Weniger Lignin, mehr Cellulose: Biotreibstoffe aus Pappeln

Biotreibstoffe aus schnell wachsenden Bäumen, die keine Ansprüche an die Böden stellen und der Nahrungsmittelerzeugung keine Flächen wegnehmen - schön wärs, doch um mehr Biotreibstoffe aus Holz zu erzeugen, müsste man dessen Hauptbestandteil ändern – die Lignozellulose. Weltweit wird daran geforscht, auch in Europa. Doch die Züchtung solcher Bäume dauert lange - wenn es überhaupt möglich ist. Mit den neuen Genome Editing-Verfahren könnte sich das grundlegend ändern.

Für Biotreibstoffe sind vor allem solche Pflanzen interessant, die in kurzer Zeit auf relativ kleinen Flächen viel Biomasse produzieren und dabei nicht mit Nahrungspflanzen konkurrieren. Insbesondere schnell wachsende Bäume wie Pappeln oder Weiden bieten sich dafür an: Sie können auch an anspruchslosen Standorten wachsen, die für Nahrungspflanzen nicht geeignet sind. Das Problem: Der Hauptbestandteil verholzender Pflanzen ist Lignozellulose – ein komplexes Geflecht aus verschiedenen Biopolymeren: Zellulose, Hemizellulosen und Lignin. Um daraus Biotreibstoffe herstellen zu können, muss dieses äußerst stabile Stoffgemisch erst entwirrt und in kleinere Einheiten zerlegt werden. Und das ist nicht einfach.

Zellulose und Lignin machen zusammen bis zu 80 Prozent der gesamten Pflanzenmasse aus. Lignin ist der Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände und damit eine der drei häufigsten organischen Verbindungen der Erde. Es sorgt für die Stabilität des Pflanzengewebes und schützt die Pflanze vor Schäden durch Schädlinge. Bei Bäumen kann der Ligningehalt bis zu 30 Prozent der Trockenmasse betragen, bei Gräsern liegt das Lignin deutlich weniger vernetzt vor als bei verholzten Pflanzen.

Für die Herstellung von Bioethanol oder anderen flüssigen Kraftstoffen ist jedoch nur die Zellulose von Interesse. Als Polysaccharid (Vielfachzucker) lässt sie sich mit Hilfe von Enzymen in kleinere Zuckermoleküle aufspalten, welche dann für die Bioethanolgewinnung genutzt werden können. Lignin hingegen - ein Makromolekül - ist aufgrund seiner komplizierten Struktur dafür nicht geeignet.

Um verholzte Pflanzen überhaupt zur Herstellung von Bioethanol verwenden zu können, muss die Zellulose zunächst vom Ligninanteil chemisch getrennt werden. Dieser Prozess ist energieaufwendig, teuer und belastet die Umwelt. Anschließend kann das Lignin verbrannt werden und so thermische Energie liefern. Der Zellulose-Anteil ist als nachwachsender Rohstoff nutzbar, nicht nur für Bioethanol, sondern auch um daraus Papier herzustellen.

Um aus pflanzlicher Biomasse effizienter Bioethanol gewinnen zu können, wird in der Pflanzenforschung das Ziel verfolgt, den Lignin-Anteil im Holz zu reduzieren und gleichzeitig den Zellulosegehalt zu erhöhen. Schon seit über 20 Jahren arbeitet man daran - anfangs vor allem mit klassischer Gentechnik, inzwischen verstärkt mit neuen molekularbiologischen Verfahren.

Konventionelle Züchtungsprogramme, bei denen verschiedene Elternlinien gekreuzt werden, sind schon wegen der langen Generationszeiten schwierig. Es dauert in der Regel mehrere Jahre, bis Bäume erstmals blühen und Nachkommen hervorbringen. Heute setzt man daher zunehmend auf die neuen Genome Editing-Verfahren. Mit ihnen sind gezielte Veränderungen einzelner Gene und DNA-Bausteine möglich. Wenn geeignete Ziele im Genom bekannt sind - Gene oder Genabschnitte, die den komplexen Stoffwechselweg zu Lignin steuern - können diese so „umgeschrieben“ werden, dass weniger Lignin und mehr Zellulose gebildet wird. Vor allem bei Bäumen würde eine erfolgreiche Anwendung von Genome Editing einen enormen Zeitgewinn bedeuten. Doch um die neuen Verfahren in der Züchtung schnell wachsender Bäume zu etablieren, ist noch einiges an Forschung nötig.

Veränderte Pappeln: warum Freilandtests wichtig sind

Seit Mitte der 1990er Jahre wurden in der EU über vierzig Freisetzungen mit gentechnisch veränderten (gv-)Pappeln durchgeführt. 2022 liefen fünf Versuche, drei in Schweden, einer in Finnland und einer in Belgien. Dabei geht es meist um eine Senkung des Ligningehaltes.

Die Feldversuche des Vlaams Interuniversitair Instituut voor Biotechnologie (VIB) in Belgien starteten 2021 und sind auf vier Jahre ausgelegt. Die Forscherinnen und Forscher am VIB haben mit Hilfe von RNAi (RNA-Interferenz), eines zellulären „Abschaltmechanismus“, die Bildung eines bestimmten Enzyms (CSE) blockiert, welches an der Produktion von Lignin beteiligt ist. Als Folge bildet die Pflanze weniger Lignin. Außerdem ist das Ligninpolymer etwas anders zusammengesetzt als normalerweise. Beide Effekte machen es einfacher, das Holz aufzuschließen und führen zu einer verbesserten Zuckerausbeute. Versuche im Gewächshaus zeigten, dass die Pappeln bis zu 25 Prozent weniger Lignin und bis zu 13 Prozent mehr Zellulose enthielten.

Es ist bereits der dritte Freilandversuch des VIB mit gv-Pappeln. Auch in den vorherigen Versuchen ging es um eine veränderte Holzzusammensetzung, wobei jeweils ein anderes an der Lignin-Biosynthese beteiligtes Gen unterdrückt wurde, jeweils mit leicht unterschiedlichen Auswirkungen auf das Wachstum der Bäume.

Ein weiteres VIB-Projekt nutzt die Gen-Schere CRISPR/Cas, um damit gezielt ein Schlüssel-Gen für die Lignin-Biosynthese zu blockieren. Die editierten Pappeln wiesen im Gewächshaus einen um zehn Prozent reduzierten Ligningehalt auf, ohne Nachteile für das Wachstum der Bäume. Der Zuckergehalt lag um bis zu 41 Prozent höher als bei den unveränderten Vergleichspflanzen.

Doch im Gewächshaus lassen sich mögliche Effekte, die das Abschalten einzelner Gene auf die Pflanzen haben, nur bedingt überprüfen - gerade bei Bäumen. Unter künstlichen Bedingungen werden sie schnell sehr hoch, während die Stämme dünn bleiben. Nur im Freiland, wenn sie Wettereinflüssen, Schädlingen und standorttypischen Bodeneigenschaften ausgesetzt sind, kann der Einfluss eines langsameren Wachstum untersucht werden. Auch die Holzzusammensetzung kann im Freiland anders sein. Das belegen die Versuche mit gv-Pappeln, die sowohl im Gewächshaus als auch mehrere Jahre im Freiland durchgeführt wurden: Im Gewächshaus lagen sowohl der Ligningehalt wie der Holzertrag insgesamt niedriger.

Um die Auswirkungen von Klima und Standort auf die Holzzusammensetzung genau bewerten zu können, sind auch bei genom-editierten Bäume mehrjährige Feldversuche an unterschiedlichen Standorten erforderlich.