Smarte Bakterien könnten die weltweite Lebensmittelproduktion verändern
Technologie könnte das volle Ertragspotenzial von Nutzpflanzen erschließen und gleichzeitig die Abhängigkeit von Düngemitteln und Pestiziden verringern
Da die Weltbevölkerung bis zum Jahr 2050 voraussichtlich 10 Milliarden Menschen erreichen wird und die Ernteerträge jährlich sinken, entwickelt ein Team von Wissenschaftlern der Northumbria University einen revolutionären neuen Ansatz für die Ernährungssicherheit.
Von l-r: Dr. Angela Sherry, Dr. Emma Riley und Dr. Ciaran Kelly von der Universität Northumbria
Barry Pells / Northumbria University
Das Team wurde von der Advanced Research and Invention Agency (ARIA) als einer von nur 14 Forschern ausgewählt, die im Rahmen des ehrgeizigen Programms Programmable Plants" eine Startfinanzierung erhalten.
Das interdisziplinäre Team erhält fast eine halbe Million Pfund, um die Entwicklung eines "intelligenten Bakteriums" zu finanzieren, das dynamisch umprogrammieren kann, wie Nutzpflanzen in Echtzeit auf Umweltbelastungen reagieren.
Das 18-monatige Saatgutprojekt mit dem Titel Smart Engineered Bacterial Conduits for Enhanced Crop Performance wird von Dr. Ciarán Kelly, Assistenzprofessor für Synthetische Biologie, und Dr. Emma Riley, leitende Forschungsassistentin für Biowissenschaften, zusammen mit Dr. Angela Sherry, außerordentliche Professorin für mikrobielle Umgebungen, und in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Universität Oxford und der Universität Leeds geleitet.
Das Projekt befasst sich mit einer grundlegenden Herausforderung in der modernen Landwirtschaft: Pflanzen reagieren oft zu vorsichtig auf mäßige Stressbedingungen wie leichte Trockenheit und niedrige Nitratwerte im Boden, bevor sie gedüngt werden, was ihr Wachstum stark beeinträchtigt.
"Pflanzen haben sich so entwickelt, dass sie dem Überleben Vorrang vor dem Ertrag geben", erklärt Dr. Kelly. "Aber dieser natürliche Überlebensmechanismus ist für die Nahrungsmittelproduktion oft kontraproduktiv. Selbst mäßiger Stress führt dazu, dass die Pflanzen ihr Wachstum einstellen und in den Verteidigungsmodus wechseln, was beim Anbau von Nutzpflanzen für den menschlichen Verzehr eine enorme Einschränkung darstellt.
Die innovative Lösung des Northumbria-Teams besteht darin, bakterielle Leitungen zu entwickeln, die als intelligente Vermittler zwischen Pflanzen und ihrer Umwelt fungieren.
Diese intelligenten Bakterien nehmen Umweltreize und Stresssignale der Pflanzen wahr und greifen dann ein, um das Gleichgewicht der Pflanzenhormone in Echtzeit wiederherzustellen, so dass die Pflanzen auch unter moderaten Stressbedingungen weiter wachsen können.
Diese Technologie könnte das volle Ertragspotenzial von Nutzpflanzen erschließen und gleichzeitig die Abhängigkeit von Düngemitteln und Pestiziden verringern.
"Die von uns entwickelten bakteriellen Leitungen stehen in ständiger Rückkopplung mit der Pflanze, nehmen Signale von der Pflanze und der äußeren Umgebung auf und programmieren das Verhalten der Pflanze durch die Regulierung wichtiger Pflanzenhormon-Verhältnisse neu", erklärt Dr. Kelly. "Wir führen zum ersten Mal eine schnelle, dynamische Kontrolle des Pflanzenverhaltens auf dem Feld ein und programmieren die Pflanze in Echtzeit um, damit sie schnell und angemessen auf Stress reagieren kann.
Dr. Emma Riley, die aus ihrer Doktorarbeit Fachwissen über die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Bakterien mitbringt, sagte: "Wir bauen auf jahrzehntelanger Forschung zu pflanzenwachstumsfördernden Bakterien auf, die bereits sicher in der Landwirtschaft eingesetzt werden. Unsere Innovation besteht darin, diese robusten Systeme mit programmierbarer Intelligenz auszustatten, die ein dynamisches Eingreifen auf der Grundlage von Stressbedingungen in Echtzeit ermöglicht".
Dr. Kelly unterstreicht die weiterreichenden Auswirkungen: "Wir optimieren nicht einfach nur bestehende Systeme - wir stellen die Art und Weise, wie wir an die Entwicklung von Nutzpflanzen herangehen, völlig neu dar. Anstelle des traditionellen monatelangen Prozesses der genetischen Veränderung von Pflanzen im Labor setzen wir intelligente Bakterien ein, um das Verhalten der Pflanze auf dem Feld selbst zu verändern. Dass wir von ARIA als einer der R&D Creators ausgewählt wurden, unterstreicht die potenzielle globale Wirkung dieser Forschung, und wir freuen uns, dass dies von ARIA anerkannt und unterstützt wird."
ARIA ist die jüngste britische Forschungsförderungsagentur, die vom Ministerium für Wissenschaft, Innovation und Technologie unterstützt wird und Teams von Wissenschaftlern und Ingenieuren finanziert, die Forschung an der Grenze des wissenschaftlich und technologisch Machbaren betreiben.
Der von der Programmdirektorin Angie Burnett geleitete ARIA-Bereich Programmable Plants (Programmierbare Pflanzen) trägt der Tatsache Rechnung, dass Pflanzen 80 % der Biomasse der Erde ausmachen und schnell, kostengünstig und weit über unseren Planeten verteilt sind. Dies macht Pflanzen zu einer idealen technologischen Plattform für die Bereitstellung kostengünstiger, nachhaltiger Ressourcen in großem Maßstab.
Die ARIA-Gelegenheitsräume erstrecken sich über Disziplinen, Sektoren und Institutionen hinweg und bringen Wissenschaftler und Ingenieure mit unterschiedlichen Fachgebieten zusammen, um Silos zu durchbrechen und neue Wege zu entdecken.
Die Auswahl als einer von nur 14 F&E-Creators aus einem hart umkämpften Feld zeigt das außergewöhnliche Potenzial des Ansatzes von Northumbria und die Expertise des Teams in synthetischer Biologie, Mikrobiologie und Pflanzenwissenschaften.
Mit dem 18-monatigen Startprojekt soll der Nachweis der Machbarkeit der gentechnisch veränderten bakteriellen Leitungen erbracht werden, mit der Möglichkeit einer Anschlussfinanzierung zur Entwicklung anspruchsvollerer Anwendungen.
Das Northumbria-Team geht davon aus, dass die Technologie innerhalb von 10-20 Jahren einsatzbereit sein könnte, zunächst in Gebieten, in denen bereits gentechnisch veränderte landwirtschaftliche Bakterien verwendet werden.
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