Verbundprojekte

Pflanzenbasierte Innovationen und Klimawandel – Einschätzung und Bewertung risikobedingter unternehmerischer Anpassungsprozesse sowie ihrer Wirkungen auf den Märkten

Klimawandel, Umweltschäden und die demographische Entwicklung machen eine verbesserte Nutzung biologischer Ressourcen erforderlich. Dies verlangt nach bioökonomischen Innovationen, d.h. technologischen und organisatorisch-institutionellen Innovationen bei der Nutzung biologischer Ressourcen. Eine Kosten-Nutzen-Bewertung von Innovationen kann sich nicht allein auf ihre technologische Wirksamkeit beschränken. Sie muss vielmehr auch ihre Wechselwirkungen mit dem Ökosystem sowie die Wert- und Risikoeinstellungen von Unternehmern, Verbrauchern und Bürger in einer wertpluralen demokratischen Gesellschaft berücksichtigen. Vor diesem Hintergrund widmet sich das Verbundprojekt zwei äußerst relevanten Aspekten: erstens der Anpassung von Landwirten an klimabedingte Produktionsrisiken und zweitens der Anpassung an Rahmenbedingungen, die durch Politikmaßnahmen mit dem Ziel der Internalisierung externer Effekte verändert wurden. Das Projekt verfolgt zudem das Ziel, die gesellschaftliche Relevanz der ökonomisch-sozialwissenschaftlichen Forschung im Bereich der Bioökonomie aufzuzeigen sowie Ansätze für eine weiterführende interdisziplinäre Forschung im Rahmen des „WissenschaftsCampus" zu identifizieren.

Teilprojekt 1 - Ökonomische Strategien zur Anpassung an klimabedingte Risiken – eine sektorale und regionale Analyse der Pflanzenproduktion in Deutschland.

Dieses Teilprojekt wird von Prof. Dr. Michael Grings (MLU-Halle) und Prof. Dr. Thomas Glauben (IAMO) betreut.

Nach Auffassung vieler Beobachter wird der zu erwartende Klimawandel von vermehrtem Auftreten extremer klimatischer Ereignisse begleitet sein, die in der Landwirtschaft vermutlich zu erhöhten Risiken durch vergrößerte Ertrags- und Preisschwankungen führen. Auch den landwirtschaftlichen Erzeugern in Deutschland werden dadurch erhebliche Anpassungsleistungen abverlangt werden, die deutliche Auswirkungen auf die Struktur des Agrarsektors haben können. Ein wesentlicher Aspekt der Anpassungsleistungen wird darin bestehen, den Ressourceneinsatz im Hinblick auf eine Reduzierung der Produktionsrisiken neu zu optimieren.

Im Rahmen des geplanten Forschungsprojekts soll mit Schwerpunkt im Bereich Pflanzenproduktion auf sektoraler und regionaler Ebene durch Abbildung von Produktionsentscheidungen unter Unsicherheit mit Hilfe ökonometrischer Methoden untersucht werden, welche Bedeutung zu erwartende klimatische Veränderungen auf die Produktionsstruktur, den Faktoreinsatz und die Einkommen im Agrarsektor Deutschlands haben können.

Teilprojekt 2 - Bioökonomische Innovationen und Politikfolgenabschätzungen

Dieses Teilprojekt wird von Prof. Dr. Norbert Hirschauer und Prof. Dr. Peter Wagner an der MLU betreut.

Anstelle verteilungspolitischer Ziele wird die Aufgabe der Agrarpolitik zunehmend darin gesehen, das Verhalten von Landwirten durch Veränderungen der Rahmenbedingungen zu steuern. Einerseits soll die Externalisierung von Kosten verhindert werden. Andererseits sollen Anreize gesetzt werden, dass externe, nicht über den Markt entlohnte Leistungen erbracht werden. Im Interesse einer "Smart Regulation" (vgl. COM/2010/0543) muss das Verhalten bei veränderten Rahmenbedingungen im Rahmen zuverlässiger Politikfolgenanalysen abgeschätzt werden.

