home news forum careers events suppliers solutions markets expos directories catalogs resources advertise contacts
 
Solution Page

Solutions
Solutions sources
Topics A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
  Species
 

Modified plants to curb climate change
Modifizierte Pflanzen gegen den Klimawandel


Würzburg, Germany
January 20, 2020

New technologies are needed to combat climate change. Now bioinformatics specialists from Würzburg might have found a way of enabling plants to store more carbon dioxide.
 

Wenn Stoffwechselnetzwerke von Pflanzen moduliert werden, können diese deutlich mehr Kohlendioxid binden - und damit möglicherweise den Klimawandel bremsen. If metabolic networks of plants are modulated, they can bind significantly more carbon dioxide - and thus possibly slow down climate change. (Image: Kinek00 / iStock.com)
 

Each year, an average of 120 gigatonnes of carbon dioxide (CO2) worldwide is released through soil and vegetation respiration. Plants are capable of taking in nearly 123 gigatonnes through photosynthesis in the same period. But as humans release another ten gigatonnes of carbon dioxide into this cycle, mainly by burning fossil fuels such as crude oil and natural gas, there are seven gigatonnes of excess CO2. "And these seven gigatonnes are our big problem," says Thomas Dandekar who holds the Chair of Bioinformatics at the University of Würzburg. They fuel global warming and cause global temperatures to rise at an alarming rate.

While searching for a solution to fix this problem, Dandekar and his colleagues believe to have discovered a promising way forward: They are studying plants which are capable of absorbing residual carbon dioxide more effectively thanks to a modified metabolism. The scientists have now published their findings in the current issue of the journal Trends in Biotechnology.

Modulated metabolic networks calculated

Bioinformatics researchers usually work with mathematical computer models. Over the past months, Thomas Dandekar and his team have been studying whether the metabolic networks of plants can be modulated so as to enable the plants to fix more carbon dioxide. To achieve this, the scientists combined two different methods to modulate the metabolism of the plant cell. By performing complex calculations, they found out that this combination enables plants to absorb five times more carbon dioxide than in the normal state.

Now their theoretical calculations need to be tested in practice. Muhammad Naseem, a colleague of Dandekar, is in charge of conducting these experiments. Born in Pakistan, Naseem has a PhD in molecular biology. He works both in Würzburg and at Zayed University in Abu Dhabi, the capital of the United Arab Emirates where he has been a professor for two years. On 4 January, Naseem returned to Abu Dhabi. He plans to start the practical test there in the course of this year. "We will experiment with tobacco plants and thale cress, also known as Arabidopsis thaliana, which are both easy to modify," the scientist explains.

Less carbon and more yield

"If we continue on our current path, climate change will have disastrous consequences," Dandekar warns. The scientist expects that the average temperature could rise by up to four degrees compared to pre-industrial levels. He believes that the next decade must be used to find new ways of removing the carbon dioxide that has already been released into the atmosphere, reducing CO2 emissions and developing strategies to adapt to the consequences of climate change. If successful in practice, the Würzburg research would kill two birds with one stone: Not only do the modulated plants absorb more carbon dioxide, they also deliver higher yields.

According to Thomas Dandekar, the research project funded by the Free State of Bavaria could help large companies offset their carbon dioxide emissions. The bioinformatics expert has the cement industry in mind, for example, which has a massive carbon dioxide problem. Cement production is estimated to be responsible for four to eight percent of global CO2 emissions. Modified diatoms could help reduce these high emissions as the professor explains: "These fast-growing algae could be cultivated directly in the sand pits."

Tackling two problems of humanity

Adapting to a changing climate is currently even more important for countries outside of Europe than for Germany, as Muhammad Naseem explains. The consequences are already clearly noticeable especially in the United Arab Emirates. Based on model forecasts, climate researchers warn that temperatures in the major cities on the Persian Gulf could rise to 50 or even 60 degrees Celsius. Such temperature levels would be unbearable even by Arabian standards. "The big problem is that the United Arab Emirates is among the countries with the highest carbon dioxide emissions per capita in the world," Muhammad Naseem says. He emphasises the urgency of curbing CO2 emissions.

Naseem considers the idea of combining two modulation methods a blessing because it would enable two problems of humanity to be addressed – provided that the computer analyses are congruous with the behaviour of the plants in the field. "The two problems of climate change and feeding the world population are closely connected," says the life scientist. Climate change causes scorched fields, withering plants and complete crop failure due to drought in some regions. Plants with modulated metabolic pathways could not only fix more CO2, they also produce more biomass due to the genetic modification.

