Pflanzen, die die Welt ernähren. Achim Walter,

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1 Pflanzen, die die Welt ernähren Achim Walter,

2 4 Mio Menschen: vor LW Mio: heute Mio: 2050

3 Vor Jahren: Domestikation von Pflanzen und Tieren Seitdem: Sesshafte Lebensweise, grössere Populationen möglich Ackerbau und Viehhaltung als Basis unserer Gesellschaft

4 Pflanzen sind Grundlage unserer Ernährung Photosynthese Wachstum Produktion spezieller Inhaltsstoffe Konsum Unterschiedliche pflanzliche Systeme Direkter Verzehr Weitere Verarbeitung Nutztiere ernähren

5 Wie viele Pflanzenarten ernähren uns? Pflanzenarten gibt es weltweit (incl. Algen etc.) Darunter höhere Pflanzen Nutzpflanzen (5-10% aller bekannten Arten) Etwa 4 800Arten (1-2%) aus rund 230 botanischen Familien sind Kulturpflanzen (Mansfeld 1986), darunter mehrere hundert Gräser 660 Arten auf Feld angebaut, 160 in grossem Umfang (< 1 ) 3 davon sorgen für über 50% unserer Kalorien

6 Welche sind unsere wichtigsten Kulturpflanzen? Vor allem die Getreide: Mais Weizen Weizen Mais Reis Probleme 1. Handel / Zugang zu d. Produkten 2. Krankheiten / Epidemien 3. Klimawandel 4. Ausbeutung von Ressourcen Hafer Reis Roggen Gerste Hirse Gemeinsam:Drei Arten sorgen für 56% der Gesamtproduktion d. Nahrungsmittel Alle Getreide: Gräser aus der Familie der Poaceae. Wortstamm althochdt. Getregede = alles, was der Acker trägt

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8 1.) Wichtige Inhaltsstoffe Photosynthese Kohlendioxid (CO 2 ) Kohlenhydrate Stärke Quelle: SBKV

9 2.) Könige der Anpassung und Effizienz

10 3.) Bearbeitung und Ernte sind einfach

11 Domestikationam BeispielWeizen: Anpassungeiner Wildpflanzean uns durchselektion und Züchtung

12 Domestikation der meisten Kulturpflanzen vor bis Jahren Fruchtbarer Halbmond Purugganan& Fuller, 2009

13 Wegen Ähnlichkeit des Klimas war Ausbreitung der fruchtbarer-halbmond- Kulturen nach Europa besonders günstig Diamond, 2002

14 Weizen: Heute ein global player Herkunft Anbau Anbau weltweit auf nährstoffreichen Böden, v.a. in gemässigten Zonen

15 Schritte der Entwicklung

16 Weizen: Selbstbefruchter Nachkommen ähneln dem Elter stark Auslese der Besten : Stabiles Ergebnis

17 Wild Einkorn Triticum boeticum Genom: diploid AA 2n = 14 Foto: Ernst Merz, Sortengarten Eschikon 2007

18 Kultur Einkorn Triticum monococcum Genom: diploid AA 2n = 14 Foto: Ernst Merz, Sortengarten Eschikon 2007

19 Hybridisierung: Die kompletten Genome zweier Arten werden vereinigt Emmer entsteht Triticum monococcum: Genom AA (2 x 7 Chromosomen) Aegilops speltoides: Genom BB (2 x 7 andere Chromos.) Zwei diploide Pflanzen spannen zusammen AA BB AA BB

20 Wild Emmer Triticum dicoccoides Genom: tetraploid AA BB 2n = 28 Foto: Ernst Merz, Sortengarten Eschikon 2007 Hybridisierung von Genomen: Die kompletten Genome von zwei Arten wurden zusammengefügt!

