperaturänderung für den Zeitraum , relativ zum Zeitraum

32 Sogar ein milder Trockenstress führt zu Ernte-Einbußen Bereits ein milder Trockenstress führt zur Reduktion der Photosynthese und des Wachstums; ein starker Trockenstress zum Absterben.

33 Hitze und Trockenheit beeinträchtigen den Ernteertrag Wir brauchen Pflanzen mit der Fähigkeit, unter Stress-Bedingungen gut zu wachsen

34 Mehr Landfläche zum Anbau von Nutzpflanzen benötigt Hitze und Trockenheit beeinträchtigen den Ernteertrag Wir brauchen Pflanzen mit der Fähigkeit, unter Stress-Bedingungen gut zu wachsen

35 Waldrodungen für den Landgewinn führen jedoch zu einer gesteigerten CO 2 - Abgabe in die Atmosphäre Hitze und Trockenheit beeinträchtigen den Ernteertrag Mehr Landfläche zum Anbau von Nutzpflanzen benötigt Wir brauchen Pflanzen mit der Fähigkeit, unter Stress-Bedingungen gut zu wachsen

36 Die Änderung eines einzigen Gens kann der Pflanze Trocken-Toleranz verleihen Anschl. Wässerung Gut gewässert 10 Tage trocken20 Tage trocken Trocken- tolerant Wildtyp Yu, H. et al. (2008) Plant Cell 20:

37 Ein vergrößertes Wurzelsystem trägt zur Trocken-Toleranz bei KeimlingeAusgewachsene Pflanzen Wildtyp Trocken- tolerant Trocken- tolerant In Trockengebieten könnte ein Anbau von Pflanzen mit vergrösserten Wurzelsystemen zu höheren Ernteerträgen führen. Yu, H. et al. (2008) Plant Cell 20:

38 Düngemittel sind limitiert und ihre Herstellung ist energieaufwändig Nutzpflanzen brauchen Dünger - Kalium, Phosphat, Stickstoff und andere Elemente. Kalium und Phosphat stammen aus nicht-erneuerbaren Quellen. Die Herstellung von Stickstoff- Düngern verbraucht hohe Energiemengen. Photo credits: Mining Top News; Library of Congress, Prints & Photographs Division, FSA-OWI Collection, LC-USW

39 Der Einsatz von Düngemitteln trägt beträchtlich zur Umweltverschmutzung bei Photo courtesy of NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio) Das Auswaschen von Düngemitteln ist umweltschädigend. Es führt zur Algenblüte; der damit verbundene Sauerstoffmangel im Wasser zerstört die Grundlagen für jegliches Leben.

40 Yuan, L. et al. (2007) Plant Cell 19: Die Aufnahme von Nährstoffen in die Pflanzen kann verbessert werden Verbesserte Transportsysteme in der Wurzel können den Einsatz von Düngemitteln reduzieren.

41 Nutzpflanzen werden mit mehrjährigen Pflanzen gekreuzt, um die Abhängigkeit von Dünger und Wasser zu reduzieren. Wes Jackson vom Land Institute zeigt die mehrjährige Pflanze Thinopyrum intermedium (Weizengras), die mit dem Weizen verwandt ist Mehrjährige Pflanzen haben ein größeres Wurzelsystem und können Wasser und Nährstoffe besser aufnehmen als die meisten (einjährigen) Nutzpflanzen Photo credit: Jodi Torpey, westerngardeners.com

42 Zwei ernste Krankheiten bedrohen z. Zt. die Welternährung Phytophthora infestans bewirkt die Kartoffelfäule und hat sich erneut zu einer ernsten Bedrohung entwickelt. Puccinia graminis tritici, der Getreide-Rostpilz, hat sich ebenfalls zu einer aggressiven Form entwickelt. Photo credits:

