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Metabolic Engineering von Nutzpflanzen zur Deckung des Nahrungsmittelbedarfs einer wachsenden Weltbevölkerung

Ein EU-unterstütztes Forschungsteam hat eine Lösung entwickelt, welche die Ernteerträge verbessern und gleichzeitig den Ressourcenverbrauch für eine nachhaltigere Zukunft senken kann.

Lebensmittel und natürliche Ressourcen

Der weltweite Bedarf an Nahrungsmitteln steigt. Mit einer wachsenden Weltbevölkerung und steigenden Einkommen in den Entwicklungsländern wird sich der weltweite Bedarf an Nahrungsmitteln bis 2050 voraussichtlich verdoppeln. Um diesen Bedarf zu decken, muss die Landwirtschaft nachhaltiger und gleichzeitig produktiver werden. Die landwirtschaftlichen Erträge müssen jedes Jahr um 2,4 % steigen – eine Herausforderung, wenn man bedenkt, dass die wichtigsten Nahrungspflanzen wie Mais, Reis und Weizen derzeit bei einer jährlichen Steigerung von 1 % verharren. Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Dr. Andreas Weber von der Heinrich-Heine-Universität in Düsseldorf hat nun eine Lösung entwickelt, die zu ertragreicheren und weniger Ressourcen benötigenden Pflanzen führen könnte. Die mit Unterstützung des EU-finanzierten Projekts GAIN4CROPS entwickelte Lösung konzentriert sich auf die Photorespiration und den C4-Stoffwechsel von Pflanzen, zwei der wichtigsten Ziele zur Verbesserung der Ernteerträge. Die Studie der Forschenden wurde in der Zeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America“ veröffentlicht.

Ein Blick auf die Photorespiration und den C4-Stoffwechsel von Pflanzen

Bei den meisten Pflanzenarten der Welt, die wegen der Dreikohlenstoff-Verbindung 3-Phosphoglycerat, welche bei der CO2-Bindung gebildet wird, C3-Pflanzen genannt werden, ist die Photorespiration ein verschwendungsintensiver Stoffwechselprozess. Dieser Prozess beginnt, wenn das Kohlenstoff bindende Enzym Ribulose-1,5-Bisphosphat-Carboxylase/Oxygenase (Rubisco) auf Sauerstoff statt auf CO2 einwirkt und dabei toxische Produkte bildet, welche die Pflanze recyceln muss. Während dieses Prozesses verliert die Pflanze einen Großteil der durch die Photosynthese erzeugten Energie und setzt zuvor gebundenen Kohlenstoff frei, was zu einer geringeren Produktivität führt. C4-Pflanzen – so benannt nach der Vier-Kohlenstoff-Verbindung, die während der Photosynthese entsteht – haben jedoch die Fähigkeit, die Photorespiration zu minimieren, indem sie ein Nicht-Rubisco-Enzym während des ersten Schritts der Kohlenstoffbindung einsetzen. Um die schädlichen Auswirkungen der Photorespiration zu reduzieren und das Pflanzenwachstum und den Ertrag zu verbessern, führen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entweder neue Stoffwechselwege ein, um die Photorespiration zu umgehen, oder sie imitieren die Mechanismen zur Kohlenstoffanreicherung von C4-Pflanzen. Die Lösung des deutschen Forschungsteams verbindet zwei der Hauptziele bei der Verbesserung des Pflanzenstoffwechsels, indem es die Photorespiration und den C4-Pflanzenstoffwechsel kombiniert. Wie es in einer Pressemitteilung auf der GAIN4CROPS-Website heißt, „verwandelten die Forschenden eine neuartige Umgehung der Photorespiration, den mikrobiellen BHAC-Pfad, in einen kohlenstoffkonservierenden Mechanismus in Pflanzen“. Sie führten Enzyme aus dem BHAC-Pfad in eine Modellpflanze, Arabidposis thaliana, ein und wandelten erfolgreich „das toxische Produkt der Photorespiration in eine Ausgangsstufe für einen synthetischen C4-Zyklus um, ohne dabei Kohlenstoff, Stickstoff oder Energie zu verlieren.“ Die Machbarkeitsstudie ebnet den Weg für eine verbesserte landwirtschaftliche Produktivität in der Zukunft. „Die Steigerung der Nachhaltigkeit stellt wahrscheinlich die größte Herausforderung des 21. Jahrhunderts dar, und auch wenn es kein einzelnes Patentrezept gibt, so könnte die Kombination verschiedener Lösungen eine effiziente Verbesserung bringen“, merkt Prof. Dr. Weber in der gleichen Presseerklärung an. Das Forschungsteam von GAIN4CROPS (Rewiring photorespiration using natural and synthetic pathways to sustainably increase crop yield) entwickelt hocheffiziente synthetische Stoffwechselwege, um die Kohlenstoffbindung zu erhöhen. Ziel des Projekts ist es, einen Beitrag zur Deckung des Nahrungsmittel- und Kraftstoffbedarfs einer wachsenden Weltbevölkerung zu leisten, die sich den Herausforderungen des Klimawandels stellen muss. Weitere Informationen: GAIN4CROPS-Projektwebsite

Schlüsselbegriffe

GAIN4CROPS, Ernte, Photorespiration, Pflanze, Kohlenstoff, CO2, C4, Stoffwechsel

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