More research funding is needed for active strategies against climate change

Of course, these new research findings are not the only strategy to mitigate climate change. Marine cloud brightening, which involves small, white, low altitude clouds that cool the ocean by reflecting the bright sun-light, or eco-diesel made from carbon dioxide using hydrogen from solar cells are two other promising approaches. "Whichever path or mix of strategies we choose has to be explored carefully for ten years before it is implemented," Dandekar cautions. It is imperative to boost funding of research and critical exploration of active strategies to combat climate change given the worldwide lack of willingness to actually cut carbon emissions. "Otherwise, come 2030, we will be powerless with no means of defending ourselves against the increasingly severe consequences of climate change and carbon dioxide increase."

Original publication

Synthetic rewiring of plant CO2-sequestration galvanizes plant biomass production. Muhammad Naseem, Özge Osmanoglu and Thomas Dandekar. Trends in Biotechnology. DOI: 10.1016/j.tibtech.2019.12.019


Modifizierte Pflanzen gegen den Klimawandel

 

Im Kampf gegen den Klimawandel sind neue Techniken gesucht. Würzburger Bioinformatiker haben jetzt möglicherweise einen Weg gefunden, der Pflanzen in die Lage versetzt, mehr Kohlendioxid zu binden.

Jedes Jahr werden weltweit durchschnittlich 120 Gigatonnen Kohlendioxid (CO2) durch die Boden- und Vegetationsatmung freigesetzt. Pflanzen sind durch Photosynthese imstande, im gleichen Zeitraum rund 123 Gigatonnen aufzunehmen. Weil allerdings der Mensch in erster Linie durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Erdöl und Erdgas weitere zehn Gigatonnen CO2 in diesen Kreislauf einspeist, bleibt ein Überschuss von sieben Gigatonnen. „Und diese sieben Gitatonnen sind unser großes Problem“, sagt Thomas Dandekar, Inhaber des Würzburger Lehrstuhls für Bioinformatik an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU). Sie treiben die Klimaerwärmung an und sorgen dafür, dass weltweit die Temperaturen in einem Besorgnis erregenden Maß ansteigen.

Bei der Suche nach einer Lösung für dieses Problem, glauben Dandekar und seine Mitarbeiter einen viel versprechenden Weg entdeckt zu haben: Sie setzen dafür auf effektivere Pflanzen, die dank eines modifizierten Stoffwechsels dafür sorgen, dass die CO2-Restmenge besser gebunden wird. Die Ergebnisse ihrer Studie haben die Wissenschaftler jetzt in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Trends in Biotechnology veröffentlicht.

Modulierte Stoffwechselnetze berechnet

Bioinformatiker forschen in der Regel mithilfe mathematischer Modelle am Computer. So untersuchte Thomas Dandekar in den vergangenen Monaten mit seinem Team, ob die Stoffwechselnetzwerke von Pflanzen auf eine Art moduliert werden können, dass die Pflanzen imstande sind, mehr Kohlendioxid zu binden. Dabei kombinierten die Wissenschaftler zwei unterschiedliche Methoden, den Stoffwechsel der Pflanzenzelle zu modulieren. Durch aufwändige und komplizierte Berechnungen fanden sie heraus, dass Pflanzen durch die Kombination fünfmal mehr CO2 binden könnten als im Naturzustand.

Das, was theoretisch berechnet wurde, muss nun in praktischen Versuchen erprobt werden. Dafür ist Dandekars Kollege Muhammad Naseem zuständig. Naseem stammt aus Pakistan, er ist promovierter Molekularbiologe und arbeitet nicht nur in Würzburg, sondern auch an der Zayed University in Abu Dhabi, der Hauptstadt der Vereinigten Arabischen Emirate. Seit zwei Jahren hat er dort eine Professur. Am 4. Januar flog Naseem wieder nach Abu Dhabi. Im Laufe dieses Jahres will er dort mit den praktischen Versuchen beginnen. „Wir werden mit der leicht transformierbaren Tabakpflanze und der Ackerschmalwand experimentieren“, so der Wissenschaftler.

