18.02.2011

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Auswirkungen des Anbaus Cyanophycin-produzierender Kartoffeln auf Bodeneigenschaften und Bodenorganismen

(2008 – 2011) Universität Trier

Thema

In diesem Projekt soll untersucht werden, ob durch den Anbau von gentechnisch veränderten Kartoffeln, die Cyanophycin in ihren Knollen produzieren, die chemischen Eigenschaften des Bodens sowie die Zusammensetzung der Mikroorganismen-Gemeinschaften im Boden verändert werden. Cyanophycin ist ein Biopolymer, das für verschiedene industrielle Anwendungen genutzt wird.

In der Natur wird das Polypeptid Cyanophycin von Blaualgen gebildet, kommt daher in Ackerböden normalerweise nicht vor. In der gentechnisch veränderten Kartoffel wird es auf Kosten der in der Knolle reichlich vorhandenen Kohlenhydrate gespeichert. Beim Abbau von Cyanophycin im Boden ist zu erwarten, dass andere Mikroorganismen gefördert werden als beim Abbau von Kohlenhydraten.

Die wichtigsten Schlüsselorganismen in mitteleuropäischen Böden, die Regenwürmer, könnten ebenfalls auf Cyanophycin reagieren.

Folgende Fragestellungen werden untersucht:

• Wie verläuft der mikrobielle Abbau Cyanophycin-produzierender Kartoffeln im Boden im Vergleich zu Wildtypkartoffeln?
• Ändern sich beim Anbau Cyanophycin-produzierender Kartoffeln die chemischen Eigenschaften des Bodens und die Zusammensetzung der Bodenmikroorganismen-Gemeinschaft?
• Sind Auswirkungen auf Regenwürmer festzustellen?

Versuchsbeschreibung

Für dieses Teilprojekt muss zunächst eine Nachweismethode für Cyanophycin entwickelt werden. Dazu werden chromatographische Methoden verwendet, bei denen chemische Substanzen anhand ihrer Größe aufgetrennt und identifiziert werden.

Die Cyanophycin-Gehalte in Kartoffelknollen und Boden sollen regelmäßig gemessen werden.

Mikrobieller Abbau Cyanophycin-produzierender Kartoffeln im Vergleich zu Wildtyp-Kartoffeln

Der mikrobielle Abbau der Kartoffeln wird sowohl im Rahmen eines Freilandversuchs als auch im Labor unter kontrollierten Bedingungen untersucht.

Auf der Freisetzungsfläche werden transgene und konventionelle Kartoffelknollen an je zwei unterschiedlichen Standorten in zwei unterschiedlichen Tiefen (10 cm und 30 cm) vergraben. Während der Überwinterungsdauer von ca. sechs Monaten werden zu mehreren Zeitpunkten Knollen ausgegraben und Bodenproben genommen, die anschließend im Labor untersucht werden.

Im Labor werden transgene Kartoffeln und Wildtypkartoffeln in Gefäßen mit Erde eingegraben und verbleiben dort unter kontrollierten Bedingungen (Temperatur, Feuchte).

Von den verrottenden Kartoffeln werden Proben genommen, die Knollen visuell beurteilt sowie Gewicht, Eindringwiderstand und Aschegehalt bestimmt. Zur Bestimmung des Aschegehalts wird Kartoffelgewebe bei 500°C verbrannt und der Rückstand gewogen. Bezogen auf die Trockenmasse eines Gewebes nimmt der Aschegehalt mit zunehmendem Abbaugrad zu, ist also ein Maß für den fortschreitenden Abbau der Kartoffeln.

Bodeneigenschaften und Zusammensetzung der Bodenmikroorganismen-Gemeinschaft

Die Proben aus dem Freiland werden zum einen auf ausgewählte bodenchemische Parameter wie z.B. den pH-Wert untersucht, zum anderen werden die Biomasse der Mikroorganismen und die Aktivität ausgewählter bakterieller Enzyme in der Caulosphäre, also an der Knollenoberfläche und im umgebenden Boden getestet.

Außerdem werden so genannte genetische Profile erstellt. Dabei werden einzelneGene untersucht, die bei allen Bakterienarten vorhanden sind, von denen aber bekannt ist, dass sie artspezifische Unterschiede in der DNA-Sequenz aufweisen.

Die bodenchemischen und mikrobiologischen Untersuchungen werden auch bei den Gefäßversuchen (s.o.) durchgeführt, um die Ergebnisse der Freilandversuche abzusichern.

