Pappel

Die Pappel ist in den gemäßigten Zonen der Nordhalbkugel - vor allem in Kanada, USA, Russland und China - beheimatet. Auf mehr als neun Millionen Hektar werden Pappeln in Plantagen angebaut, die meisten davon in China. Weitere Anbauländer sind Indien, Frankreich, Türkei, Italien und Argentinien. Viel genutzte Pappelarten sind die Schwarz-Pappel (Populus nigra), die Silber-Pappel (P. alba) und die Kanadische Schwarz-Pappel (P. deltoides).

Pappeln gehören zu den schnell wachsenden Gehölzen mit gerader Wuchsform und einem ausgeprägten Hauptstamm. Das macht sie zu einem wichtigen Holzlieferanten für Bauholz, Paletten und Sperrholz, Papier und Verpackungen, Essstäbchen und Streichhölzer, aber auch für den Bau von Musikinstrumenten.

Pappeln finden auch Verwendung als Schutzpflanzung gegen Wind und Bodenerosion oder bei der Rekultivierung etwa von Halden.

Zunehmend wird die Pappel auch als nachwachsender Rohstoff für die Erzeugung von Biokraftstoff interessant.

Beispiele Forschung und Entwicklung (Gentechnik, neue Züchtungsverfahren)

Modellpflanze für die Grundlagenforschung. Die Pappel ist eine Modellpflanze in der Forstgenetik. Sie wächst schnell, und mit einer Blühzeit nach spätestens sieben Jahren hat sie einen kürzeren Generationszyklus als andere Baumarten. Sie lässt sich vergleichsweise einfach vermehren, und ihre genetische Struktur ist bekannt. Die Balsampappel war 2006 der erste Baum, dessen Genom vollständig entschlüsselt wurde.

Inzwischen ist es gelungen, die neuen Züchtungsverfahren wie die Gen-Schere CRISPR/Cas auch bei Pappeln anzuwenden und zu etablieren. So wurden in Deutschland genom-editierte Bäume im Rahmen des Forschungsprojektes PopMass erzeugt. Dabei gelang es, mit CRISPR/Cas verschiedene Gene bei Graupappeln auszuschalten, etwa Blütengene oder Gene, die die Pflanzenarchitektur beeinflussen. In dem Projekt sollten neue Wege erforscht werden, wie Pappeln für eine Nutzung als nachwachsender Rohstoff optimiert werden könnten, etwa durch erhöhten Holzertrag oder geringeren Ligningehalt.

Ein weiteres Projekt (aProPop) hatte das Ziel, ein DNA-freies Genome Editing-System zu entwickeln.

Im Rahmen der Grundlagenforschung zur Phänologie der Bäume führt die Universität Umea (Schweden) seit 2016 erstmals einen Freisetzungsversuch mit Pappeln durch, die mit Hilfe der neuen Methode CRISPR/Cas modifiziert wurden. Das Forschungsteam will in den nächsten Jahren zahlreiche verschiedene Genkonstrukte im Freiland testen.

Pappeln als nachwachsender Rohstoff. Die Pappel gilt als Energiepflanze der zweiten Generation, die auf Flächen angepflanzt werden könnte, die für Nahrungspflanzen nicht infrage kommen. In zahlreichen Forschungsprojekten geht es darum, die Effizienz des nachwachsenden Rohstoffes Pappel zu steigern:

• Veränderter Ligningehalt: Lignin befestigt die Zellwände insbesondere bei verholzenden Pflanzen und ist technisch nicht gut zu verwerten. Es muss bei der Herstellung von Papier, aber auch von Biokraftstoffen auf Zellulosebasis aufwändig entfernt werden. Ligninarme Bäume könnten diesen Prozess vereinfachen oder überflüssig machen. Es gibt verschiedene Ansätze, die Lignin-Biosynthese zu beeinflussen, etwa durch „Ausschalten“ der Gene für bestimmte Enzyme.
• Steigerung der Biomasse, schnelleres Wachstum:

In Schweden, Finnland und Belgien laufen derzeit Freilandversuche mit gentechnisch veränderten (gv) Pappeln (weniger Lignin, mehr Ertrag und schnelleres Wachstum).

In den USA sind gv-Pappeln zugelassen, die schneller als herkömmliche Pappeln wachsen und damit früher geerntet werden können. Die Pappeln des US-Unternehmens Living Carbon enthalten drei fremde Gene aus Kürbis und Grünalgen, die dazu dienen, den Wirkungsgrad der Photosynthese zu verbessern. In Gewächshausversuchen zeigte sich, dass die gv-Pappeln um 50 Prozent schneller wuchsen und mehr Biomasse bildeten. Dabei fixierten sie auch mehr Kohlendioxid. Nun werden die Bäume erstmals in Wäldern in den USA angepflanzt.

Resistenz gegen Schadinsekten. Bereits seit 2002 wachsen in China gentechnisch veränderte Bt-Pappeln. Durch Übertragung eines Gens aus Bacillus thuringiensis sind die Bäume widerstandsfähig gegenüber blattfressenden Insekten. In China werden Pappeln im Rahmen der Wiederaufforstung von Wüsten angepflanzt. Jahrzehnte intensiver Abholzungen haben insbesondere im Norden Chinas die Wüstenbildung befördert.

Resistenz gegen Pappelrost, eine durch einen Pilz ausgelöste Krankheit bei Pappeln, die schwere Schäden verursachen kann. Das Projekt ChitoPop (2016 bis 2020) hatte zum Ziel, Gene in der Pappel zu identifizieren, die die Resistenz gegen den Eindringling erhöhen. Gleichzeitg sollten aber nützliche Pilze an den Wurzeln (Mykorrhizapilze) gefördert werden, da sie die Pappel mit Nährstoffen versorgen. Im Projekt wurde auch die Gen-Schere CRISPR/Cas eingesetzt.

Veränderter Blühzeitpunkt. Aufgrund der langen Generationszeiten bei Bäumen wird versucht, eine frühere Blüte zu erreichen, um Züchtungsprozesse zu beschleunigen. Für eine Kreuzungszüchtung ist die Blüte notwendig.

Männliche und weibliche Sterilität, um eine Ausbreitung von in Plantagen angebauten gv-Pappeln in forstliche Ökosysteme zu verhindern. Wissenschaftler der Oregon State University testeten in einem großangelegten Feldversuch verschiedene Ansätze, mit denen sie bei Pappeln Sterilität erzeugen konnten. Mehr als zwanzig Genkonstrukte, die zu sterilen Pollen oder Blüten führten oder den Beginn der Blüte verzögerten, wurden im Freiland über sieben Vegetationsperioden untersucht. Die meisten Sterilitätskonstrukte erwiesen sich als wirksam und über einen langen Zeitraum stabil, ohne andere Eigenschaften zu beeinflussen. 2020 wurden weitere Freilandversuche bewilligt.

Toleranz gegenüber Trockenheit. An der University of Tsukuba in Japan hat ein Forschungsteam ein Stresstoleranz-Gen (AtGolS2) aus Arabidopsis thaliana auf Pappeln übertragen. Ziel war es, Pappeln weniger anfällig gegenüber Trockenheit zu machen und so auch den Anbau an trockeneren Standorten zu ermöglichen. Nachdem sich die gv-Pappeln im Gewächshaus deutlich unempfindlicher gegenüber Trockenheit zeigten, wurden auch Tests im Freiland durchgeführt. Auch hier wiesen die gv-Pappeln eine höhere Trockentoleranz auf im Vergleich zu den unveränderten Kontrollen.