Amerikanische Wissenschaftler haben die optimalen Bedingungen für die Kultivierung von ex planta, dem am häufigsten verwendeten Pflanzengewebe für die Holzproduktion oder Xylem, ausgewählt. Vielleicht wird eine solche Technologie in Zukunft die Menschheit von der Notwendigkeit befreien, Bäume zum Fällen zu züchten. Die Versuchsergebnisse werden im Journal of Cleaner Production veröffentlicht.
Xylem oder Holz ist das leitfähige Gewebe der Pflanzen, seine Hauptfunktion besteht darin, Wasser und darin gelöste anorganische Stoffe zu transportieren. Darüber hinaus verleiht Xylem der Pflanze durch seine dicken Zellwände mit Lignin, einem harten natürlichen Polymer, Kraft. Holzprodukte werden aufgrund der erneuerbaren Natur der pflanzlichen Ressource oft als nachhaltig bezeichnet. Die Waldfläche nimmt jedoch stetig ab: Im Zeitraum von 1990 bis 2016 verlor die Menschheit rund 1,3 Millionen Quadratkilometer Wald – das sind mehr als die drei Transbaikal-Territorien.
Im Laufe der Geschichte der Verwendung von Holzmaterialien hat sich die Technologie ihrer Ernte nicht wesentlich geändert: Menschen züchten ganze Bäume, trennen die notwendigen Teile und werfen unnötige weg oder verbrennen sie. Dieser Ansatz sieht nicht nur irrational, sondern auch kostspieliger aus, als er sein könnte: Nur ein Teil der angebauten Pflanze wird tatsächlich verwendet, und die Kosten werden zu den temporären Kosten und Ausgaben für Land, Wasser, Düngemittel und Pestizide (Düngemittel und Pestizide sind auch in der Forstwirtschaft verwendet) Transport und Verarbeitung von Pflanzen. Ohne grundlegende Veränderungen bei der Holzgewinnung ist es unwahrscheinlich, dass die Situation wesentlich verbessert werden kann.
Inzwischen zeigen Pflanzenzellen beeindruckende Ex-planta-Entwicklungsfähigkeiten: Aus lebenden Zellen kann fast jede Art von Pflanzengewebe oder sogar eine ganze Pflanze entstehen. Diese Eigenschaft wird beispielsweise bereits in der Technologie der mikroklonalen Vermehrung von Pflanzen genutzt, wenn die ex-planta-Kultivierung einer Gewebeprobe einer Mutterpflanze es erlaubt, Hunderte und Tausende genetisch identischer Jungtriebe zu erhalten. Dies hilft, auch solche Pflanzen zu vermehren, deren Kultivierung auf andere Weise - vegetativ oder durch Samen - sehr schwierig ist.
MIT-Wissenschaftler aus dem Team von Luis Velasquez-García haben eine ähnliche Technik vorgeschlagen, jedoch ein separates Pflanzengewebe, Xylem (Holz), zu züchten. Sie versuchten, Zinnia elegans ex planta xylem zu züchten und ihr die gewünschte Form zu geben.
Zunächst führten die Forscher eine Reihe von Experimenten durch, um die optimalen Anbaubedingungen zu finden. Das Wachstum der Zellen, eine Zunahme ihrer Zahl und der Anteil der Tracheiden - Totholzzellen mit harten Schalen - hängen von mehreren grundlegenden Parametern ab: der Konzentration der Pflanzenhormone in der Nährlösung, ihrem Säuregehalt und der Ausgangskonzentration der Zellen.
Unter den Pflanzenhormonen werden zwei große Gruppen von Verbindungen - Auxine und Cytokinine - für die Entwicklung von leitfähigem Gewebe benötigt. Beispielsweise ist bekannt, dass eine erhöhte Konzentration von beiden zur Bildung von steifen Tracheiden führt. Die Wirkung des variablen Hormonverhältnisses im Nährmedium wurde jedoch bisher nicht beschrieben. Die Autoren zeigten das Ergebnis einer Exposition gegenüber Hormonen in unterschiedlichen Konzentrationen und kamen zu dem Schluss, dass ein geringer Gehalt dieser Verbindungen zu einer Zunahme des Zellvolumens und ihrer hohen Überlebensrate, jedoch zu ihrem schlechten Längenwachstum führt. Gleichzeitig hilft die Zugabe von einem halben Milligramm pro Milliliter Alpha-Naphthylessigsäure (Auxin) und einem Milligramm pro Milliliter 6-Benzylaminopurin (Cytokinin) den Anteil lebender Zellen im Gewebe deutlich zu reduzieren. Gleichzeitig hatte der Säuregehalt des Mediums bei hohen Hormonkonzentrationen fast keinen Einfluss auf die Bildung einer starren Zellmembran. Die Wissenschaftler stellten auch fest, dass die Zellen umso besser an Volumen und Länge wuchsen, je höher die anfängliche Zelldichte in der Lösung war.
Nachdem die optimalen Parameter ermittelt waren, gingen die Forscher direkt zur Kultivierung von Xylem über. Inspiriert wurden die Wissenschaftler von den Kultivierungsmethoden, die Ludwig Bergmann bereits in den sechziger Jahren des letzten Jahrhunderts beschrieben hatte: Er schlug vor, einzelne Pflanzenzellen in einer dünnen Schicht Nährgel zu fixieren, um ihre Entwicklung und Teilung zu beobachten. Die Gruppe brachte ihre Expertise in seine Technik ein, die es ermöglichte, das Nährgel nicht nur für die Beobachtung, sondern auch für den kontrollierten Anbau von Pflanzenmaterial zu verwenden.
Im Allgemeinen besteht der von den Forschern beschriebene Prozess des Holzwachstums aus drei Phasen. Zunächst erhalten Pflanzen Zellen aus jungen Blättern. Anschließend werden sie zur Zwischenkultivierung in ein flüssiges Medium überführt und können in diesem Medium bis zur nächsten Stufe gelagert werden. Um die gewünschte Struktur zu züchten, wird die Zellsuspension mit einem thermosensitiven Gel im Volumenverhältnis 1:3 gemischt. Die Nährstoffmischung verfestigt sich bei Raumtemperatur mit darin gleichmäßig verteilten einzelnen Pflanzenzellen. Im Laufe der Zeit wachsen Zellen und bilden ein einziges Gewebe.
Ex-planta-Holzkultivierungsprozess: Gewinnung von Zellen, Kultivierung in einem flüssigen Medium und Züchtung in einem Gel
Daher wählten die Forscher die Zusammensetzung des Nährgels und passten seine Form an, um Pflanzengewebe mit den gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Die Steifigkeit des Gewebes, die Form und Größe der Zellen sowie die Form des Endprodukts wurden angepasst. Wissenschaftler stellen fest, dass weitere Erforschung anderer Parameter, die das Gewebewachstum beeinflussen, wie Gasaustausch, Übertragung biologischer Signale von Zelle zu Zelle und Wechselwirkungen zwischen dem Verdickungsmittel und den Nährmedien, das Potenzial für die Ex-planta-Holzproduktion erhöhen wird. Sie hoffen, dass diese Technologie eines Tages breite Anwendung finden wird.
Wissenschaftler experimentieren auch viel mit den Möglichkeiten des Werkstoffs Holz. Sie erzeugen beispielsweise aus Holz einen flexiblen Leuchtstoff, machen ihn transparent oder verleihen ihm die Eigenschaft, Wärme passiv abzuleiten.