Weniger Kohlendioxid bei mehr Ertrag

„Wenn wir so weitermachen wie bisher, wird der Klimawandel fatale Folgen haben“, warnt Dandekar. Er selbst rechnet damit, dass sich die Durchschnittstemperatur im Vergleich zur vorindustriellen Zeit um bis zu vier Grad erhöhen könnte. Die kommenden zehn Jahre müssten genutzt werden, um neue Wege zu finden, das bereits freigesetzte CO2 in der Atmosphäre zu entfernen, die CO2-Emissionen zu reduzieren und Strategien zur Anpassung an den Klimawandel zu entwickeln. Die Würzburger Forschungen würden, sollten sie sich in der Praxis bewähren, zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen. Denn die modulierten Pflanzen binden nicht nur viel CO2, sie sind zudem deutlich ertragreicher.

Das vom Freistaat unterstützte Forschungsprojekt könnte laut Thomas Dandekar ganz konkret großen Unternehmen helfen, ihren Ausstoß an CO2 zu kompensieren. Der Bioinformatiker denkt zum Beispiel an die Zementindustrie, die ein immenses Problem mit Kohlendioxid hat. Schätzungen gehen dahin, dass die Zementherstellung für vier bis acht Prozent der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich ist. Modifizierte Kieselalgen könnten dazu beitragen, diese hohen Ausstoßmengen zu reduzieren, erläutert der Professor: „Man könnte diese schnell wachsenden Algen direkt in den Sandgruben halten.“

Arbeit an zwei Menschheitsproblemen

Die Anpassung an den Klimawandel ist für Länder außerhalb Europas aktuell noch wichtiger als für Deutschland, erklärt Muhammad Naseem. Gerade in den Vereinigten Arabischen Emiraten seien die Folgen bereits deutlich spürbar. Klimaforscher warnen auf Basis von Modellprognosen, dass die Temperaturen in den großen Städten am Arabischen Golf auf 50 oder sogar 60 Grad Celsius klettern könnte. Das wären selbst für Arabien unerträgliche Hitzerekorde. „Das große Problem ist, dass die Vereinigten Arabischen Emirate zu den Ländern mit dem höchsten CO2-Fußabdruck pro Kopf zählen“, so Muhammad Naseem. CO2 müsse also dringend reduziert werden.

Die Idee, zwei Modulationsmethoden zu verbinden, sieht Naseem als Glücksfall an, denn dadurch könnten zwei Menschheitsprobleme angegangen werden – vorausgesetzt, die Computeranalysen decken sich mit dem Verhalten der Pflanze im Freiland. „Es geht zum einen um den Klimawandel und zum anderen um die Ernährung, und beides hängt eng zusammen“, sagt der Lebenswissenschaftler. Durch den Klimawandel verbrennen Felder, Pflanzen vertrocknen, mancherorts verdorrt die gesamte Ernte. Pflanzen mit modulierten Stoffwechselwegen könnten nicht nur dafür sorgen, dass mehr CO2 gebunden wird: Der gentechnische Eingriff führt auch zu einer höheren Biomasseproduktion.

Mehr Forschungsmittel für aktive Strategien gegen den Klimawandel sind nötig

Natürlich sind diese neuen Forschungsergebnisse nicht die einzige Strategie, den Klimawandel abzumildern. Kleine, kühlende, weiße Wolken direkt über dem Meer – das sogenannte „Marine Cloud Brightening“ – oder Ökodiesel aus CO2 mit Hilfe von Wasserstoff aus Solarzellen sind zwei weitere gute Strategien. „Welcher Weg oder Strategie-Mix auch gewählt wird, erst muss jede Strategie vorsichtig zehn Jahre exploriert werden, ehe man sie einsetzt“, warnt Dandekar. Eine stärkere Förderung der Erforschung und kritischen Exploration aktiver Strategien gegen den Klimawandel ist wegen der weltweit fehlenden Bereitschaft, tatsächlich CO2 einzusparen, dringend geboten, „sonst stehen wir 2030 ohnmächtig da, ohne Möglichkeiten, uns gegen den immer stärkeren Klimawandel und CO2 Anstieg zu schützen.“

Originalpublikation

Synthetic rewiring of plant CO2-sequestration galvanizes plant biomass production. Muhammad Naseem, Özge Osmanoglu and Thomas Dandekar. Trends in Biotechnology. DOI: 10.1016/j.tibtech.2019.12.019



More solutions from: University of Würzburg


Website: http://www.uni-wuerzburg.de

Published: January 21, 2020


Copyright @ 1992-2024 SeedQuest - All rights reserved