Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK)

Das Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) ist Mitglied derLeibniz-Gemeinschaft. Es ist als gemeinnützige Stiftung des öffentlichen Rechtes organisiert. Die grundlagen- und anwendungsorientierte Forschung an Kulturpflanzen gehören laut Satzung zu den Aufgaben des Instituts.

Wissenschaftliche Schwerpunkte liegen auf der Erarbeitung neuer Erkenntnisse über Struktur, Funktion und Evolution des Erbmaterials, auf der Erhaltung, Erforschung und Erschließung der erblichen Vielfalt wichtiger Kulturpflanzen, ihrer Vorfahren und wildverwandter Arten. Das Leibniz-Institut zählt zu den international führenden wissenschaftlichen Einrichtungen auf diesen Gebieten.

Die Forschungsarbeiten dienen:

• der Aufklärung grundlegender Prinzipien von Evolution und Pflanzenentwicklung,
• der verbesserten Anpassungsfähigkeit wichtiger Kulturpflanzen an die sich verändernden Umwelt- und Klimabedingungen sowie
• der Entwicklung innovativer Ansätze zur wissensbasierten Erhaltung, Erforschung und Nutzbarmachung der Kulturpflanzenvielfalt.

Die Forschungsziele des Instituts sind auf eine effiziente und nachhaltige Nahrungs-, Energie-und Rohstoffversorgung und damit auf die Bewältigung globaler Herausforderungen ausgerichtet. Im IPK werden die Erhaltung, Erforschung und Nutzbarmachung der genetischen Vielfalt von Kulturpflanzen in der Bundeszentralen Ex-situ-Genbank mit innovativen Forschungsansätzen in den Bereichen Molekulare Genetik, Genomforschung, Molekulare Pflanzenbiologie, Systembiologie, Bioinformatik und Modellierung kombiniert.

Die Genbank zählt mit einem Gesamtbestand von mehr als 150.000 Mustern aus knapp 3.000 Arten zu den weltweit größten Einrichtungen ihrer Art. Weltweit einmalig ist die IPK-PhänoSphäre. Forschende können hier die Produktivität von Kulturpflanzen unter veränderten Umweltbedingungen untersuchen und so ihre Eigenschaften gezielt verbessern. Mit seinen Arbeiten trägt das Leibniz-Institut zur Entwicklung einer pflanzenbasierten Bioökonomie und einem damit verbundenen gesellschaftlichen Wandel bei.

Das Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) ist eine gemeinnützige Forschungseinrichtung und Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft. Als ein international renommiertes Forschungszentrum arbeitet das IPK an der Aufklärung grundlegender Prinzipien der Evolution, Entwicklung und Anpassungsfähigkeit wichtiger Kulturpflanzen. Zu diesen gehören unter anderem Getreide, aber auch protein- und ölliefernde Pflanzen.

Kulturpflanzen sind die Grundlage unserer Ernährung, sowie Futter-, Energie- und Rohstofflieferanten. Die Erforschung der genetischen und molekularen Grundlagen ihrer Leistungsmerkmale ist entscheidend, um Kulturpflanzen den Bedürfnissen einer wachsenden Weltbevölkerung und sich ändernden Umweltbedingungen anzupassen. Hier setzt die Arbeit des IPK an. Ziel ist letztlich eine effizientere und nachhaltigere Nahrungs-, Energie- und Rohstoffversorgung.

Dazu forschen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus verschiedensten Fachdisziplinen in international zusammengesetzten Arbeitsgruppen. Dabei steht ihnen eine hochmoderne Infrastruktur zur Verfügung, zu der auch eine der weltweit ältesten und größten Ex-situ-Genbanken sowie die weltweit einzigartige Pflanzenkulturhalle (IPK-PhänoSphäre) gehören.

Die enorme genetische Vielfalt der Sammlungen wird dabei nicht nur erhalten, sondern für Wissenschaft, Züchtung und damit die praktische Landwirtschaft weiter erschlossen und nutzbar gemacht.

Die Bundeszentrale Ex-situ-Genbank zählt sowohl aufgrund ihrer botanischen Vielfalt als auch aufgrund des Sammlungsumfangs zu den weltweit größten Sammlungen. Der Bestand umfasst 151.348 Akzessionen aus 92 Pflanzenfamilien mit 758 Gattungen und 2.912 Arten.

Im Kern geht es um die Sammlung, Erhaltung, Charakterisierung, aber auch die Erforschung und weitere Erschließung pflanzengenetischer Ressourcen.

Der größte Teil der Sammlung lagert in Form von Saatgut in speziellen Kühlräumen bei minus 18 Grad. Damit bleibt die Keimfähigkeit über mehrere Jahrzehnte erhalten. Material, das nicht für die Saatgutlagerung geeignet ist, wird als Dauerkultur im Feld, durch in vitro-Kultur oder kryokonserviert erhalten. Bei der Kryokonservierung werden Gewebeproben von über 2000 Akzessionen, darunter 1730 Kartoffelmuster in flüssigem Stickstoff bei minus 196 Grad gelagert.

Der Erhalt der Sammlung erfolgt in Gatersleben und den beiden Außenstandorten Malchow (Öl- und Futterpflanzen) und Groß Lüsewitz (Kartoffel-Sortiment). Zur Kontrolle der Saatgutqualität werden regelmäßig Keimprüfungen durchgeführt. Die Vermehrung der pflanzengenetischen Ressourcen erfolgt in Gewächshäusern oder im Freiland. Ziel ist eine weitestgehend genetisch-identische Reproduktion der Sammlungsbestände. Dazu werden jedes Jahr rund 7.000 Muster angebaut.