43 Phytophthora infestans zerstört Kartoffeln Die Kartoffelfäule wird durch Phytophthora infestans bewirkt. In den 1840-iger Jahren führten durch Phytophthora verursachte Missernten zu mehr als 1 Millionen Hungertoten in Europa.. ( Photo credits: USDA; Scott Bauer) Infiziert Behandelt

44 Die Identifizierung von Resistenz - Genen Resistent Inokuliert mit Pilz Nicht inokuliert Suszeptibel Die Pflanze (links) trägt das Resistenzgen und zeigt keine Krankheitssymptome. Song, J. et al. (2003) PNAS 100: ; Copyright (2003) National Academy of Sciences, U.S.A. Pflanzengenetiker haben ein Phytophthora infestans Resistenz-Gen identifiziert und es in andere Kartoffel- Varietäten eingeführt.

45 Der Getreiderost ist eine zunehmende Bedrohung Ein neuer, hoch- pathogener Stamm tauchte erstmals 1999 in Uganda auf (Ug99). Die meisten Weizensorten sind gegen diesen Stamm nicht resistent. Infizierte Weizenpflanzen Photo credit: ARS USDA

46 Ug99 bedroht den Weizen weltweit Das ist ein globales Problem, das eine globale Aufmerksamkeit erfordert. Die Sporen von Ug99 werden nicht an nationalen Grenzen aufgehalten … – United Nations Food and Agriculture Organization (FAO) Photo credit: ARS USDA

47 Die Pilzsporen werden durch den Wind übertragen Ug99 wird in Uganda, Kenia, Äthiopien, im Jemen, Sudan und Iran gefunden und bedroht Regionen im Nahen Osten, Ost-Afrika, Zentralafrika und im südlichen Afrika. Rot: Winde, mit denen die Pilzsporen verbreitet werden. Photo credit:

48 Weizen ist die wichtigste Nutzpflanze in vielen bedrohten Regionen, besonders für die ärmsten Bewohner. Wahrscheinliche Ug99 Flugbahnen Photo credit: Die Pilzsporen werden durch den Wind übertragen

49 Internationale Wissenschaftler- Teams kooperieren, um die Ausbreitung von Ug99 zu überwachen und resistente Weizen-Varietäten zu entwickeln. Zur Zeit weiß niemand, ob rechtzeitig resistente Varietäten entwickelt werden können, um eine größere Hungersnot abzuwenden … Photo credits: Bluemoose; FAO

50 Nach der Ernte reifen die Früchte, werden weich und verrotten. Diese Prozesse machen die Früchte weniger ansehnlich und beeinträchtigen ihren Nährwert. Photo credits: Cornell University; ARC Pflanzenbiologen suchen nach Möglichkeiten, Pflanzen nach der Ernte gesund zu erhalten

51 Unsachgemäße Lagerung von Kartoffeln führt zur Ergrünung und der Produktion von Solanin. Solanin ist schädlich und in höheren Mengen toxisch. Photo credits: Dr. C.M. Christensen, Univ. of Minnesota; WSU; Pavalista, A.D Aspergillus Schimmel, der auf Maiskörnern wächst. Pilzbefall während der Lagerung kann zu einem Verlust des Körnerertrages von mehr als 50% führen. Grün-Skala Zeit (Tage) Tage = (GS) Weiss-Rot Licht (6.8 µE m -2 sec -1 ) Pflanzenbiologen suchen nach Möglichkeiten, Pflanzen nach der Ernte gesund zu erhalten

52 Vitamin A Defizienz Hunger Wir brauchen Vitamine, Mineralien und Kalorien. Die Ernährung am Existenz- minimum ist normalerweise nährstoffarm. Die damit verbundene Mangelernährung ist primär eine Krankheit der armen Bevölkerung. Anämie (Kinder) Ein verbesserter Gehalt an pflanzlichen Nährstoffen kann Mangelernährung vermindern Image sources: Petaholmes based on WHO data; WHO