Vor diesem Hintergrund verfolgt Teilprojekt II das Ziel, mit Hilfe experimenteller Verfahren (insbesondere Unternehmensplanspiele) die Bedeutung begrenzter Rationalität sowie ökonomischer und nicht-ökonomischer Verhaltensdeterminanten zu identifizieren. Hierdurch sollen Hinweise gewonnen werden, welche Verhaltensannahmen in welchen Kontexten zu vernünftigen Prognosen des Entscheidungsverhaltens führen. Untersucht werden die folgenden Situationen: 

  • Investitionen zur Bioenergieerzeugung
  • Umwidmung von Ackerflächen zu Kurzumtriebsplantagen
  • Übernahme gentechnisch veränderter Pflanzen in das Produktionsprogramm
  • Übernahme von Produktionsverfahren mit geringeren Stickstoffbilanzüberhängen.

 

Sekundäre Inhaltsstoffe in Getreidekaryopsen als Qualitätsmerkmal: Analyse potentieller gesundheitsfördernder Effekte sowie Verbraucherakzeptanz und Zahlungsbereitschaft

Den Schwerpunkt der Sortenzüchtung bildeten über viele Jahre höhere Erträge und verbesserte Anbaukriterien. In neuerer Zeit liegt der Fokus dagegen auf Merkmalen wie Geschmack und gesundheitsfördernde Eigenschaften. Zu den beitragenden Faktoren gehören erhöhte Gehalte an sekundären Inhaltsstoffen.

Im vorliegenden Projekt wird das Potential anthocyanhaltiger Getreide untersucht, um eine gesunde Ernährung zu fördern. Kartierungs-Populationen von Weizen, Gerste und Roggen dienen dabei als Ausgangsmaterial für die Produktion von Pellets und Extrakten für Fütterungsexperimente. Der Einfluss von Umweltfaktoren auf den Gehalt an Anthocyanen wird ebenso analysiert wie die Wirkung eines erhöhten Gehaltes dieser Pigmente auf Ertragsparameter (Wachstum, Keimrate, Tausendkorngewicht). Ein weiterer Untersuchungspunkt ist die Stabilität der Anthocyane während des Verarbeitungsprozesses. Ebenso wichtig wie die biochemischen und molekularbiologischen Untersuchungen sind jedoch Analysen zur Akzeptanz unter den Verbrauchern bevor entsprechende Hochleistungssorten und Nahrungsmittel entwickelt werden. Dafür werden vom IAMO in Deutschland und Russland Marktanalysen zur Akzeptanz und Bereitschaft für diese Produkte einen Mehrpreis zu zahlen (WTP) durchgeführt.

Dieses Projekt verbindet dadurch erstmalig Fragen der technologischen Realisierbarkeit und der Verbraucherakzeptanz.

Teilprojekt 1 - Analyse potentieller gesundheitsfördernder Effekte von Anthocyanen in Getreidekaryposen unter Nutzung von Kartierungspopulationen

Dieses Teilprojekt wird am Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) Gatersleben in der AG Angewandte Biochemie durchgeführt und von PD Dr. Hans-Peter Mock und Dr. Anke Dittbrenner betreut.

Das Hauptziel dieses Teilprojektes ist es, experimentelle Belege für die mutmaßlichen gesundheitsfördernden Wirkungen von solchen Anthocyanen zu geben, die in Getreidekaryopsen angereichert sind. Die Untersuchungen werden an Kartierungspopulationen von Weizen, Gerste und Roggen durchgeführt, deren Elternlinien sich im Anthocyangehalt unterscheiden. Da Getreide einen Großteil unserer Ernährung liefert, könnte die Verwendung solcher Linien einen gewichtigen Beitrag zur Aufnahme dieser Pigmente liefern. Die möglichen gesundheitsfördernden Wirkungen werden an Tiermodellen untersucht (bereits etablierte Zusammenarbeit mit einem externen Kooperationspartner). Mit Hilfe von umfassenden Metabolitanalysen soll sichergestellt werden, dass sich die verwendeten Nahrungspellets nur im Anthocyangehalt unterscheiden. Bei der Herstellung der Pellets für Fütterungsexperimente sollen auch mögliche Prozessierungsschritte berücksichtigt werden (Temperierung bei der Herstellung von Flocken oder beim Backen).