Auswirkungen auf Regenwürmer

Die Reaktion von Regenwürmern auf den Anbau Cyanophycin-produzierender Kartoffeln wird u.a. anhand von Aktivitätstests und der Menge der Ausscheidungen ermittelt.

Ergebnisse

Mikrobieller Abbau Cyanophycin-produzierender Kartoffeln im Vergleich zu Wildtyp-Kartoffeln

Freilandversuch

Im ersten Versuchswinter 2008/2009 wurden auf der Freisetzungsfläche zwei transgene Kartoffel-Linien (A-L12 und A-L23) und zum Vergleich die nah-isogene Kartoffelsorte Albatros (A-NIV) sowie eine weitere konventionelle Sorte (Desireé) eingesetzt. Als zusätzliche Kontrolle diente eine transgene Kartoffel, in die nur das Markergen übertragen wurde (A-35S). Zu fünf verschiedenen Zeitpunkten im Abstand von je vier Wochen wurden Proben entnommen.

Bei allen Kartoffellinien nahm der Aschegehalt im Verlauf des Winters leicht zu. Es konnten keine Unterschiede zwischen den gentechnisch veränderten und den Kontroll-Knollen nachgewiesen werden.

Die Festigkeit der Kartoffelknollen nahm mit zunehmendem Verbleib im Boden ab. Auch hierbei wurden keine Unterschiede zwischen Knollen der transgenen Linien und des Wildtyps festgestellt.

Gefäßversuch unter kontrollierten Bedingungen

Für die Gefäßversuche wurden eine transgene (A-L12) und die beiden konventionellen Sorten (A-NIV und Desireé) eingesetzt. Die Knollen wurden für 24 Stunden bei minus drei Grad eingefroren, danach einzeln in Zwei-Liter-Töpfen mit Boden bedeckt und bei zehn Grad im Dunkeln gelagert. Um den Einfluss der Bodenart zu berücksichtigen, wurde zusätzlich zum Boden von der Freisetzungsfläche ein Boden aus Trier verwendet. Während des Versuchszeitraums von drei Wochen wurden die Töpfe regelmäßig bewässert.

Es wurden die Gewichtsveränderung und der Eindringwiderstand der Knollen bestimmt. Die Knollen der beiden konventionellen Sorten bildeten nach drei Wochen Sprosse und nahmen dadurch an Gewicht zu. Die transgenen Knollen bildeten keine Sprosse und nahmen somit deutlich weniger an Gewicht zu. Der Eindringwiderstand war bei den transgenen Knollen etwas geringer, ein signifikanter Unterschied zu den Wildtyp-Knollen konnte jedoch nicht nachgewiesen werden.

Bodeneigenschaften und Zusammensetzung der Bodenmikroorganismen-Gemeinschaft

Bei den Proben aus dem Freilandversuch veränderte sich der pH-Wert der Knollenoberfläche im Versuchsverlauf nur wenig. Die gemessenen Stickstoff- und Kohlenstoff-Gehalte variierten innerhalb der verschiedenen Linien zu jedem Probennahmetermin stark. Es fanden sich keine signifikanten Unterschiede zwischen transgenen und nicht-transgenen Knollen.

Im Verlauf der Versuchsdauer über den Winter nahm die mikrobielle Biomasse sowohl an der Knollenoberfläche als auch im umgebenden Boden zu. Unterschiede zwischen einzelnen Kartoffel-Linien zeigten sich nicht.

Es wurde die Aktivität von sechs verschiedenen Enzymen gemessen. Alle sechs Enzymaktivitäten nahmen im Verlauf des Versuchswinters ab. Dabei zeigten sich bei allen Kartoffel-Linien starke Schwankungen innerhalb der Wiederholungen an den einzelnen Probenahmezeitpunkten, so dass keine signifikanten Unterschiede zwischen konventionellen und transgenen Kartoffeln erkennbar waren.

Mit einer speziellen Methode (PLFA-Bestimmung) wurde die Diversität der Mikroorganismen an der Knollenoberfläche und im knollennahen Boden erfasst. Bisher konnte keine Veränderung der mikrobiellen Gemeinschaft bei den gentechnisch veränderten Kartoffeln festgestellt werden.

Bei den Gefäßversuchen unter kontrollierten Bedingungen waren sowohl die mikrobielle Biomasse als auch die Aktivitäten der Mikroorganismen im Bodenmaterial aus Trier durchgehend höher als im Bodenmaterial von der Freisetzungsfläche.