Botanisches Institut - Jahresbericht 2003

1. Lehre

Abteilung Pflanzenphysiologie

Die Abteilung Pflanzenphysiologie leistete den gewohnten Beitrag zum Unterricht der Studienanfänger in Biologie. Ein Höhepunkt in der Lehre war der Blockkurs Pflanzenbiologie für fortgeschrittene Biologie-Studierende, den die Abteilung bereits zum zweiten Mal mit Erfolg durchführen konnte (sechs Wochen durchgehend, Okt.-Dez. 2003). Der Kurs stand zum ersten Mal im Rahmen des Bachelor-Programms Biologie; wir konnten dabei von den Erfahrungen der ersten Runde profitieren und viele Verbesserungen im Detail einführen (insbesondere wurde der angebotene Stoff auf ein “verdaubares” Mass reduziert). Dem neuen Curriculum gemäss reduzierten wir die Kursdauer um eine Woche und führten dafür zwei Wochen nach Abschluss der Studien eine gegenüber früher vorgezogene Prüfung am Ende des Kurses durch. Dies wird es den Studierenden ermöglichen, im Sommer 2004 mit einem BSc abzuschliessen und anschliessend mit einem Master Studium zu beginnen.
Für die 33 Kursteilnehmenden stand während den sechs Wochen des Kurses das ganze Personal der Abteilung Pflanzenphysiologie voll im Einsatz, d.h. konkret gemäss Stellenplan neben den zwei Professoren und dem gesamten technischen Personal die vier wissenschaftlichen Mitarbeiter, die sich in die drei Assistenzen teilen. Zusätzlich zu diesen insgesamt 10 Personen waren ca. 30 weitere Mitarbeiter und Mitarbeiterinnen beteiligt, darunter die am Botanischen Institut aus Drittmitteln finanzierten Dozenten Prof. M. Heinlein (SNF-Förderungsprofessur) und Dr. V. Wiemken, sechs externe Dozenten (die Professoren F. Meins, B. Hohn, Th. Hohn, U. Gisi sowie PD Dr. O. Mittelsten-Scheid und PD Dr. A. Binder). Unter Berücksichtigung des Umfangs der geleisteten Beiträge wurde der Kurs zu etwa drei Vierteln von Personen bestritten, die über Drittmittel des Botanischen Instituts oder externe Quellen finanziert wurden.
Bei den Studierenden fand der Kurs grossen Anklang. Die verschiedenen Kursteile wurden von den Studierenden in Umfragen fast durchwegs mit der Note 5 und darüber beurteilt. Auf der Stufe des Graduierten-Studiums erlaubt es uns die erfolgreich lancierte Zusammenarbeit im Rahmen des Zurich-Basel Plant Science Center, unsern Doktorierenden einen breiteren Horizont zu öffnen und gleichzeitig unsere Schwerpunkte "Symbiosis" und "Plant Health" auch in Zürich bekannt zu machen.

Abteilung Pflanzenökologie

Die Abteilung Ökologie organisierte im Mai/Juni 2003 gemeinsam mit der biologischen Abteilung des Instituts für Natur-, Landschafts- und Umweltschutz NLU erstmals den Blockkurs Ökologie im Rahmen des BSc-Programms Biologie. 26 Studierende nahmen an diesem Kurs teil. Das enge zeitliche Zusammenrücken von Theorie und Praxis wirkte sich positiv auf die Stoffvermittlung aus. Negativ spürbar war, dass die Studierenden im 4. Blockkurs in Serie nahe dem Ende des dritten Jahreskurses ziemlich ausgelaugt waren und ihnen selbst die bereits gegenüber früher stark reduzierte Stoffmenge zeitweise noch zu viel war. Mangels Freiräumen litt gegenüber früher die vertiefte Auseinandersetzung mit dem Wissenschaftsgebiet, was gemeinhin als „Verschulungstendenz“ bekannt ist. Im praktischen Teil standen neben dem Kursleiter drei wissenschaftliche Mitarbeiter des Institutes und sieben durch Fremdmittel finanzierte Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter im Einsatz. Auch zwei externe Dozierende leisteten Beiträge, womit die Betreuung dieser Kursteile ähnlich wie in der Pflanzenphysiologie zu etwa einem Drittel aus eigenen und zwei Drittel aus fremden Mitteln finanziert wurde. Ein erfreuliches Signal setzten Studierende des 1. und 2. Jahrgangs mit ihrer aktiven Teilnahme an einem ökologischen Feldkurs im Mittelmeerraum, der teilweise in die Ferienzeit fiel. Der Kurs diente der intensiven Repetition von biologischem Basiswissen an Beispielen in der Natur.

