Wissenschaftler reparieren Photosynthesestörung, um Pflanzen 40 Prozent größer werden zu lassen

von Ryan Whitwam

All der Sauerstoff, den Sie gerne atmen, erscheint nicht nur auf magische Weise in der Atmosphäre. Die Erde ist lebenswert, weil Pflanzen auf der ganzen Welt Sauerstoff als Nebenprodukt der Photosynthese abpumpen und einige von ihnen zu schmackhaften Nahrungspflanzen werden. Die Photosynthese ist jedoch trotz vieler Äonen evolutionärer Verfeinerung nicht perfekt. Wissenschaftler der University of Illinois haben daran gearbeitet, einen Fehler in der Photosynthese zu korrigieren, der die Ernteerträge um bis zu 40 Prozent verbessern könnte.

Das Herzstück der neuen Forschung ist ein Prozess in Pflanzen, der als Photorespiration bezeichnet wird und nicht so sehr Teil der Photosynthese ist, als vielmehr eine Folge davon. Wie bei vielen biologischen Prozessen funktioniert die Photosynthese in den meisten Fällen nicht richtig. Tatsächlich ist eine der Hauptreaktionen in der Photosynthese nur zu 75 Prozent wirksam. Die Änderung ergibt sich aus dem Prozess, den Anlagen aufgrund dieser Ineffizienz durchführen.

Bei der Photosynthese nehmen Pflanzen Wasser und Kohlendioxid auf und verarbeiten es zu Zucker (Nahrung) und Sauerstoff. Pflanzen brauchen den Sauerstoff nicht, so dass er ausgestoßen wird. Glücklicherweise brauchen wir Sauerstoff und atmen Kohlendioxid aus.

Das in der neuen Studie angesprochene Problem betrifft ein Enzym namens Ribulose-1,5-Bisphosphat-Carboxylase-Oxygenase (RuBisCO). Dieser Proteinkomplex bindet ein Kohlendioxidmolekül an Ribulose-1,5-bisphosphat (RuBP). Im Laufe der Zeit wurde die Erdatmosphäre mit Sauerstoff angereichert, was bedeutet, dass RuBisCO mit mehr Sauerstoffmolekülen fertig werden muss, die mit Kohlendioxid gemischt sind. Ungefähr ein Viertel der Zeit, in der RuBisCO versehentlich ein Sauerstoffmolekül aufnimmt, hat dies Konsequenzen innerhalb einer Pflanze.

Die Wissenschaftler Don Ort (rechts), Paul South (Mitte) und Amanda Cavanagh (links) untersuchen, wie gut ihre Pflanzen, die so modifiziert wurden, dass sie die Photorespiration umgehen, unter realen Bedingungen neben nicht modifizierten Pflanzen abschneiden.

Wenn RuBisCO versagt, bleiben Pflanzen mit giftigen Nebenprodukten wie Glykolat und Ammoniak zurück. Die Verarbeitung dieser Verbindungen (durch Photorespiration) erfordert Energie, die zu dem Energieverlust aufgrund der Photosynthese-Ineffizienz hinzukommt. Die Autoren der Studie stellen fest, dass Reis, Weizen und Sojabohnen unter dieser Störung leiden und RuBisCO mit steigenden Temperaturen noch ungenauer wird. Das bedeutet, dass die Nahrungsmittelversorgung sinken könnte, wenn die globale Erwärmung zunimmt.

Das Update ist Teil eines Programms mit dem Namen Realising Elevated Photosynthetic Efficiency (RIPE) und basiert auf der Einführung neuer Gene, die das Wachstum verbessern. Normalerweise nimmt die Photorespiration einen umständlichen und komplexen Weg durch drei verschiedene zelluläre Organellen. Es verbraucht ATP (die Energiewährung der Zellen), die die Pflanze größer und stärker machen soll. RIPE konzentriert sich darauf, die Fotorespiration schneller und energieeffizienter zu machen.

Das Team entwickelte drei alternative Wege unter Verwendung neuer genetischer Sequenzen. Sie optimierten diese Wege in 1.700 verschiedenen Werken, um die besten Ansätze zu identifizieren. Innerhalb von zwei Jahren testeten die Forscher die Sequenzen mit modifizierten Tabakpflanzen. Dies ist eine in der Wissenschaft weit verbreitete Pflanze, da ihr Genom außerordentlich gut bekannt ist.

Diese Pflanzen produzierten etwa 40 Prozent mehr Biomasse als nicht modifizierte Pflanzen. Dies zeigt, dass die effizienteren Photorespirationswege der Pflanze beträchtliche Energie sparen, die stattdessen in Richtung Wachstum gehen kann. Der nächste Schritt besteht darin, die Gene in Nahrungspflanzen wie Soja, Langbohne, Reis und Tomaten zu integrieren.

Es kann mehrere Jahre dauern, bis die überarbeiteten Photorespirationsgene in Nahrungspflanzen integriert sind, die komplizierter sind als Tabak. Die daraus resultierenden Pflanzen müssten dann von den Aufsichtsbehörden für den menschlichen Verzehr zugelassen werden - das ist keine leichte Aufgabe für sich und es gibt häufigen anti-wissenschaftlichen Widerstand gegen gentechnisch veränderte Pflanzen. RISE wird von gemeinnützigen Organisationen auf der ganzen Welt unterstützt, einschließlich der Bill & Melinda Gates Foundation. Sämtliche im Rahmen von RISE entwickelten Samen sind lizenzfrei erhältlich.

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Ursprünglich veröffentlicht auf www.extremetech.com am 7. Januar 2019.