Die veränderte Allokation von Vorstufen in die Biosynthese von Anthocyanen könnte sich auf die Akkumulation anderer Inhaltstoffe auswirken, und darüber hinaus auch Parameter wie z.B. Ertrag oder Keimungsrate beeinflussen. Diese Aspekte sollen unter Freiland- und Gewächshausbedingungen untersucht werden. Bei diesen Experimenten wird auch der Einfluss von Umweltbedingungen auf die Anthocyanakkumulation berücksichtigt.

Teilprojekt 2: Kauf- und Zahlungsbereitschaft von Konsumenten für Getreideprodukte mit erhöhtem Anthocyan-Gehalt

Dieses Teilprojekt ist am IAMO, Abteilung Agrarmärkte, angesiedelt und wird von Frau Dr. Ramona Teuber und Frau Dr. Viola Bruschi betreut.

Das Hauptziel dieses Teilprojektes ist die Analyse der potentiellen Verbrauchernachfrage nach Getreideprodukten mit erhöhtem Anthocyan–Gehalt. Hierzu werden Daten mittels Face-to-Face Interviews mit deutschen und russischen Verbrauchern erhoben, um sowohl den Kenntnisstand über Gesundheitseffekte von Anthocyanen als auch die Wahrnehmung und Akzeptanz gegenüber solchen Produkten zu ermitteln. Die Studie wird dabei die Kauf- und Zahlungsbereitschaft unter Berücksichtigung verschiedener Informationsszenarien untersuchen.

Die Befragungsergebnisse werden wertvolle Informationen für die Entwicklung von Marketingstrategien als auch für die Ableitung gesundheitspolitischer Empfehlungen liefern. In diesem Zusammenhang ist von besonderem Interesse, welche Effekte von unterschiedlichen „health claims" als auch unterschiedlichen Informationsszenarien ausgehen. Die Studienergebnisse werden zudem zum besseren Verständnis der Bedeutung kultureller Differenzen in der Esskultur auf die Wahrnehmung und Akzeptanz von funktionalen Lebensmitteln beitragen.

Weitere Informationen:
- http://www.athena-flora.eu/
- Journal Food Quality & Preference (July 2015)

- Food Quality and Preference (May 2016)

Verbraucherakzeptanz
Verbraucherakzeptanz
Innovationsnetzwerke in der pflanzenbasierten Bioökonomie

Dr. Wilfried Ehrenfeld und Frieder Kropfhäußer (Institut für Wirtschaftsforschung Halle) in Kooperation mit dem Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie und der OntoChem GmbH

Die Fähigkeit zu innovieren, stellt in Hightech-Industrien einen wichtigen Wettbewerbsfaktor dar. Unternehmen bedienen sich zunehmend neuer Organisationsformen und greifen auf vielfältige Kooperationsformen im Bereich der Forschung und Entwicklung (FuE) zurück, um im Wettlauf um neue Produkte und Dienstleistungen bestehen zu können. Die Unternehmen und Forschungseinrichtungen der pflanzenbasierten Bioökonomie (pBE) stellen diesbezüglich keine Ausnahme dar.