21 Kultur Emmer Triticum dicoccum weisser Emmer Fotos: Ernst Merz, Sortengarten Eschikon 2007 Wichtigstes Getreide im alten Rom blauer Emmer Genom: tetraploid AA BB 2n = 28

22 Hybridiserung Reloaded: Weizen & Dinkel aus drei mach eins Eine Wildform des Emmers (AA BB) und diploide Wildart Aegilops squarrosa (DD): Weichweizen Triticum aestivum (AA BB DD, 42 Chromosomen) bzw. Dinkel (Triticum aestivum ssp. spelta, AA BB DD) Grosse Genome: Enorme Flexibilität für Anpassungen AA BBDD AA BB AA BB DD

23 Weichweizen Triticum aestivum Triticumaestivum, gewöhnlicherweizen, hexaploid, 2n = 6x = 42, GenomAABBDD, SorteProbus Foto: Ernst Merz, Sortengarten Eschikon 2007 Hybridisierung von 3 Arten

24 Entscheidende Mutation für grossen Erfolg von Weizen: Verlust der Spindelbrüchigkeit Bei Wildweizen und Wildgersten: Ährenspindel zerbricht bei Reife Einzelne Ährchen fallen zu Boden und werden so verbreitet Durch Mutationsind Pflanzen entstanden, deren Ähren intakt bleiben. Dies wäre in freier Wildbahn problematisch: Samen können von Vögeln, Nagern und Ameisen einfach erbeutet werden Samen, die nicht gefressen werden, keimen direkt in der Ähre und haben geringe Überlebenschancen. Für Domestikationist dies jedoch ideal, da sich ganze Ähren effizienter ernten lassen u. weniger Samen verloren gehen.

25 Dinkel Triticum aestivum ssp. spelta Triticumaestivumssp. spelta, Dinkel, hexaploid, 2n = 6x = 42, GenomAABBDD, SorteOberkulmerRotkorn Foto: Ernst Merz, Sortengarten Eschikon 2007 Hybridisierung von 3 Arten

26 Genome: Mensch & Getreide Mensch: diploid 46 Chromosomen Gene 3,2 Giga-Basenpaare Weizen: hexaploid 42 Chromosomen Fünfmal grösser Mais: tetra-/diploid 20 Chromosomen Etwa gleich gross Reis: diploid 24 Chromosomen 1/8 so gross

27 Moderne Ertragssteigerungen durch: 1.) Optimierung von Fruchtfolgen Zeit Fruchtfolgen: Ab 800 n.chr. Dreifelderwirtschaft Ab 1800 komplexe Fruchtfolgen; optimale Ressourcen-Ausnutzung Typ. Getreide-Erträge: 0,2 t/ha 1 t/ha

28 2.) Anbau: Empfänglich für mehr Input Grüne Revolution: Düngung Bewässerung Herbizide Züchtung Ertrag (kg/ha) Norman Borlaug Quelle: FAO

29 3.) ModerneZüchtung: Optimierungauf niedrigenwuchs& hohenernte-index Ernteindex: Verhältnis aus Korngewicht und gesamter Spross-Biomasse zum Zeitpunkt der Ernte

30 Mais Zea mays Herkunft: Mittelamerika Kolben zerbricht nicht Flexibles Genom aus 70% Transposons (können Ort wechseln)

31 Wildform: Teosinte

32 Kreuzungen zwischen Teosinte undzea Teosinte Teosinte x Maislandrasse Maishybrid

33 Reis Oryzasativa Herkunft: Indien / China Wichtigster Kalorienlieferant Entwicklung von Golden Rice an ETH Zürich (Prof. Potrykus)

34 Zentrale Inhaltsstoffe unserer Nahrung 1.) Kohlenhydrate 2.) Eiweisse(Proteine) 3.) Fette und/oder Öle 4.) Vitamine Photosynthese Kohlendioxid(CO 2 ) Kohlenhydrate Stärke 5.) Sekundäre Inhaltsstoffe (Phenole, Anthocyane, ) 6.) Ballaststoffe 7.) Mineralstoffe

