Vorhersage der Kombinationseignung zwischen Löwenzahnarten zur Kautschuk-Ertragssteigerung durch Auswertung von NMR-Metaboliten-Profilen mittels künstlicher Intelligenz (TOMBI)

Hintergrund und Motivation

Die Nachfrage nach Naturkautschuk zur Produktion von Reifen und vielen anderen Gummiartikeln steigt weltweit und wird bisher ausschließlich aus dem Latex des tropischen Kautschukbaumes bedient. Der globale Bedarf wird voraussichtlich schon in diesem Jahrzehnt aus dieser Quelle nicht mehr gedeckt werden können. Um eine weitere Abholzung tropischer Regenwälder für Kautschukplantagen zu vermeiden, suchen alle größeren Reifenhersteller weltweit nach alternativen Kautschukpflanzen. 

Der Russische Löwenzahn (Taraxacum koksaghyz) produziert Latex in geeigneter Qualität. Die Pflanze ist jedoch sehr schwachwüchsig, besitzt kleine Wurzeln und das Wildmaterial zeigt nur Kautschukgehalte von 2-3 %. Seit 2011 arbeitet ein Konsortium aus 15 Firmen und Institutionen - darunter Continental, ESKUSA GmbH, lifespin GmbH, Fraunhofer IME, Julius-Kühn-Institut (JKI) und die WWU Münster - an der Etablierung von Löwenzahn als alternative Kautschukquelle.

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Löwenzahnanbau zur Naturkautschukgewinnung (Foto: © Eskusa GmbH)

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Forschungs- und Versuchslabor für Löwenzahnkautschuk „Taraxagum Lab Anklam“ der Firma Continental AG. (Foto: © Continental AG)

Mehr als zehn geförderte Projekte (TARULIN, TAKOWIND, TAKOROD, EVITA, RUBIN) sind seitdem erfolgreich bearbeitet worden bzw. laufen noch. Finanziert wurden und werden die Projekte vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) über den Projektträger Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe (FNR) sowie dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit dem Projektträger Jülich (PTJ) bzw. diese laufen als Industrieprojekte. 

Mit Unterstützung verschiedener Partner, insbesondere durch die lifespin GmbH, konnte ESKUSA den Kautschukgehalt in den letzten Jahren durch Selektion auf über 10% steigern. Darüber hinaus sind Kreuzungen zwischen dem Russischen Löwenzahn und dem hiesigen Gewöhnlichen Löwenzahn (T. officinale) gelungen, um die Wurzelmasse zu steigern. Erste Versuche zeigen, dass Wurzelmassensteigerungen um den Faktor 10 möglich sind. Die bisherigen Kreuzungen wurden mit zufällig ausgewählten Pflanzen des Gewöhnlichen Löwenzahns durchgeführt.

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Der Urban Taraxagum von Continental ist der erste in Serie gefertigte Fahrradreifen mit einem Laufstreifen aus Löwenzahn-Kautschuk. (Foto: © Continental AG)

Zielsetzung

Im aktuellen Projekt wird erstmalig die Kombinationseignung zwischen Gewöhnlichem Löwenzahn und Russischem Löwenzahn systematisch untersucht. Beim Züchter steht dazu vielversprechendes Pflanzenmaterial mit einer großen genetischen Breite bereit. An der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf (HSWT) werden wichtige Grundlagen der Kombination aus modernster Datenanalyse und umfassender Metabolom-Analysen der Pflanzen als Selektionstools für die Auswahl der am besten geeigneten Kreuzungspartner für die Züchtung erarbeitet. Damit werden die laufenden Arbeiten essentiell und zielführend komplementiert.

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600 MHz NMR-Spektrometer mit SampleJet-Probenwechsler (Foto: © lifespin GmbH)

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NMR-Röhrchen mit in Lösungsmittel gelöstem Probenmaterial (Foto: © lifespin GmbH)

Vorgehensweise

Das Projekt gliedert sich in drei Hauptpunkte: 

  1. (A) Auswahl geeigneter Löwenzahnpflanzen aus einem Grundsortiment von 70 gesammelten T. officinale Populationen durch den Partner ESKUSA. Vorhaltung der Pflanzen und Bereitstellung von Analyseproben sämtlicher Kreuzungspartner für lifespin. Erhaltung der selektierten Pflanzen. 
    (B) Daten zur Beurteilung von Kautschukgehalt und Wurzelmasse, sowie sämtlicher weiterer züchtungsrelevanter Merkmale in Kreuzungsnachkommenschaften werden aufbereitet und an die HSWT geliefert.
  2. Kreuzungspartner werden von lifespin GmbH mittels der NMR-Technologie vermessen (ca. 3000 Analysen). Parallel dazu wird eine Referenzdatenbank mit Spektren aller relevanten Inhaltsstoffe aufgebaut. 
  3. Die Analyse der von der lifespin GmbH erzeugten Spektren soll an der HSWT in zwei Schritten erfolgen:
    (A) Entwicklung eines Computer-Programms, das die in den Pflanzen enthaltenen Metaboliten in den eindimensionalen 1H-NMR-Spektren identifiziert und quantifiziert. 
    (B) Mit Hilfe der Metabolitenprofile und der Daten des Züchters werden unter Verwendung geeigneter Verfahren der künstlichen Intelligenz statistische Modelle berechnet, die dabei helfen sollen, den zugrundeliegenden biochemischen Mechanismus zu verstehen. Auf dieser Grundlage soll Züchtern ein prognostisches Werkzeug bei der gezielten Selektion geeigneter Pflanzen an die Hand gegeben werden. 