Eine genaue Definition der Technologien, Wissenschafts- und Wirtschaftsbereiche, die zur pflanzen-basierten Bioökonomie zählen, ist eine Grundvoraussetzung für die vertiefende Analyse wirtschaftlicher Entwicklungen sowie der damit einhergehenden Vernetzungsaktivitäten in der pBE. Eine Bestandsaufnahme, welche Unternehmen und Forschungseinrichtungen in diesem jungen Gebiet tätig sind (Definition und Population), existiert bisher nicht. Gleichzeitig erscheinen die Existenz neuer Allianzen, z. B. aus chemischer Industrie und Züchtungsforschung, die es früher so nicht gab, wahrscheinlich. Deren Bildung und Auflösung wurde bisher aber noch nicht exakt erfasst. Ebenso wenig wurden bisher Netzwerkstrukturen systematisch erfasst. Der Zusammenhang zwischen der Einbindung von Firmen im Innovationsnetzwerk der deutschen pBE und deren Innovationserfolg wurde bisher noch nicht vertiefend untersucht. Nicht nur die strukturelle Entwicklung des Innovationsnetzwerkes, sondern auch die Entstehung von räumlichen Clustern sowie eine Analyse ehemaliger und aktueller Trends bei Rohstoffen, Produkten und Technologien liefern wichtige Erkenntnisse für die Wissenschafts- und Wirtschaftspolitik. Einsichten über die kooperationsbedingten Faktoren des Innovationserfolges erlauben es, Handlungsempfehlungen für Manager und wirtschaftspolitische Entscheidungsträger abzuleiten. Ähnliches gilt für die Ergebnisse der naturwissenschaftlich-technologischen Analyse auf derselben Datengrundlage, die Aufschluss über Trends oder Interessen von Clustern, Firmen und Institutionen an bestimmten Rohstoffen, Technologien oder Produkten erschließen können.

Vor diesem Hintergrund ist es erforderlich eine Ontologie (Begrifflichkeiten und ihre strukturellen Beziehungen) der pBE zu entwickeln, auf deren Basis Rohstoffe und Produkte den Betrieben und Forschungseinrichtungen in diesem neuen Bereich zugeordnet werden können. Dies soll so erfolgen, dass im Projektrahmen weiterentwickelte automatisierte Prozesse (statistische Computeranalysen im Bereich Data- bzw. Textmining) aufgrund dieser Ontologien alle für die pBE relevanten Dokumente (bevorzugt Patent- und Publikationsdokumente) extrahieren und annotieren/gruppieren können. Zusammenfassend liegen dem Forschungsprojekt folgende Hauptziele zugrunde: (1.) Analyse der Eintritts- und Austrittsdynamik der zuvor identifizierten Organisationen, (2.) Untersuchung der Evolution von Innovationsnetzwerken in der pBE und (3.) ökonometrische Analyse des Einflusses von direkten und kombinierten Proximity-Effekten (geographical proximity, network proximity and technological proximity) auf den Innovationserfolg von Unternehmen.

Optimierung der Effizienz der Biomassebildung von Kulturpflanzen – Optionen und Strategien (OEKOS)
Verbraucherakzeptanz
Prinzip des neuartigen multiskalierten Modellansatzes, der mehrere genestete Skalen überspannt. Die Spannweite der verschiedenen Modelldomänen und der Abstraktionsgrad nehmen von außen nach innen.

Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Professur Ertragsphysiologie der Kultupflanzen (Dr. J. Müller); Leibniz-Institute für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) Gatersleben, Gruppe Bioinformatik (Prof. Dr. F. Schreiber)

Ausgehend von der "Nationalen Forschungsstrategie BioÖkonomie 2030" fokussiert das Vorhaben auf einen innovativen systembiologischen Forschungsansatz zur Erhöhung der Effizienz, Nachhaltigkeit und Umweltverträglichkeit bei der Nutzung von biologischen Res­sourcen der Nutzpflanzen zur Versorgung mit Nahrungsmitteln, Rohstoffen und auf rele­vanten Teilgebieten auch der Energiegewinnung aus Biomasse. In dem Projekt nutzen wir einen neuartigen multiskalierten systembiologischen Modellierungsansatz zur Erforschung der möglichen Ansatzpunkte und Strategien zur Verbesserung der Effizienz der Speicherung der photosynthetisch fixierten Strahlungsenergie in der pflanzlichen Biomasse. Multiskalierte Modellierung ist ein hochaktueller Ansatz, der in letzter Zeit in der Physik Technik, Biologie und anderen Disziplinen zunehmend Anwendung findet. Er ermöglicht die Vorhersage von emergenten Systemeigenschaften auf der Basis von Informationen – beziehungsweise Modellen – der untergeordneten Hierarchieebenen.

