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3to4: Converting C3 to C4 photosynthesis for sustainable agriculture

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Kulturpflanzen mit optimierter Photosynthese

Nicht bei allen Pflanzen laufen Prozesse gleich ab: obwohl alle Pflanzen Kohlenstoff über das Enzym Rubisco binden, arbeiten einige mit der eher ineffizienten C3-Photosynthese, bei der bereits fixierter Kohlenstoff durch so genannte Photorespiration wieder verloren geht. Bei diesen Pflanzen sollte das Projekt 3TO4 nun die Photosynthese optimieren und sich hierzu an der effizienteren C4-Photosynthese orientieren.

Lebensmittel und natürliche Ressourcen

Pflanzen betreiben Photosynthese, d.h. Kohlendioxid und Wasser werden mittels Lichtenergie in Kohlenhydrate umgewandelt. Entscheidend für diese Kohlenstofffixierung ist Rubisco, ein Enzym, das sich bei photosynthetischen Bakterien erstmals vor 3,5 Milliarden Jahren entwickelte. Viele Kulturpflanzen wie Weizen, Gerste, Reis, Sojabohnen und Kartoffeln führen mittels Rubisco die ineffiziente (C3) Form der Photosynthese durch, um Kohlenstoff zu binden. Bei jüngeren Gräsern wie Mais hingegen haben sich Blattstruktur und Biochemie so verändert, dass CO2 über die effizientere C4-Photosynthese an Rubisco bindet. Generell betreiben nur 50 % aller bekannten Gräser, 3 % aller Blühflanzen und 40 % aller weltweit angebauten Getreidesorten C4-Photosynthese. Die Frage ist nun, ob dieser Prozentsatz durch grüne Biotechnologie gesteigert werden könnte. Hierfür müsste die der Photosynthese entgegenwirkende Photorespiration bei C3-Kulturen reduziert oder bei C3-Kulturen die C4-Photosynthese induziert werden. Der ökonomische wie auch ökologische Nutzen wären enorm, da C4-Pflanzen weniger Dünger bzw. Nährstoffe für die gleiche Ertragsleistung benötigen", erklärt Richard Leegood, Professor für Pflanzenbiochemie an der University of Sheffield und Koordinator von 3TO4. Doch obwohl mit C4-Photosynthese mehr Kohlenstoff gebunden und weniger Stickstoff und Wasser verbraucht wird, ist deren Induzierung in C3-Pflanzen kompliziert. "Für eine effiziente C4-Photosynthese müssen Blattentwicklung, Zellbiologie und Biochemie verändert werden", erklärt Prof. Leegood. "Diese Merkmale bei C3-Kulturen einzuzüchten, ist ein langwieriger Prozess, aber selbst wenn dies nur langfristig gelänge, wären die ökonomischen und ökologischen Vorteile enorm." Mit diesem Ziel betrieb 3TO4 nun Grundlagenforschung zu verschiedensten Aspekten der C4-Biologie, vor allem, um durch den C4-Mechanismus die Photorespiration zu verringern. "Obwohl die Arbeiten weitgehend nach Plan liefen," wie Prof. Leegood erklärt, "und wir Rapslinien erzeugten, die die Photorespiration umgehen können (photorespiratorischer Bypass), zeigten diese Pflanzen keinen hinreichend ausgeprägten Phänotyp, der den veranschlagten großen Arbeitsaufwand rechtfertigte." Um das Problem zu lösen, arbeitete das Forscherteam mit C3-C4-Zwischenstufen, etwa der eng mit Raps verwandten Moricandia arvensis, die Photorespiration auf natürliche Weise umgeht. Ein weiterer Schwerpunkt des Projekts war die Unterstützung des von der Bill & Melinda Gates-Stiftung finanzierten Projekts C4-Rice. "C4-Reis könnte zur Steigerung der Nahrungsmittelproduktion in den wichtigsten Märkten Südostasien und Afrika eingesetzt werden. Und sobald man eine C4-Pflanze erzeugt hat (oder überhaupt bei Pflanzen die Photorespiration reduzieren kann), ließe sich die Technologie relativ einfach auch auf andere C3-Kulturen in Europa anwenden, etwa bei Weizen", erklärt Prof. Leegood. Zwar ist das Projekt nun beendet, die Arbeit soll aber in Partnerlaboren weitergeführt werden, die zu Blattentwicklung und –anatomie bei C4-Pflanzen, photorespiratorischem Bypass, post-translationaler Regulierung von C4-Proteinen, Funktion von Transkriptionsfaktoren und Regulierung der Genexpression forschen. Planmäßig könnten C4-Kulturen dann in 15 bis 20 Jahren angebaut werden, so Prof. Leegood.

Schlüsselbegriffe

3TO4, Photosynthese, C4-Reis, Photorespiration, CO2-Fixierung, Rubisco, C3-Photosynthese, C4-Photosynthese

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