Der Prozess der Photosynthese bildet eine wichtige Grundlage des Lebens: Durch dieses System produzieren Pflanzen ihre Biomasse – und damit auch die Nahrung des Menschen. Dieser Vorgang verläuft allerdings nicht immer optimal, wodurch erhebliche Ertragsverluste entstehen. Forscher haben nun jedoch womöglich eine gentechnische Lösung gefunden, um diesem Problem in Zukunft entgegenzuwirken.
Durch wachsende Bevölkerungszahlen und verändertes Konsumverhalten wird die Nachfrage nach Nahrungsmitteln in den kommenden Jahrzehnten drastisch steigen. Wie aber wird sich dieser Bedarf decken lassen? Auf der Suche nach Antworten richten Wissenschaftler ihr Augenmerk zunehmend auch auf gentechnische Lösungen, die wichtige Nahrungspflanzen widerstandsfähiger und ertragreicher machen sollen. Ein Team um Paul South von der University of Illinois in Urbana hat sich in diesem Zusammenhang nun einem entscheidenden Prozess gewidmet: der Photosynthese. Bei diesem hochkomplexen Vorgang wandeln Pflanzen mithilfe der Sonnenenergie Wasser und Kohlendioxid in für uns verwertbare Biomasse um. Doch nicht immer läuft dabei alles optimal.
Problematischer Energieverlust
Dem für die Kohlendioxidfixierung zuständigen Protein RuBisCO unterläuft in 20 Prozent der Fälle ein Fehler – es nimmt Sauerstoff statt Kohlendioxid auf. In der Folge entstehen für die Pflanze giftige Stoffwechselprodukte, die aufwändig entsorgt werden müssen. Dies geschieht im Zuge der sogenannten Photorespiration. Das Problem: “Die Photorespiration kostet die Pflanze wertvolle Energie und Ressourcen, die sie andernfalls in die Photosynthese hätte stecken können”, erklärt South. Dadurch büßt sie an Wachstum und schlussendlich an Nahrungsertrag ein. Was aber wäre, wenn sich dieser Verlust minimieren ließe?
Genau dies haben South und seine Kollegen versucht: Normalerweise beinhaltet der komplizierte Prozess der Photorespiration eine ganze Reihe von Einzelschritten, die in drei unterschiedlichen Kompartimenten der Pflanzenzelle stattfinden – er gilt als einer der verschwenderischsten Stoffwechselprozesse überhaupt. Die Forscher veränderten Pflanzen mithilfe gentechnischer Methoden nun so, dass dieser Vorgang bei ihnen anders verläuft und dadurch vor allem kürzer und effizienter wird. Zunächst testeten sie, mit welchen Erbgut-Modifikationen dies am besten gelingen könnte und stellten die erfolgreichsten Kandidaten dann in einem Modellexperiment mit Tabakpflanzen auf die Probe – einer bewährten Modellpflanze in der Getreideforschung.
40 Prozent mehr Biomasse
Dabei zeichnete sich ab: Die transgenen Pflanzen mit der optimierten Photorespiration entwickelten sich in Gewächshäusern und auf dem Feld im Vergleich zu nicht veränderten Pflanzen deutlich schneller. Konkret wuchsen sie höher und produzierten insgesamt rund 40 Prozent mehr Biomasse. Dieser Erfolg ist gerade angesichts des Klimawandels von großer Bedeutung, wie die Wissenschaftler berichten. Denn je heißer es wird, desto häufiger passieren bei vielen Pflanzen Photosynthese-Fehler – und desto mehr Photorespiration müssen sie betreiben. Das Team arbeitet inzwischen daran, die vielversprechenden Ergebnisse auch auf Nahrungspflanzen wie Soja oder Reis zu übertragen: “Unser Ziel ist es, bessere Pflanzen zu kreieren und Landwirte mit den Werkzeugen zu versorgen, die sie benötigen, um die Welt zu ernähren”, schließt Co-Autorin Amanda Cavanagh.
Quelle: Paul South (University of Illionis, Urbana) et al., Science, doi: 10.1126/science.aat9077
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