Neben den Lebendsammlungen verfügt die Genbank über ein Herbarium mit 446.656 Belegen, 109.387 Referenzmuster von Samen und Früchten sowie 56.609 Getreideähren. Seit 1948 hat die Genbank mehr als 1,1 Millionen Muster an Nutzer im In- und Ausland abgegeben.

Regelmäßig werden Samenmuster als Sicherheitsduplikate in den Saatguttresor Global Seed Vault auf Spitzbergen gebracht. Dort lagern inzwischen mehr als 54.000 Akzessionen des IPK. Dies entspricht rund 36 Prozent der gesamten Sammlung.

Der Nutzwert einer genetischen Ressource ist in hohem Maße durch Informationen zu ihrer Herkunft und taxonomischen Einordnung, zu ihren agronomischen Eigenschaften, zu biochemischen Merkmalen sowie durch Kenntnisse über ihre DNA Sequenz bedingt.  Entsprechende Daten werden über ein Genbank Informationssystem (GBIS) sowie über Webportale Nutzern in aller Welt online bereitgestellt. Mit der Konvergenz von biologischer Ressource mit digitaler Information geht die Weiterentwicklung der Genbank in ein Biodigitales Ressourcenzentrum einher.

Um die koordinierte Erhaltung genetischer Ressourcen auf nationaler und internationaler Ebene zu unterstützen, arbeitet die Genbank eng mit dem Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL), Bioversity International und dem European Cooperative Programme on Plant Genetic Resources (ECPGR) zusammen. In diesem Zusammenhang ist die Genbank für den Betrieb und die Weiterentwicklung des Europäischen Suchkatalogs für pflanzengenetische Ressourcen (EURISCO) verantwortlich.

Das IPK-Genbankinformationssystem (GBIS) bietet die Möglichkeit, durch die Angabe freier oder wissenschaftlicher Suchkriterien Informationen über den Bestand der bundeszentralen Ex-situ-Sammlung zu erhalten.

Komplementär zu den Lemnatec-Hochdurchsatzanlagen wurde am IPK eine IPK-PhänoSphäre errichtet, in welcher wie in einer Klimakammer die Umweltbedingungen strikt kontrolliert werden können (Licht, Temperatur, Luftfeuchte, CO₂-Konzentration), wobei die Möglichkeiten der Klimasimulation weit über die einer Klimakammer hinausgehen. In dieser sind zwei verschiedene Systeme zur Merkmalserfassung untergebracht.

Das erste ist ein Rhizotronsystem, in dem über eine monochrome Kamera und eine höchauflösende RGB Kamera parallel das Wurzel- und Sproßwachstum untersucht werden kann. Insgesamt 360 Rhizotrone werden von zwei Bildtürmen automatisch aufgenommen und dort auch kontrolliert bewässert. Hier kann das Wurzelwachstum bis zu einer Breite von 60 cm und einer Länge von 90 cm beobachtet werden, was je nach untersuchter Pflanzenart bis zur Blüte oder gar Reife sein kann. Durch die minimale Breite der Wurzelkästen von nur 5 cm werden die Wurzeln gezwungen, hauptsächlich entlang der transparenten Scheibe zu wachsen, so dass über die Bildauswertung nicht-invasiv viele Wurzelarchitekturmerkmale betrachtet werden können.

Im zweiten System, dem Containersystem, können Pflanzen bzw. kleine Pflanzenbestände auf einer Fläche von ca 230 m² unter feldähnlichen Bedingungen, aber präzise einstellbaren Umweltbedingungen und ohne störende äußere Einflüsse kultiviert werden. In diesem System mit 110 großvolumigen Containern (1.5 oder 3 m³) sind die Umweltbedingungen besonders variabel einstellbar (z.B. Temperaturen und Lichtstärken die Winter- oder Hochsommerbedingungen entsprechen, schnelle Wechsel der Bedingungen möglich wie dies auch im Feld auftritt), so dass hier Forschung unter relevanten Klimaszenarien der Zukunft betrieben werden kann. Aber nicht nur die Klimatisierung ist breit aufgestellt, auch das Phenocranesystem, welchen von oben die Pflanzen phänotypisiert wird verschiedene Sensoren haben (RGB-Kamera, 3D-Kamera, Hyperspektralkamera, Kamera für die Kinetik der Chlorophyllfluoreszenz). Auch sollen die Container klimatisiert werden, so dass die Bodentemperatur reguliert werden kann und ebenfalls ist eine exakte Bewässerung möglich.

Ein Vido zur IPK-PhänoSpäre gibt es hier.

Für die Anzucht der Versuchs- und Vermehrungskulturen stehen am IPK unterschiedlichste Infrastrukturen zur Verfügung. Neben Gewächshäusern und Versuchsfeldern werden Phytokammern, eine Pflanzenkulturhalle, ein RainOutShelter, Pflanzenanzuchträume, Klimaschränke, Folientunnel und Frühbeetanlagen genutzt.

Ein Schwerpunkt bildet der Reproduktionsanbau des Pflanzenbestandes der Genbank. Jedes Jahr werden etwa 7.000 Muster angebaut, um frisches Saatgut zu erhalten. Aufgrund der Vielfalt des Materials müssen unterschiedlichste Anbaubedingungen realisiert werden.

Ähnliches gilt für den Versuchsanbau am IPK. Aufgrund der Verschiedenartigkeit der Forschungsvorhaben mit unterschiedlichsten Versuchskulturen werden mannigfaltige Versuchsinfrastrukturen benötigt.