35 Zentrale Inhaltsstoffe unserer Nahrung 1.) Kohlenhydrate 2.) Eiweisse (Proteine) 3.) Fette und/oder Öle 4.) Vitamine Luft-Stickstoff Ammonium (NH 4+ ) Aminosäuren Proteine 5.) Sekundäre Inhaltsstoffe (Phenole, Anthocyane, ) 6.) Ballaststoffe 7.) Mineralstoffe

36 Proteingewinnung aus Leguminosen Rhizobien-Symbiose: Bakterien vergesellschaften sich mit Wurzel N 2 der Luftin Bodenporenwirdvon BakterienzuNH 4+ metabolisiert Ammonium wird von Pflanze für Aminosäuren-Aufbau genutzt Proteine werden aus Aminosäuren zusammengesetzt Gute Energiequelle für Fabaceen-Samen(Bohnen, Erbsen, Soja, )

37 Leguminose Soja Glycine max

38 Entwicklung Sojaproduktion (Mio t)

39 Globale Verteilung der Sojaprodukion Quelle: FAOSTAT & Agro-MAPS

40 Zentrale Inhaltsstoffe unserer Nahrung 1.) Kohlenhydrate 2.) Eiweisse (Proteine) 3.) Fette und/oder Öle 4.) Vitamine Photosynthese Kohlenhydrate Glycerin + Fettsäuren Energiereichster Speicherstoff 5.) Sekundäre Inhaltsstoffe (Phenole, Anthocyane, ) 6.) Ballaststoffe 7.) Mineralstoffe

41 Raps Brassica napus

42 Ursprungund Verbreitungvon Raps Herkunft Anbau

43 Raps: Kreuzung aus Kohl + Rübsen um 1600 Öl ursprünglich v.a. als Lampenöl verwendet Aussaat vor dem Winter; nutzt Jahr gut aus Genetische Variabilität: Züchtungserfolge 00-Sorten: Frei von Erucasäure (bitter), arm an Glucosinolaten (Senföle, scharf) Viele essenzielle Fettsäuren (wie Olivenöl) 2n = 4x = 38 Chromosomen Amphidiploider bzw. allotetraploider Bastard a. Kohl (2*9 Chromosomen; Brassica oleracea) u. Rübsen (2*10 Chromosomen; Brassica rapa) Kohl X Rübsen

44 AndereZwecke: Honigproduktion Aus 1 ha Raps können bis zu 50 kg Rapshonig produziert werden.

45 AndereZwecke: Biodiesel

46 Weltweiter Anbau der vier Kulturpflanzengruppen (Mio ha) Getreide Öl-und Faserpflanzen Hülsenfrüchte Wurzel- und Knollenfrüchte Kohlenhydrate Fette und Öle Proteine Kohlenhydrate

47 Kartoffel Zuckerrübe Maniok

48 Graslandwirtschaft in der Schweiz Angaben zur idealen Zusammensetzung; Quelle: Prof. Andreas Lüscher, Agroscope Reckenholz

49 Pseudogetreide BuchweizenFagopyrumesculentum Herkunft aus Ostasien; trad. Verwendung des Mehls für Pizzoccheri WeltweitAnbauauf 1/100 der Flächevon Weizen(CH: ca ha)

50 Was hat bestimmte Pflanzen so interessant gemacht, dass sie unsere Haupt- Kulturpflanzen wurden? Interessante Inhaltsstoffe für Ernährung (oder technische Zwecke) Möglichkeiten der Weiterentwicklung konnten realisiert werden: Grössere Früchte, höherer Ertrag Anpassung an verschiedene Bedingungen (sicherer Ertrag) Ernte in grossem Stil ermöglichen Züchtung, Kreuzung musste mit diesen Arten möglich sein Anpassungsprozess dauerte lange Pflanzenarten, die mit kaltem Winter & trockenem Sommer zurecht kommen, wurden bevorzugt

51 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Dank auch an Peter und Susanne Stamp für umfangreiches Bildmaterial