Angesichts der wachsenden Weltbevölkerung suchen Forschende weltweit nach neuen Strategien, um die Ernährungssicherheit zu erhöhen. Eine dieser Strategien ist, die Photosynthese und damit das Wachstum von Nutzpflanzen zu verbessern. Eine Machbarkeitsstudie zeigt nun, dass es grundsätzlich möglich ist, ein bakterielles System zur CO2-Anreicherung in Nutzpflanzen zu transferieren, um die Photosyntheserate zu steigern. Die Technik ist zwar noch nicht anwendungsreif, liefert aber eine Grundlage für weitere Entwicklungen.
Bei der Photosynthese wandeln Pflanzen Kohlendioxid und Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht in Zucker und Sauerstoff um. Begrenzt wird der Prozess allerdings durch die Ineffizienz des Enzyms Rubisco, das für die Fixierung von Kohlendioxid zuständig ist. Denn die Rate, mit der Rubisco das CO2 umsetzt, ist gering, und zusätzlich unterscheidet das Enzym unzureichend zwischen CO2 und Sauerstoff (O2), was die Effizienz weiter verringert. Bestimmte Bakterien umgehen dieses Problem, indem sie sogenannte CO2-Konzentrationsmechanismen entwickelt haben. In ihren sogenannten Carboxysomen ist Rubisco von einer Proteinhülle umgeben, innerhalb derer CO2 angereichert wird. Auf diese Weise arbeitet Rubisco effizienter.
Neun bakterielle Gene transferiert
Ein Team um Taiyu Chen von der University of Liverpool in Großbritannien hat nun erstmals dieses bakterielle System erfolgreich auf Pflanzen übertragen. Als Grundlage diente das Bakterium Halothiobacillus neapolitanus. Neun Gene codieren darin für die einzelnen Komponenten der Carboxysomen. Während Wissenschaftler in früheren Versuchen jeweils nur einzelne Komponenten auf Pflanzen übertragen haben, transferierten Chen und seine Kollegen alle neun Gene in die Chloroplasten von Tabakpflanzen.
Und tatsächlich: „Unsere Ergebnisse zeigen, dass in den Chloroplasten der Tabakpflanzen Carboxysomen aus mindestens neun Gruppen von Bauelementen sowie katalytisch aktives Rubisco entstehen“, berichten die Autoren. Die Komponenten fügten sich also in der Tabakpflanze selbstständig zu funktionsfähigen Carboxysomen zusammen. Strukturanalysen ergaben, dass der Aufbau der Carboxysomen in den Chloroplasten der natürlichen Version in den Bakterien gleicht.
Noch kein Wachstum in Umgebungsluft
In normaler Umgebungsluft mit einem CO2-Gehalt von rund 440 parts per million (ppm) konnten die auf diese Weise erzeugten transgenen Pflanzen jedoch nicht wachsen. Erhöhte das Team aber die CO2-Konzentration in der Luft auf ein Prozent, entwickelten sich die transgenen Pflanzen ähnlich wie unveränderte Kontrollpflanzen – wenn auch etwas langsamer. „Damit die Pflanzen auch in normaler Umgebungsluft wachsen können, sind weitere Optimierungen des Konstruktdesigns erforderlich“, so das Forschungsteam. „Aber immerhin deutet das Wachstum der transgenen Pflanzen bei einem Prozent CO2 darauf hin, dass die katalytischen Aktivitäten der veränderten Carboxysomen in den Chloroplasten grundsätzlich die Photosynthese der Pflanze unterstützen könnten.“
Obwohl die Technik also bislang noch nicht anwendungsreif ist, belegt die Machbarkeitsstudie, dass entsprechende Modifikationen grundsätzlich möglich sind. „Die in dieser Studie erzeugten transgenen Linien werden die weitere Entwicklung des Carboxysom-Engineerings erleichtern“, so die Autoren. „Unsere Studie liefert den Beweis, dass es möglich ist, voll funktionsfähige CO2-Fixierungsmodule und ganze CO2-Konzentrationsmechanismen in Chloroplasten einzubauen, um die Photosynthese und Produktivität von Pflanzen zu verbessern.“
Quelle: Taiyu Chen (University of Liverpool, UK) et al., Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-023-37490-0
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