2. Forschung

Abteilung Pflanzenphysiologie

Die Abteilung Pflanzenphysiologie betrieb im Jahr 2003, unter Einschluss der Förderungsprofessur Manfred Heinlein, fünf Nationalfonds-Projekte mit jährlichen Tranchen von insgesamt ca. 900 kFr, sowie mehrere von der EU, vom DEZA und von privaten Quellen finanzierte Projekte mit jährlichen Tranchen von insgesamt ca. 700 kFr. Zusätzlich profitierten wir im Berichtsjahr ein letztesmal davon, dass Prof. Boller für 30% seiner Arbeitskraft am FMI tätig sein konnte. Diese vor 17 Jahren in innovativer Art aufgenommene Zusammenarbeit zwischen dem FMI und dem Botanischen Institut brachte aus universitärer Sicht jährlich ca. 500 kFr an Drittmitteln ein. Die gesamte Einwerbung von Drittmitteln belief sich damit für das Berichtsjahr auf ca. 2100 kFr.
Zu unserem Leidwesen muss die Gruppe Boller am FMI auf Ende 2003 aufgelöst bzw. ins Botanische Institut eingegliedert werden. Das FMI kündigte den entsprechenden Vertrag mit der Universität auf, da es gezwungen wurde, seine Aktivitäten im Bereich der Pflanzenwissenschaften einzustellen.
Im übrigen sei angemerkt, dass wir auf eine zweite vom Nationalfonds zugesprochene Förderungsprofessur (Roger Schneiter) mit einer Jahrestranche von ca. 300 kFr wegen Raumknappheit und mangelnder Zusammenarbeits-Bereitschaft innerhalb der Universität verzichten mussten.
Auf der positiven Seite sei erwähnt, dass wir von den beiden Firmen Novartis und Syngenta eine grosszügige, einmalige Unterstützung in Form von wissenschaftlichen Geräten und Laborutensilien erhielten (geschätzter Wert 400 kFr).
Wichtige Forschungsfelder im Jahr 2003 waren die Interaktionen zwischen Pflanzen und Mikroorganismen, zusammengefasst unter den Begriffen "Symbiosis" und "Plant Health" und der Kohlehydrat-Stoffwechsel von Pflanzen und Mikroorganismen, speziell im Zusammenhang mit Stress-Phänomenen. In allen Themenkreisen wurden Projekte von der molekularen bis zur ökologischen Ebene geplant und durchgeführt.
Die folgenden Forschungsresultate sind besonders erwähnenswert.
Bei der Interaktion von Krankheitserregern und ihren Wirten spielt die Co-Evolution eine entscheidende Rolle. Dabei passen sich die Krankheitserreger und Wirte durch den Prozess von Mutation und Selektion gegenseitig aneinander an. Unserm neu etablierten SNF-Förderungsprofessor Manfred Heinlein gelang in einer Zusammenarbeit mit Prof. Barbara Hohn (FMI) die aufsehenerregende Entdeckung, dass eine Viren-Infektion bei Pflanzen zu einer stark erhöhten Mutationsfrequenz führen kann, und zwar nicht nur in den Blättern, in denen die Viren vorhanden sind, sondern auch in nicht-infizierten Blättern. Das Signal, das die Mutationen fördert, ist offenbar systemisch (Nature 423, 760-762, 2003).
Aus der Perspektive der Pflanze ist es essentiell, Mikroorganismen in der Umgebung wahrnehmen zu können, um "Freund" und "Feind" unter den Mikroorganismen zu unterscheiden. Die Pflanzen verwenden dafür einen speziellen chemischen Sinn, der unserem Geruchssinn ähnelt. Die Arbeitsgruppe von Thomas Boller am Friedrich Miescher-Institut hat sich seit langem mit diesem chemischen Sinn auseinandergesetzt und kürzlich entdeckt, dass Tabakpflanzen eines der mengenmässig wichtigsten Proteine von Bakterien "riechen" können, nämlich das sogenannte "cold shock protein". Der chemische Sinn der Pflanze zielt dabei interessanterweise präzise auf einen Bereich dieses Proteins, der in allen untersuchten Bakterien praktisch identisch ist (Journal of Biological Chemistry 278, 6201-6208).