Abb. 1. Prinzip des neuartigen multiskalierten Modell­an­satzes, der mehrere genestete Skalen überspannt. Die Spannweite der verschie­denen Modelldomänen und der Abstraktionsgrad nehmen von der äußeren Modellschale her (Stoffhaushaltsmodelle) und hin zu den detaillierteren inneren Modellen im Zentrum (kinetische Modelle) ab.

Unser Ansatz kombiniert Modelle der metabolischen und physiologischen Prozesse unter-schied­licher Detailliertheit und überspannt mehrere strukturelle und temporäre Skalen (Abb. 1). In dem Projekt entwickeln wir eine erste Version eines derartigen Modellnetzwerkes und werden dessen Anwendung für die Bewertung von Optionen zur Optimierung der pflanzlichen Biomassebildung bewerten.

Einige wichtige Fragen die beantwortet werden sollen sind:

  • Welche Maximalwerte von Wachstumsrate und Ertrag sind theoretisch erreichbar?
  • Wie könnte die Effizienz metabolischer Netzwerke gesteigert werden?
  • Wie hoch sind die biochemisch determinierten Produktionskapazitäten?
  • Wie ließe sich die energetische Effizienz des Stoffwechsels steigern?

Gegenwärtig werden Simulationen zur Biomassebildung bei Gerste durchgeführt, bei denen zwei Entwicklungsstadien im Fokus stehen: die Vorblüte-Phase und die Haupt-Kornfüllungsphase, jeweils mit dem Ziel der Maximierung der vegetativen und generativen Biomasse. Dabei wurde auch die Möglichkeit der Optimierung des temporären Speicherverhaltens im Gerstenhalm untersucht. Diese Analyse bildet eine Grundlage für eine spätere Evaluierung der metabolischen und physiologischen Mechanismen, die die Kohlenstoffverteilung (partitioning) in der Pflanze kontrollieren. Dies soll es ermöglichen, Strategien für eine Optimierung mit dem Ziel einer Steigerung der Biomasse- und Ertragsleistung dieser bedeutenden Kulturpflanze zu evaluieren. Die Methode ist generisch und kann daher prinzipiell auch für andere Kulturpflanzen adaptiert werden.

Biotechnolgische Synthese pflanzlicher Phenylpropanoide als Ausgangsmaterialen für Pharmazeutika, Aromastoffe und Polymere
Verbraucherakzeptanz
Homologiemodell der O-Methyltransferase AtTSM1 (grau, A. thaliana) basierend auf der Kristallstruktur eines anderen Enzyms (grün)

Prof. Dr. Markus Pietzsch (Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Pharmazie, Aufarbeitung biotechnischer Produkte) und Prof. Dr. Ludger Wessjohann (Leibniz-Institute für Pflanzenbiochemie)

 

Die Phenylpropanoid p-Coumarylalkohol, Sinapylalkohol und Coniferylalkohl stellen zentrale Metabolite bei der pflanzengebunden Synthese von Lignin und Aromastoffen, sowie von Substanzen dar, die als Arzneistoffe Verwendung finden. Bislang werden viele dieser substituierten Aromaten chemisch-synthetisch über bedenkliche Nitro- und Chloroaromaten hergestellt.

Im Rahmen dieses Projektes soll die biotechnologische Synthese des Phenylpropanoids para-Hydroxy-coumarylalkohol realisiert werden. Dazu soll in einem gut etablierten Produktionsstamm von Corynebacterium glutamicum, alternativ in das genetisch gut zugängliche Bakterium E. coli, drei pflanzliche Gene eingefügt werden, um aus Tyrosin das Zielprodukt synthetisieren zu können. Die intrazelluläre Konzentration zentraler Metaboliten soll gemessen und Maßnahmen zur Optimierung der Produktausbeute vorgenommen werden (Deletation oder Überexpression von Genen des Zentralmetabolismus). Dadurch sollen die Grundlagen für weitere Arbeiten gelegt werden, in denen die Produkte des Zielproduktes und verwandter phenylpropanoide wie flavonoide Moleküle optimiert wird (etwa mittel Metabolic Engineering).