53 Die Anreicherung von Nahrungsmitteln mit Vitaminen (wie Folsäure und Vitamin A) und Mikro-Nährelementen (wie Eisen, Zink und Jod) hat zu einem dramatischen Rückgang der Mangelernährung in großen Teilen der Welt geführt. Photo credit: © UNICEF/NYHQ /Giacomo Pirozzi

54 Genetisch veränderte Biotech-Pflanzen Eisen-angereicherter Reis Wildtyp (oben) und Antioxidantien-angereicherte Tomaten (unten) Photo credits: Golden Rice Humanitarian Board © 2007;Credit: ETH Zurich / Christof Sautter; Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: Butelli, E. et al., Nature Biotechnology 26, copyright (2008) Vitamin A-angereicherter Reis (Golden Rice)

55 Pflanzen versorgen uns nicht nur mit Nahrung Pflanzen: sind Ausgangsmaterialen für die Herstellung neuer therapeutischer Mittel liefern Fasern für Papier und Gewebe stellen erneuerbare Produkte bereit dienen als erneuerbare Energiequellen Photo credit: tom donald

56 Pflanzen produzieren eine große Vielfalt von Verbindungen, die in der Medizin oder als Drogen genutzt werden Weide (Salix); Rinde enthält schmerzstillende Salicylate (Aspirin = Acetylsalicylsäure) Fingerhut (Digitalis purpurea); Rohstoff für die Isolierung von Digitalis (Herzmittel) Pazifische Eibe (Taxus brevifolia); Rohstoff für die Isolierung von Taxol (Krebsmittel) Kaffee (Coffea arabica) und Tee (Camellia sinensis); Rohstoff für die Isolierung von Koffein

57 Malaria führt zu Millionen von Toten Weltregionen mit erhöhtem Risiko für Malaria. Hay, S.I. et al., (2009) PLoS Med 6(3): e doi: / journal.pmed

58 Plasmodium falciparum ist der Verursacher von Malaria Plasmodium in einer Mauszelle. Image by Ute Frevert; false color by Margaret Shear

59 Plasmodium wird über infizierte Stechmücken auf Menschen übertragen Photo credit: CDC

60 Die Rinde des Chinabaums enthält Chinin, das die Plasmodien abtötet Plasmodium entwickelt jedoch Resistenzen gegen Chinin, so dass andere Anti-Malaria Mittel gefunden werden müssen. Image credits: Köhler; CDC

61 Gin und Quinin? (Crown copyright; Photograph courtesy of the Imperial War Museum, London - Q 32160) Britische Soldaten in tropischen Regionen bekamen Quinin als Anti-Malaria Mittel. Um den bitteren Geschmack zu neutralisieren, wurde Quinin mit süßem Sprudelwasser (Tonic) gemischt, oft auch mit Gin - der Ursprung des Gin Tonic.

62 Artemisia annua ist eine Pflanze mit neuen Anti-Malaria Aktivitäten Photo credit: Artemisinin Artemisia wird von chinesischen Kräuterärzten seit 2000 Jahren eingesetzt konnte die aktive Komponente, Artemisinin, isoliert werden.

63 Pflanzenwissenschaftler entwickeln hoch-aktive Artemisia Arten Photo credit:

64 Pflanzliche Zellwände stellen wichtige und dauerhafte Materialien bereit Holz besteht primär aus pflanzlichen Zellwänden. Photo credit: tom donald

65 Zellwände Photo credit: Zhong, R. et al. (2008) Plant Cell 20: Primäre Zellwände bestehen hauptsächlich aus Kohlenhydraten und Proteinen. Einige Zellen produzieren eine feste sekundäre Zellwand, in die Lignin, eine quervernetzte Verbindung, eingelagert wird. Pektin Mikrofibrillen (Cellulose) Hemicellulose Lösliche Proteine Mittel Lamelle Plasma Membran Primäre Zellwand