Die Mykorrhiza ("Pilz-Wurzel") ist ein Paradebeispiel dafür, dass Pflanzen und Mikroorganismen auch eine Partnerschaft auf Gegenseitigkeit eingehen können. Bei der Ektomykorrhiza gehen die Waldbäume eine Symbiose mit den Pilzen ein, die wir als Speisepilze kennen (Steinpilz, Eierschwamm). Im klassischen Bild dieser Symbiose tauscht der Pilz Mineralnährstoffe gegen Kohlenhydrate der Pflanze aus. Die jüngsten Ergebnisse von Verena Wiemken und ihren Mitarbeitern weisen nun darauf hin, dass der Pilz in der frühesten Phase des Wechselspiels mit der Pflanze nicht nur Kohlehydrate, sondern besonders auch Fettsäuren aufnimmt (Plant Cell and Environment 27, 27-40, 2004; Titelbild der Januar-Ausgabe der Zeitschrift). Eine ebenso wichtige Mykorrhiza-Form ist die sogenannte Endomykorrhiza, die bei uns vor allem bei Kräutern und Gräsern, aber auch bei Obstbäumen und Reben vorkommt.
Die Arbeitsgruppe um Andres Wiemken erforscht seit längerer Zeit den Einfluss verschiedener landwirtschaftlicher Landnutzungssysteme auf die Artenzusammensetzung der Mykorrhizapilze. Die entsprechenden Arbeiten werden vom Schweizerischen Nationalfonds (NFP48) und vom DEZA-Programm “Indo Swiss Collaboration in Biotechnology” finanziert. Im Berichtsjahr gelang neben der Entdeckung mehrerer neuer Mycorrhiza-Arten vor allem der Nachweis, dass sich die Intensivierung der Landnutzung durch Düngung und Monokultur negativ auf die unterirdische Biodiversität auswirkt (Applied and Environmetal Microbiology 69, 2816-2824, 2003). In diesem Bereich waren für einige Monate zwei Gäste aus Indien an unserem Institut tätig, nämlich Prof. A. Sharma und Frau D. Dwivedi, beide von der Univ.Pantnagar (Indien).
Die von Andres Wiemken und Thomas Boller gemeinsam geleitete Arbeitsgruppe zur ökophysiologischen Forschung widmet sich derzeit vor allem der Biologie, Biochemie und Molekularbiologie von Fructanen. Fructane, d.h. Polymere des Fruchtzuckers Fructose, können bei der Speicherung von Kohlehydraten an die Stelle von Stärke treten und spielen möglicherweise eine Rolle bei der Resistenz gegen Kälte und Trockenheit. Unsere Arbeitsgruppe hat mehrere Enzyme dieses Stoffwechselwegs kloniert und konzentriert sich nun auf Funktionsanalysen und Expressionsstudien von Schlüsselenzymen des Fructanstoffwechsels (New Phytologist 2004, doi: 10.1111/j.1469-8137.2004.00995.x www.newphytologist.org). In diesem Bereich gab es eine besonders intensive internationale Zusammenarbeit: Als Gäste arbeiteten an unserem Institut für einige Wochen bis Monate: PD Dr. W. Van den Ende und Frau L. Van Ried, Univ. Louvain (Belgien); Frau G. Noel-Martinez und Prof. H. Pontis, FIBA, Mar del Plata (Argentinien); Dr. T. Ritsema, Univ. Utrecht (Niederlande). Unsere Gäste waren im Verein mit unsern eigenen Mitarbeitern wissenschaftlich sehr erfolgreich, und wir bereiten zur Zeit mehrere Publikationen über die entsprechenden Resultate vor.

