Pflanzen wandeln bei der Fotosynthese Kohlenstoffdioxid und Wasser in Zucker und Sauerstoff um. Aus dem Zucker wird nachfolgend nährreiche Biomasse. Dadurch sind Pflanzen ein natürlicher Helfer im Kampf gegen den Klimawandel und die Grundlage aller landwirtschaftlichen Erzeugnisse, von Gemüse über Obst bis zu Getreide und Hülsenfrüchten. Wissenschaftler suchen daher schon seit langem nach Wegen, wie Pflanzen CO2 noch effektiver in Biomasse umwandeln könnten. Das wäre gut für das Klima, da mehr von dem Treibhausgas aus der Luft entnommen würde, und auch gut für die Landwirtschaft, da die Pflanzen höhere Erträge brächten.
Passive Beschaffung der Fotosynthese-Rohstoffe
Auf der Suche nach einer möglichen Fotosynthese-Optimierung hat ein Team um Tanner Robison vom Boyce Thompson Institute (BTI) in Ithaca nun den Fotosynthese-Apparat der Hornmoose untersucht. „Hornmoose besitzen eine unter den Landpflanzen einzigartige Fähigkeit: Sie haben einen natürlichen Turbolader für die Fotosynthese“, sagt Robison. „Dieser CO2-Konzentrationsmechanismus hilft ihnen, ihre Fotosynthese effizienter zu betreiben als die meisten anderen Pflanzen, einschließlich unserer lebenswichtigen Nahrungspflanzen.“ Doch wie funktioniert diese Technik? Um das herauszufinden, analysierten die Biologen die Gene der Modellpflanze Acker-Hornmoos (Anthoceros agrestis). Diese sollten Aufschluss über die gebildeten Strukturproteine und Enzyme geben. Zudem beobachteten Robison und seine Kollegen über Fluoreszenzmarkierungen die Live-Bewegungen der Proteine in den Zellen unter einem Elektronenmikroskop.
Dabei stellte sich heraus, dass Hornmoose im Vergleich zu anderen Pflanzen ein deutlich einfacheres System zur Konzentration von CO2 verwenden. Im Gegensatz zu Algen mit ähnlichen Turboladern, die CO2 über komplexe Mechanismen aktiv in ihre Zellen pumpen, verfolgen Hornmoose demnach einen passiven Ansatz, der weniger Komponenten benötigt. Die Hornmoose besitzen dafür bis zu fünf Mikrometer große Strukturen in ihren Chloroplasten, die als Pyrenoide bezeichnet werden. Diese flüssigkeitsähnlichen Kompartimente sind mit dem Enzym Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase – kurz Rubisco – gefüllt, das CO2 während der Fotosynthese in Zucker umwandelt. Um das Pyrenoid herum befinden sich jeweils spezialisierte Kanäle und Enzyme, die CO2 passiv hineinlassen, dann einfangen und Rubisco damit versorgen, wie das Team feststellte.