66 Holz und Fasern sind überall Rembrandt van Rijn (1631) Kleider aus Pflanzen- Gewebe (Baumwolle, Leinen, Seide) Holz ist ein Baustoff und wird zur Herstellung von Möbeln genutzt Pflanzengewebe werden zur Herstellung von Papier, früher Papyrus, genutzt Die Leinwand ist aus Flachs- oder Hanf-Fasern

67 Pflanzen liefern Fasern für Papier und Gewebe Baumwolle wird auf höhere Schädlingsresistenz und eine verbesserte Faserproduktion gezüchtet. Photo credits: Chen Lab; IFPC

68 Die Sequenzierung des Genoms der Pappel, deren Holz für die Papierproduktion genutzt wird, wurde kürzlich abgeschlossen Diese Information wird jetzt genutzt, um die Effizienz der Papierherstellung zu verbessern. Photo credit: ChmlTech.com Bleichen des Papierbreis Die dunkle Farbe des Breis wird hauptsächlich durch Lignin verursacht, das schrittweise während des Bleichens entfernt wird Nach Kochen O 2 Bleichung

69 Pflanzen können Erdöl bei vielen Produkten und Anwendungen ersetzen Es braucht viele Millionen Jahre, um abgestorbenes organisches Material in Erdöl umzuwandeln … und der Erdöl-Vorrat geht zu Ende. Erdöl ist KEINE erneuerbare Energiequelle creativecartoons.org

70 Pflanzen können Erdöl bei vielen Produkten und Anwendungen ersetzen creativecartoons.org. Es braucht viele Millionen Jahre, um abgestorbenes organisches Material in Erdöl umzuwandeln … und der Erdöl-Vorrat geht zu Ende. Erdöl ist KEINE erneuerbare Energiequelle Wenn ich groß bin, möchte ich ein fossiler Brennstoff werden

71 Pflanzen dienen als Rohstoff für Bio-Kraftstoffe Energie aus der Sonne Image source: Genome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory Zucker, Stärke und Cellulose können zu Ethanol fermentiert werden. Mikroorganismen setzen Zucker in Alkohol um, der dann aus der Mischung von Alkohol, Wasser und Mikroorganismen abgetrennt und über Destillation gereinigt wird.

72 Pflanzen dienen als Rohstoff für Biodiesel Image sources: Tilo Hauke, University of Minnesota, Iowa State University Extension. Aus Raps, Sojabohnen oder Algen produzierter Biodiesel kann erdölbasierten Diesel ersetzen.

73 Bioenergie-Pflanzen beeinträchtigen nicht die Nahrungsmittelproduktion oder deren Preise Miscanthus giganteus (Elefantengras) ist eine mehrjährige und schnell- wachsende Bioenergie- Pflanze, die auf landwirtschaftlich anders nicht nutzbaren Flächen angebaut werden kann. Photo Illustration courtesy S. Long Lab, University of Illinois, 2006

74 Aus der Cellulose der Zellwand gewonnenes Ethanol ist eine bedeutende Energiequelle Zellwände aus Mais- Stängeln und anderen Pflanzen- Abfällen Ethanol Image source: Genome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory

75 Produktion von Plastik aus erneuerbarem Pflanzenmaterial Energie aus der Sonne Photo Illustration courtesy S. Long Lab, University of Illinois, 2006 Pflanzen dienen als Produzenten für erneuerbare und biologisch abbaubare Materialien

76 Biodegradation Wissenschaftler erforschen kostengünstige Wege, um aus Pflanzen Plastik herzustellen. Photo Illustration courtesy S. Long Lab, University of Illinois, 2006 Energie aus der Sonne Pflanzen dienen als Produzenten für erneuerbare und biologisch abbaubare Materialien

77 Why study plants? Von Pflanzen lernen wir die Grundlagen der Natur und des Lebens zu verstehen. Mithilfe neuer Technologien können wir Pflanzen als Lieferanten für eine Unzahl von Verbindungen und Produkten nutzen. Pflanzen ernähren uns, halten uns gesund und bereichern unser Leben in vielfacher Hinsicht.


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