Abteilung Pflanzenökologie

Die Abteilung Ökologie betrieb im Jahr 2003 fünf Nationalfondsprojekte, drei Drittmittelprojekte (BBW, BUWAL) sowie mehrere kleinere drittfinanzierte Projekte. Die Jahrestranchen dieser Projekte akkumulieren zu 900’000 Franken. Stipendien und Sondermittel des Bundes zur Nachwuchsförderung erreichten in diesem Jahr 200'000 Fr., womit der Abteilung 1,1 Millionen Fr. an zusätzlichen Mitteln zur Verfügung standen. Seit Sommer 2003 ist die Abteilung auch formeller Partner im NCCR Climate und wird dort ab Phase II das ‚forest and climate’ segment hauptverantwortlich beitragen.
Wichtige Forschungsfelder im Jahr 2003 waren die Folgen von Umweltveränderungen auf alpines Grasland oder den Wald (Wirkungen von Erwärmung, Sturmfolgen, Nährstoffeintrag, CO2-Erhöhung, Landnutzung). Die Projekte reichen von molekularer Genetik bis zur Analyse der Biomasseproduktion. Beispielhaft seien folgende Forschungsresultate aus 2003 hervorgehoben.
Wir konnten zeigen, dass ein erhöhtes Stammbruchrisiko bei Stürmen wie „Lothar“ mit chemischen und physikalischen Veränderungen im Holzkörper einhergeht, die von aussen (Stickstoffdeposition) ungünstig beeinflusst werden (BUWAL-Projekt).
Der im Gegensatz zu früher heute massiv erhöhte Beweidungsdruck mit Schafen in den Hochlagen der Alpen hat vergleichsweise wenig zusätzlichen Einfluss auf die Biodiversität der Alpenflora; hingegen bewirken selbst geringfügige zusätzliche Stickstoffeinträge unmittelbare Pflanzenreaktionen mit biochemischen (Nitratreduktase) und Biodiversitätsfolgen (artspezifische Reaktionen). Die Art und Weise, wie der Mensch den Naturraum Gebirge nutzt, hinterlässt nach Jahrhunderten eindeutige „genetische Fingerabdrücke“ in der Landschaft (zwei laufende Projekte im Rahmen von NFP 48).
Unser zusammengenommen derzeit grösstes Vorhaben sind zwei NF-geförderte CO2-Anreicherungsversuche an natürlichen Waldbeständen. Das Projekt am Schweizerischen Forschungskran in Hofstetten (SO) und an der Waldgrenze bei Davos sind die weltweit ersten Experimente, die Wirkungen von erhöhter Kohlendioxidkonzentration auf Bäume in ihrem natürlichen Lebensraum zu studieren. Nach drei Jahren mit enormem logistischen Aufwand betrieben, ergaben sich 2003 einige Highlights: An der alpinen Waldgrenze pendelt eine anfängliche Wachstumsförderung der immergrünen Bergföhre rasch auf null zurück, während die Förderung der sommergrünen Lärche anhält, womit eine für den Bergwald höchst wichtige Baumartendifferenzierung identifiziert wurde. Der Hitzesommer 2003 mit seiner viermonatigen Trockenperiode zeigte im Laubwaldversuch bei Hofstetten einen verstärkten Einfluss von erhöhtem CO2 auf den Wasserhaushalt und ein Wiederaufflackern eines schon im zweiten Jahr der CO2-Anreicherung „erlahmten“ Wachstumseffektes besonders bei der Buche. Mit stabilen Kohlenstoffisotopen konnte erstmals der Weg des Kohlenstoffs in einem ausgewachsenen Wald in zeitlich hoher Auflösung dokumentiert werden (Kooperation mit dem Paul-Scherrer-Institut Villigen). Grosse Aufmerksamkeit erzielte Günter Hoch mit seiner Arbeit über die Kohlenhydratdynamik in Waldbäumen (Forschungskranprojekt; Plant, Cell & Environment 26:1067-1081). Die Studie brach mit dem Dogma eines reservestoffabhängigen Austriebswachstums und deutet auf eine Kohlenstoffsättigung des Waldes hin. Besondere Aufmerksamkeit erregte in diesem Zusammenhang auch ein Artikel in Science über die Frage der Kohlenstoffbindung von Wäldern im Rahmen der Diskussion rund um das Kyoto-Protokoll (Science 300:1242-1243). Themenverwandt mit dem Projekt am Schweizer Forschungskran ist das von Gerhard Zotz am Forschungskran des Smithonian Tropical Research Institutes in Panama (Kooperationspartner) verfolgte Langzeitprojekt zur Dynamik tropischer Epiphytengemeinschaften. Diese Experimente sollen die Mechanismen aufklären welche die Koexistenz Hunderter von Epiphytenarten in diesen tropischen Wäldern erlauben.
Prof. Subedan Pandei aus Indien weilte als Forschungsgast im Sommer drei Monate an unserem Institut und arbeitete an den biochemischen Folgen des Stickstoffeintrags im Gebirge. Von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften war Dr. Ning Wu als Forschungsgast hier, um sich in Fragen der Waldgrenzforschung zu bilden und die Übersetzung des Lehrbuchs Alpine Plant Life (Ch. Körner) ins Chinesische vorzubereiten.

