Redesign der Photosynthese sorgt für gesteigerte Pflanzenproduktivität
Die Photosynthese, der Prozess, mit dem Pflanzen, Algen und einige Bakterien Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid (CO2) nutzen, um ihre eigene Nahrung zu erzeugen, ist von grundlegender Bedeutung für das Leben auf der Erde. Dieser Prozess ist außerdem von entscheidender Wichtigkeit für die Aufrechterhaltung des Sauerstoffgehalts in der Atmosphäre. Interessant ist, dass sich die Photosynthese zu einer Zeit entwickelte, als die CO2-Gehalte auf der Erde weitaus höher waren. Im Lauf der Jahrmillionen sind die CO2-Werte gesunken, was zum Teil auf die Aktivität der Pflanzen zurückzuführen ist, denn Sauerstoff fällt als ein Nebenprodukt der Photosynthese an. Die Folge ist, dass die Photosynthese nicht mehr so effizient funktioniert, wie es einmal war.
Ernährungssicherheit und Lebensmittelqualität im Blick
Ein Grund dafür, dass diese Tatsache die Neugier der Wissenschaft geweckt hat, ist, dass Lebensmittelsicherheit und -qualität zu wichtigen globalen Themen geworden sind. Der Klimawandel wirkt sich auf landwirtschaftlichen Praktiken aus, und weltweit wird in vielen Regionen nach Möglichkeiten einer effizienten und nachhaltigen Steigerung der Biomasse gesucht, um die wachsende Bevölkerung zu ernähren. Hier setzt die Idee der Verbesserung der Photosynthese bei Pflanzen an. „Daran wird schon seit Jahrzehnten gearbeitet“, erklärt Stefan Schillberg, Koordinator des Projekts PhotoBoost(öffnet in neuem Fenster) vom Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME(öffnet in neuem Fenster) in Deutschland. „Ein Schwerpunkt war RuBisCO, ein zentrales photosynthetisches Enzym, das Kohlendioxid in Zucker umwandelt, aber auch mit Sauerstoff reagiert, wobei Energie verschwendet wird.“ Das PhotoBoost-Team war daran interessiert, die an der Photosynthese beteiligten Enzyme zu manipulieren, um den Mechanismus effizienter werden zu lassen. Es wurden etliche Ansätze aus der synthetischen Biologie und dem Metabolic-Engineering angewandt, darunter die Integration eines Mechanismus zur Kohlenstoffkonzentration in Algen und eines Mechanismus zur Sauerstoffbindung.
Höhere Ernteerträge bei Kartoffeln und Reis
Als eine erfolgreiche Methode erwies sich die Manipulation eines Mechanismus der Kohlenstoffkonzentration unter Einbeziehung verschiedener Enzyme und Proteine. Es wurden vier Proteine innerhalb dieses Mechanismus ermittelt, von denen eines im Mittelpunkt der Forschung stand. Letztlich lautete das Ziel, die Photosynthese deutlich zu verbessern, um die Biomasse insbesondere in den Pflanzenteilen zu erhöhen, die wie beispielsweise Kartoffelknollen und Reiskörner verzehrt werden. „Wichtig war, dass wir diese Verfahren nicht nur in Gewächshäusern, sondern auch im Freiland demonstriert haben“, betont Greta Nölke, die an PhotoBoost beteiligte leitende Wissenschaftlerin. „Feldversuche wurden in Deutschland, Spanien und auf den Philippinen durchgeführt.“ Im Rahmen des Projekts konnten Ertragssteigerungen nachgewiesen werden, die weit über das hinausgehen, was mit traditionellen Zuchtmethoden erreichbar ist. Unter feldnahen Bedingungen wurden bei Kartoffelpflanzen mit den vielversprechendsten Photosyntheseoptimierungen bis zu 42 % höhere Erträge und bei Reis bis zu 33 % höhere Erträge erzielt.
Klimaresiliente Landwirtschaft fördern
Diese Ergebnisse zeigen, dass Photosynthese potenziell mithilfe der Biotechnologie erfolgreich „neu verdrahtet“ werden kann, um erhebliche, stabile Ertragssteigerungen zu erzielen. Ansätze dieser Art könnten eines Tages zur Unterstützung der klimaresilienten Landwirtschaft dienen, um angesichts des Klimawandels und der weltweit steigenden Nachfrage nach Nahrungsmitteln eine höhere Produktivität zu erreichen. Zu den nächsten Schritten zählt die Übertragung dieser photosyntheseoptimierenden Strategien auf andere Kulturpflanzen. Als ein Beispiel dafür gilt die Kuhbohne, eine wichtige Hülsenfrucht in Teilen Afrikas, die nun im Mittelpunkt eines neuen Projekts steht, das von Gates Agricultural Innovation unterstützt wird. „Wir sind außerdem daran interessiert, die Auswirkungen dieser Technologie auf dem Feld zu analysieren“, erklärt Schillberg. „Wenn wir mehr Biomasse anbauen würden, was würde das für den Wasser-, Nährstoff- und Düngemitteleinsatz bedeuten? Und was bedeutet das in Hinsicht auf die Qualität der Ernährung?“ Schillberg und sein Team möchten diese und andere Fragen weiter untersuchen, mit dem langfristigen Ziel, die weltweite Landwirtschaft auf nachhaltige Weise zu fördern.