Während der Projektlaufzeit soll außerdem bereits eine geeignete Schnittstelle zwischen den Metabolomdaten und den genomischen Daten aus anderen Projekten geschaffen werden.

Erwarteter Nutzen des Projekts

Ökonomischer Nutzen

Die Produktion von Naturkautschuk im eigenen Land würde nicht nur eine ergänzende/alternative Bezugsquelle schaffen, sondern auch zum Aufbau regionaler Wertschöpfungsketten führen. Da Naturkautschuk als strategischer Rohstoff gilt, dessen Marktvolumen in 2020 rund 26 Milliarden € betrug und der die Basis für eine Wertschöpfung in rund 40.000 Dingen des alltäglichen Lebens liefert, ist der ökonomische Nutzen des beantragten Projektes bei erfolgreichem Verlauf erheblich.

Ökologischer Nutzen

Eine neue, im eigenen Land angebaute Industrierohstoffpflanze hilft dabei, an anderen Stellen der Erde die Zerstörung wertvoller klimaschützender und extrem biodiverser Ökosysteme (Abholzung von tropischem Regenwald für die Ausdehnung von Kautschukplantagen) zu reduzieren. Gleichzeitig führt diese neue Kautschukpflanze zu einer Diversifizierung der Landwirtschaft durch Möglichkeiten der Saatgut-, Kautschuk- und Latexproduktion. Blühende Löwenzahnfelder sind nicht nur ein optisch attraktives Landschaftselement, sie dienen auch diversen Bestäuberinsekten als Nahrungsgrundlage, Feldlerchen als Brutplatz und Hasen als Kinderstube, stärken insofern nicht nur die Biodiversität, sondern sind auch ein innovativer und ökonomisch sinnvoller nachwachsender Rohstoff. Löwenzahn gehört zur Familie der Asteraceae und erweitert die meist engen Getreidefruchtfolgen.

Sozialkultureller Nutzen

Der Anbau einer Industrierohstoffpflanze im eigenen Land sensibilisiert den Verbraucher für deren Wert und macht Zusammenhänge zwischen der Rohstoffproduktion und dem Nutzen/Verbrauch von Konsumgütern greifbarer. Ein achtsamerer Umgang mit solchen Gütern ist die Folge. Löwenzahnprojektartner nutzen diesen Effekt bereits erfolgreich, um über Nachhaltigkeitsstrategien auf ihre Produkte aufmerksam zu machen (z.B. über den Markennamen Taraxagum ®).

Wissenschaftlicher und/oder technischer Mehrwert

Auf der Grundlage der zu berechnenden Modelle können Einsichten in die für eine hohe Kautschukproduktion relevanten Metabolite und -netzwerke gewonnen werden. Diese Informationen wiederum tragen zu einem tieferen Verständnis des Metabolismus der Pflanzen und damit zu einer wissensbasierten Züchtung bei. Außerdem können die erarbeiteten Algorithmen, Zusammenhänge und Tools zur Datenanalyse auch auf andere Fragestellungen und Spezies angewendet werden und die Grundlage für einen umfangreichen Forschungsbereich an der HSWT legen, die über zahlreiche Gewächshäuser und Anbauflächen für Nutzpflanzen verfügt.

Praxisnutzen

Mit dem geplanten Computer-Programm soll Züchtern ein prognostisches Werkzeug bei der gezielten Selektion geeigneter Pflanzen an die Hand geben werden. Züchtung kann damit effizienter und schneller gestaltet werden und eine Rentabilität der Naturkautschukproduktion auf Löwenzahnbasis schneller erreicht werden. Der Landwirtschafft kann so schneller eine neue Kulturart an die Hand gegeben werden. Sowohl Wurzelproduktion als auch Saatgutproduktion können mit Löwenzahn unabhängig von Preisschwankungen des bisher börsendotierten Naturkautschukpreises erfolgen.


Projektleitung

Prof. Dr. Andreas Krumpel (Koordination)
T +49 (0) 8161 71-2557
andreas.krumpel [at]hswt.de

Projektmitwirkung

Projektdauer

01.01.2022 - 31.12.2024

Projektpartner

Projektförderung

Adressierte SDGs (Sustainable Development Goals)

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