3. Akademische Aufgaben

Thomas Boller wirkt seit mehreren Jahren als Forschungsrat des Schweizerischen Nationalfonds, eine Miliz-Aufgabe, die etwa einen Arbeitstag pro Woche in Anspruch nimmt. Er ist darüber hinaus Mitglied im Beirat des Instituts für Pflanzenbiochemie in Halle sowie Mitglied des Editorial Board von mehreren Fachzeitschriften (Allionia, Botanica Acta, Plant Molecular and Physiological Phytopathology, Plant Science)
Thomas Boller und Andres Wiemken amten zudem als ad-hoc Gutachter für unzählige Gutachten im "peer-review-system" bei Zeitschriften, Stiftungen (Volkswagen Stiftung, A.v.Humboldt Stiftung etc.) und Forschungsförderungsinstitutionen (NSF, DFG, SNF).
Unter den diversen wahrgenommenen akademischen Aufgaben von Christian Körner sind die Mitwirkung am Board of Editors von Science und die Chief Editor-Aufgabe für Oecologia (Springer), die Präsidentschaft des Schweizerischen Forums für Klima- und Global Change-Forschung ProClim sowie die Mitwirkung im CASS Rat der Akademie (beides für die SANW) zu erwähnen.
Mit der Federführung in zwei globalen Programmen zur „Inventarisierung“ der biologischen Ressourcen der Erde leistete die Abteilung Ökologie auch einen substantiellen Beitrag an die wissenschaftliche Synthesearbeit mit politischem Impact. Für das, dem IPCC analoge Millenium Assessment der UNESCO, editierte Ch. Körner mit einem Stab von 15 internationalen Fachleuten das umfangreiche Mountain Chapter. Für das ICSU-Programm DIVERSITAS organisierte das am Botanischen Institut domizilierte internationale Netzwerkoffice „Global Mountain Biodiversity Assessment (GMBA)“ eine Synthese zu den Landnutzungsfolgen für die Biodiversität im Gebirge (Tagung in La Paz, Entwicklung der internationalen „Moshi-LaPaz Research Agenda“ mit Hilfe der DEZA).
Die „leading house“-Funktion in Sachen Berge unterstrich die Neuauflage des in kurzer Zeit vergriffen gewesenen Lehrbuches „Alpine Plant Life“ (Körner, Springer, Berlin 2003). Auf Einladung des schwedischen Königs gab Ch Körner im Sommer eine Einführung in die globale Bedeutung von Biodiversität in Bergen in einem Privatkolloquium mit Helikopterexkursion in N-Schweden. Ein Bericht in Ambio ist in Vorbereitung. Im April hielt Ch. Körner als Gast des Jahres einen dreitägigen Kurs im Rahmen von „Excellence in Ecology“ an der University of Colorado, Ft. Collins USA, im September einen Plenarvortrag an der Jahrestagung der Deutschen Akademie der Naturforscher Leopoldina in Halle und im Dezember an der Abschlusskonferenz des zehnjährigen internationalen Forschungsprogramms Global Change and Terrestrial Ecosystems, GCTE, in Morelia, Mexico. In etwa 40 Vorträgen vermittelten Mitarbeiter der Abteilung wissenschaftliche Erkenntnisse an Fachkreise sowie an ein breites Laienpublikum (z.B. SeniorenUni, VHS, Schulen).

