16.08.2021 - Cornell University

Wissenschaftler unternehmen einen Schritt zur Verbesserung der Photosynthese und der Ernteerträge von Nutzpflanzen

Um die prognostizierten 9 Milliarden Menschen bis 2050 zu ernähren, müssen die Landwirte 50 % mehr Nahrungsmittel auf einer begrenzten Ackerfläche anbauen. Daher befinden sich Pflanzenwissenschaftler in einem Wettlauf mit der Zeit, um durch Verbesserung der Photosynthese Pflanzen mit höheren Erträgen zu entwickeln.

Es ist bekannt, dass Blaualgen (Cyanobakterien) eine effizientere Photosynthese betreiben als die meisten Nutzpflanzen, weshalb Forscher daran arbeiten, Elemente aus Cyanobakterien in Nutzpflanzen einzusetzen.

Eine neue Studie unter der Leitung der Cornell University beschreibt einen wichtigen Schritt in Richtung dieses Ziels. Die Studie "Absence of Carbonic Anhydrase in Chloroplasts Affects C3 Plant Development but Not Photosynthesis" wurde am 11. August in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

Maureen Hanson, Professorin für Pflanzenmolekularbiologie, ist die Hauptautorin der Studie. Kevin Hines, ein ehemaliger Student in Hansons Labor, und Vishal Chaudhari, ein postdoktoraler Mitarbeiter in Hansons Labor, sind Co-Erstautoren.

Wenn Pflanzen Photosynthese betreiben, wandeln sie Kohlendioxid, Wasser und Licht in Sauerstoff und Saccharose um, einen Zucker, der zur Energiegewinnung und zum Aufbau neuen Gewebes verwendet wird. Während dieses Prozesses nimmt Rubisco, ein in allen Pflanzen vorkommendes Enzym, anorganischen Kohlenstoff aus der Luft auf und "bindet" oder wandelt ihn in eine organische Form um, die die Pflanze zum Aufbau von Gewebe verwendet.

Eine Hürde bei der Verbesserung der Photosynthese in Nutzpflanzen besteht darin, dass Rubisco sowohl mit Kohlendioxid als auch mit Luftsauerstoff reagiert; bei der letzteren Reaktion entstehen giftige Nebenprodukte, die die Photosynthese verlangsamen und dadurch die Erträge verringern. In Cyanobakterien ist das Rubisco jedoch in Mikrokompartimenten enthalten, die Carboxysomen genannt werden und das Rubisco vor Sauerstoff abschirmen.

Das Carboxysom ermöglicht es den Cyanobakterien außerdem, Kohlendioxid zu konzentrieren, damit Rubisco es für eine schnellere Kohlenstofffixierung nutzen kann, so Hanson. "Kulturpflanzen haben keine Carboxysomen, daher besteht die Idee darin, den gesamten Mechanismus zur Konzentration von Kohlenstoff aus Cyanobakterien in Kulturpflanzen einzubauen", fügte sie hinzu.

Damit dieses System in Kulturpflanzen funktioniert, müssen die Wissenschaftler das natürlich vorkommende Enzym Kohlenstoffanhydrase aus den Chloroplasten entfernen, den Organellen in den Pflanzenzellen, in denen die Photosynthese stattfindet. Die Aufgabe der Anhydrase besteht nämlich darin, ein Gleichgewicht zwischen CO2 und Bikarbonat in den Pflanzenzellen herzustellen, indem sie Reaktionen katalysiert, bei denen CO2 und Wasser Bikarbonat bilden und umgekehrt. Damit der Mechanismus zur Anreicherung von Kohlenstoff aus Cyanobakterien in Pflanzen funktioniert, muss das Bikarbonat im System jedoch ein Vielfaches des Gleichgewichtswertes erreichen.

"In dieser Studie", so Hanson, "haben wir diesen Schritt [das Entfernen der Anhydrase] getan, der notwendig ist, damit das Carboxysom funktioniert."

In der Studie beschreiben die Autoren den Einsatz der CRISPR/Cas9-Geneditierungstechnologie zur Deaktivierung von Genen, die zwei in Chloroplasten vorkommende Enzyme der Kohlensäureanhydrase exprimieren. In der Vergangenheit hatte eine andere Forschergruppe eine andere Methode verwendet, um 99 % der Aktivität des Anhydrase-Enzyms zu entfernen, und die Pflanzen wuchsen normal. Als Hanson und seine Kollegen jedoch 100 % der Aktivität des Enzyms entfernten, wuchsen die Pflanzen kaum noch. "Es zeigte sich, dass die Pflanzen dieses Enzym brauchen, um Bikarbonat zu bilden, das in den Bahnen zur Herstellung von Komponenten des Blattgewebes verwendet wird", so Hanson.

Als sie die Pflanzen in eine Wachstumskammer mit hohem CO2-Gehalt setzten, nahmen sie ihr normales Wachstum wieder auf, da die hohen CO2-Mengen zu einer spontanen Reaktion zur Bildung von Bikarbonat führten.

Das Team glaubt, dass es eine Lösung gefunden hat, um die Anhydrase zu entfernen und trotzdem genügend Bikarbonat zu erhalten. Im Rahmen künftiger Forschungsarbeiten, die kürzlich durch einen dreijährigen Zuschuss der National Science Foundation in Höhe von fast 800.000 $ finanziert wurden, planen sie, einen Bicarbonat-Transporter an der Chloroplastenmembran anzubringen, um Bicarbonat aus anderen Teilen der Zelle in die Chloroplasten zu importieren. Das zusätzliche Bicarbonat macht nicht nur die Anhydrase überflüssig, sondern dürfte auch die Photosynthese verbessern, noch bevor Carboxysomen in die Chloroplasten eingebaut werden können.

Experimente haben gezeigt, dass das Fehlen von Kohlensäureanhydrase die Photosynthese nicht beeinträchtigt, im Gegensatz zu früheren Ansichten.

Ein mögliches Problem besteht darin, dass die in den Chloroplasten vorkommende Kohlensäureanhydrase bekanntermaßen an den Abwehrmechanismen der Pflanze beteiligt ist. Die Forscher in Hansons Gruppe entdeckten jedoch, dass sie eine enzymatisch inaktive Version der Kohlensäureanhydrase einbauen und trotzdem die Abwehrkräfte der Pflanze aufrechterhalten können.

"Wir wissen jetzt, dass wir ein inaktives Enzym herstellen können, das unseren Mechanismus der Kohlenstoffkonzentration nicht beeinträchtigt, aber den Nutzpflanzen dennoch ermöglicht, gegen Viren resistent zu sein", so Hanson.

Die Studie wurde vom Programm für synthetische Biologie der National Science Foundation finanziert.

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