Aktuelles Projekt

Überblick

Das Projekt Fungilyzer stellt einen innovativen Ansatz zur Bekämpfung der Phosphatverarmung in landwirtschaftlichen Böden dar. Unser Hauptziel ist die Entwicklung eines gentechnisch veränderten Pilzes, der die einzigartige Fähigkeit besitzt, Phosphat aus der Bodenumgebung effizient aufzunehmen und zu speichern. In Zeiten des Phosphatmangels wird dieser Pilz als dynamischer Biodünger fungieren, der den Mangel erkennt und die Übertragung wichtiger Phosphatnährstoffe auf die Pflanzen erleichtert, indem er einen programmierten Zelltodprozess, die Apoptose, auslöst.
 

Hintergrund

Die Welt steht vor kritischen Herausforderungen im Zusammenhang mit den begrenzten Phosphatressourcen und der Eutrophierung, die beide globale Auswirkungen haben. Phosphor (P) ist ein lebenswichtiger Makronährstoff für Pflanzen, der etwa 0,2 % des Trockengewichts einer Pflanze ausmacht. Er spielt eine grundlegende Rolle bei der Bildung essenzieller Moleküle, darunter Nukleinsäuren, Phospholipide und ATP (Adenosintriphosphat). Daher ist eine konstante und ausreichende Versorgung mit diesem Nährstoff für das Wachstum und die Entwicklung der Pflanzen unerlässlich. Darüber hinaus spielen die von Phosphor abgeleiteten Phosphat-Ionen (Pi) eine entscheidende Rolle bei der Steuerung wichtiger Enzymreaktionen und der komplizierten Regulierung von Stoffwechselwegen. Die Nachhaltigkeit moderner landwirtschaftlicher Systeme
hängt weitgehend von der kontinuierlichen Anwendung phosphathaltiger Düngemittel ab, die in erster Linie aus endlichen Phosphatgesteinsreserven gewonnen werden. Folglich besteht die unmittelbare Gefahr einer Ressourcenknappheit, die die weltweite Ernährungssicherheit erheblich beeinträchtigen könnte. Um diese drängenden Probleme anzugehen, wurde nach innovativen Lösungen gesucht, um die Erschöpfung der natürlichen Ressourcen zu verringern und gleichzeitig die landwirtschaftliche Produktivität zu steigern. Phosphatabflüsse stellen ein doppeltes Dilemma dar, da sie nicht nur die Entwicklung von Nutzpflanzen behindern, sondern auch eine wichtige Quelle für die Verschmutzung aquatischer Ökosysteme mit Phosphor (P) darstellen und somit erheblich zur weit verbreiteten Eutrophierung von Flüssen und Seen beitragen. Angesichts dieser Herausforderungen sollen unsere Forschungsbemühungen in der Entwicklung eines gentechnisch veränderten Pilzes gipfeln, der durch einen genetischen Schalter unterstützt wird und auf die Probleme der Eutrophierung und der Phosphatverfügbarkeit zugeschnitten ist. Dieser gentechnisch veränderte Pilz fungiert als biologischer Dünger, der die Phosphataufnahme strategisch verbessert und das Phosphat genau dann an die Pflanzen abgibt, wenn es benötigt wird. Auf diese Weise reduziert unser innovativer Ansatz den Phosphatabfluss und fördert gleichzeitig das Wachstum der Pflanzen.
 

Problem

Phosphat, eine lebenswichtige, aber endliche natürliche Ressource, wird immer knapper, da sein Bedarf in der modernen Welt aufgrund des steigenden Bedarfs an Nahrungsmitteln rasant ansteigt. Phosphor (P) spielt eine zentrale Rolle bei der Gewährleistung optimaler Bedingungen für die Entwicklung von Saatgut und Wurzeln und verleiht Getreidepflanzen Stärke und Qualität, neben anderen wichtigen Funktionen. Bemerkenswerterweise ist der Phosphor in den Böden weltweit trotz des umfangreichen Einsatzes von chemischen Düngemitteln weiterhin knapp, was in erster Linie auf den durch Niederschläge und andere klimatische Veränderungen verursachten Abfluss zurückzuführen ist. Um es mit den Worten von Professor Phil Haygarth von der Lancaster University zu sagen (übersetzt aus dem Englischsprachigen):
"Wir haben einen kritischen Wendepunkt erreicht. Wir können vielleicht noch umkehren, aber wir müssen uns wirklich zusammenreißen und sehr viel klüger mit Phosphor umgehen. Wenn wir das nicht tun, droht uns eine Katastrophe, die wir als 'Phosphogeddon' bezeichnet haben."

In Anbetracht dieses herausfordernden Szenarios besteht ein dringender Bedarf an einer biologischen Düngemittellösung, die die einzigartige Fähigkeit besitzt, Phosphat effizient aufzufangen und zu speichern und damit die Verschwendung so weit wie möglich zu reduzieren.

Unsere Lösung

Als Reaktion auf die steigende Nachfrage nach einem System zum Phosphatmanagement, das diese begrenzte Ressource nicht nur schont, sondern sie auch kontrolliert an Pflanzen abgibt, wenn der Phosphatgehalt des Bodens nicht ausreicht, beschlossen wir, einen biologischen Dünger namens "Fungilyzer" zu entwickeln. Fungilyzer basiert auf dem komplizierten Mechanismus der Apoptose, einem genetisch regulierten Zelltodprozess, der genutzt werden kann, um Phosphat bei Bedarf freizusetzen und es für das Wachstum und die Ernährung von Pflanzen verfügbar zu machen. Die dringende Herausforderung, die wir angehen wollen, ist das doppelte Problem der schwindenden Phosphatreserven und der schädlichen Folgen des Phosphatabflusses, der durch Niederschläge und veränderte klimatische Bedingungen verursacht wird. Unser innovativer Ansatz optimiert nicht nur die Phosphataufnahme durch die Pflanzen, sondern bietet auch einen Schutz gegen den verschwenderischen Abfluss dieses kritischen Nährstoffs. Um dies zu erreichen, haben wir den Pilz S. cerevisiae als Modellorganismus ausgewählt, da er eine gut etablierte symbiotische Beziehung zu Pflanzen hat. Durch sorgfältige Gentechnik haben wir einen ausgeklügelten genetischen Schalter in S. cerevisiae eingeführt. Dieser genetische Schalter erfüllt einen doppelten Zweck: Er bindet aktiv verfügbares Phosphat aus dem Boden und besitzt die Fähigkeit, Phosphatmangel zu erkennen. Wenn der Phosphatgehalt im Boden unter den erforderlichen Schwellenwert sinkt, löst unser gentechnisch veränderter Pilz unverzüglich den apoptotischen Prozess aus, der in der Freisetzung des gespeicherten Phosphats gipfelt. Dieser genau getimte Freisetzungsmechanismus stellt sicher, dass die Pflanzen genau dann das notwendige Phosphat erhalten, wenn sie es für ihr Wachstum und ihre Entwicklung benötigen