4. Veranstaltungen für die Öffentlichkeit

Das Botanische Institut findet mit seinem Botanischen Garten beim Spalentor ein grosses Interesse in der Öffentlichkeit. Dies zeigt sich besonders eindrücklich am gewaltigen Andrang bei Aussstellungen, die wir gemeinsam mit interessierten Kreisen am Botanischen Institut organisieren (Orchideen-Ausstellung, Pilz-Ausstellung), aber auch beim äusserst regen Besuch von Veranstaltungen an unserem Institut, wie z.B. den Botanischen Abendkolloquien, den Vorträgen im Rahmen der Seniorenuniversität, den Feierabendführungen und den von unsern Mitarbeitern geleiteten Exkursionen.
Das Institut findet in diesem Bereich eine grossartige Unterstützung durch verschiedene Gesellschaften, Vereine und Stiftungen. Zu erwähnen sind hier insbesondere die Basler Botanische Gesellschaft (ca. 500 Mitglieder), Verein der Freunde des Botanischen Gartens am Spalentor (ca. 1500Mitglieder), Pilzverein, Stiftung Jany Renz, Stiftung zur Förderung der Pflanzenkenntnis. Es fanden vier vom Verein “Freunde des Botanischen Gartens am Spalentor” organisierte Sonderausstellungen im Garten statt, nämlich eine ‘Orchideenausstellung’ (ca. 8000 Besucher in einer Woche); eine ‘Pilzausstellung’, eine kurzfristige Veranstaltung ‘Die Nacht erwacht’ und eine mehrmonatige Bildausstellung ‘Frauen und ihre Gärten’.
Sehr erfolgreich war die Aktion ‘Grüne Schule’, in welcher eine Expertin Studierende der Biologie zu ‘Garten Lehrern und Lehrerinnen’ ausbildet, so dass diese danach zu zweit Schulklassen zu einem bestimmten Thema im Garten führen können. Es wurden dieses Jahr ungefähr 45 solche Führungen durchgeführt. Die Spesen und Entschädigungen für diese Anlässe werden von Sponsoren getragen. Grosses Interesse bei Schulen und Studierenden finden auch die Führungen am Schweizerischen Forschungskran in Hofstetten.

5. Botanischer Garten am Spalentor

Der Garten mit den angegliederten Gewächshäusern wurde wiederum intensiv für Lehre und Forschung genutzt. In verschiedenen Kursen führten die Studierenden Beobachtungen und auch ökophysiologische Messungen direkt an den im Garten wachsenden Bäumen und Kräutern durch. Der Garten lieferte zudem wertvolles Pflanzenmaterial für botanische Übungen in den Kursen, für Demonstrationen in Vorlesungen und für Experimente im Rahmen von Forschungsprojekten. Ohne den Botanischen Garten und das Know-how der Gärtner und Gärtnerinnen könnten wir viele zentrale Aufgaben des Botanischen Instituts in der Lehre und in der Forschung nicht erfüllen.
Die überragende Bedeutung des Botanischen Gartens für die Ausstrahlung der ganzen Universität in die Öffentlichkeit ist allgemein bekannt und müsste hier eigentlich nicht besonders erwähnt werden. Trotzdem ist mit grosser Befriedigung zur Kenntnis genommen worden, dass auf massiven Druck der Universitätsleitung trotz der allgemein prekären Finanzlage die Erneuerung der baufälligen Aufzucht-Gewächshäuser im Herbst dieses Berichtsjahres an die Hand genommen wurde. Damit bestehen ab Frühjahr 2004 auch hervorragende Bedingungen für die Pflege unserer berühmten Sammlung lebender Orchideen und die Belebung des ducrh das Legat Renz initiierten neuen Forschungsschwerpunktes Evolutionsbiologie der Orchideen (in Kooperation mit „Kew Gardens“ London und „New York Botanical Gardens“).
Der Botanische Garten hat auch einen eigenständigen Drittmittelzufluss ausgelöst. Drei Projekte im Zusammenhang mit Artenschutz (Erhaltung des Frauenschuhs im Jura und der Bienenragwurz, beides Orchideen, sowie der Ackerbegleitflora im Kanton Baselland) brachten insgesamt ungefähr 25 kFr an Drittmitteln (Kt Baselland, Fonds und Private) Weitere Einnahmen durch Honorare für Führungen, Dienstleistungen, Verkauf von Pflanzenmaterial etc. erbrachten ca. 25 kFr. Insgesamt standen dem Garten also ca. 50 kFr an zusätzlichen Mitteln in diesem Jahr zur Verfügung.