Neuverdrahtete Photorespiration könnte Nutzpflanzenproduktivität steigern
Pflanzen wandeln durch Photosynthese Sonnenlicht und CO2 in Zucker und Biomasse um. Das beteiligte Schlüsselenzym Rubisco kann mit Sauerstoff statt mit CO2 reagieren, wodurch ein äußerst verschwenderischer Prozess mit der Bezeichnung Photorespiration ausgelöst wird. Dabei wird Energie verbraucht und zuvor gebundenes CO2 wieder in die Atmosphäre abgegeben. Dies kann die photosynthetische Effizienz und die Produktivität der Pflanzen, insbesondere in heißen, trockenen Klimazonen, erheblich verringern. Die Arbeit des EU-finanzierten Projekts GAIN4CROPS(öffnet in neuem Fenster) hatte zum Ziel, diesen ineffizienten Prozess neu zu gestalten. Dabei wurden sowohl natürlich per Evolution entstandene als auch synthetische Strategien zur Verringerung von Kohlenstoffverlusten untersucht, wobei effizientere „Kohlenstoffpumpen“ und synthetische Stoffwechselwege erschaffen wurden. Diese Strategien könnten die Pflanzenproduktivität und die Effizienz der Ressourcennutzung verbessern und dabei gleichzeitig eine nachhaltigere Landwirtschaft unterstützen.
Experimentelle und theoretische Ansätze ergeben Durchbrüche in Konzeptvalidierung
Die meisten Pflanzen, auch alle Bäume, sind sogenannte C3-Pflanzen ohne die Fähigkeit zur Abschwächung der Photorespiration. C4-Pflanzen, die in warmen Gebieten häufiger vorkommen, verfügen über Wege zu deren Minimierung. Im Rahmen des Projekts GAIN4CROPS wurde die Sonnenblume untersucht, eine wirtschaftlich wichtige europäische Kulturpflanze, die der Lebensmittel-, Futtermittel- und Ölherstellung dient. Entscheidend ist, dass einige wilde Verwandte, obwohl sie typischerweise C3-Pflanzen sind, dennoch C3-C4-Zwischenstufen darstellen, die wertvolle Hinweise darauf liefern, wie die Evolution das Problem der Photorespiration gelöst hat. Mithilfe der Kombination aus Genomik, synthetischer Biologie und Metabolic Engineering wurden im Rahmen des Projekts synthetische Umgehungen der Photorespiration entwickelt, die den Kohlenstoffverlust verringern. Einige davon wurden mit Erfolg bei der Modellpflanze Arabidopsis eingeführt. „Sie verbesserten das Wachstum und die Biomasseakkumulation, was ein bahnbrechender Konzeptnachweis ist, der anschaulich zeigt, dass die Umgestaltung zentraler Stoffwechselprozesse biologisch realisierbar ist“, erklärt Projektkoordinator Andreas Weber von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf(öffnet in neuem Fenster). Innerhalb des Projekts wurden außerdem umfangreiche genomische und transkriptomische Einzell- und Einzelkerndatensätze von verwandten Sonnenblumen und C3-C4-Zwischenprodukten erstellt, was eine der vielen Ressourcen war, die in einem größeren Umfang als ursprünglich erwartet produziert wurden. Diese lieferten einen völlig neuen Einblick in die genetische Steuerung und räumliche Organisation der Photosynthese. „Rechenmodelle simulieren den photosynthetischen Kohlenstoff-Stoffwechsel und sagen voraus, wie sich die konstruierten Stoffwechselwege innerhalb der Pflanzenzellen verhalten. Dank dieser Rahmen können die Forschenden neue Strategien bewerten und die Effizienz von Pfaden vergleichen, bevor sie zeitaufwändige Experimente durchführen. Dadurch wird die Entwicklung der Stoffwechselwege vorausschauender, skalierbarer und effizienter“, erläutert Weber.
Herausforderungen bei der Übertragung der Pflanzenumwandlung von der Wissenschaft in die Praxis
Das Team von GAIN4CROPS konnte zwar das bedeutende Potenzial der Pflanzenumwandlung in Bezug auf die Steigerung der Pflanzenproduktivität demonstrieren, „aber auch die technischen Schwierigkeiten und die Zeit hervorheben, die für die Umsetzung wissenschaftlicher Entdeckungen in reale landwirtschaftliche Anwendungen erforderlich sind. Europaweit werden dringend mehr gemeinsam genutzte und zugängliche Einrichtungen für Pflanzentransformation benötigt“, fügt Weber hinzu. Ein gemeinsames Webinar(öffnet in neuem Fenster) mit EU-SAGE (European sustainable agriculture through genome editing) und Reimagine Europa hatte neue Genomtechniken, Photosynthese-Engineering und rechtlichen Unsicherheiten zum Inhalt. Die Diskussionen konzentrierten sich auf die Notwendigkeit einer wissenschaftlich fundierten, angemessenen Regulierung, die der Unterstützung einer verantwortungsvollen Umsetzung der Pflanzenwissenschaft in die Praxis dient.
Pflanzentransformation als Schlüsselfaktor für Nutzpflanzenproduktivität
„Pflanzen, die weniger Kohlenstoff durch Photorespiration verlieren, könnten höhere Erträge liefern und dabei gleichzeitig Wasser, Nährstoffe und Boden effizienter nutzen. Damit könnte der Landwirtschaft dabei geholfen werden, Anpassungen an den Klimawandel vorzunehmen und gleichzeitig die Umweltbelastungen zu verringern“, erklärt Weber. Um das Feld von isolierten Machbarkeitsnachweis-Experimenten hin zu einem ernsthaft skalierbaren und translationalen Konzept der technischen Veränderung von Pflanzen zu bewegen, ist jedoch ein multidisziplinärer Ansatz erforderlich. Die Arbeit des Projekts GAIN4CROPS hat gezeigt, was möglich ist, wenn dieses Vorhaben umgesetzt wird. Über die Sonnenblume hinaus können die im Rahmen von GAIN4CROPS entwickelten Instrumente, Datensätze und technischen Strategien die weiterführenden Bemühungen um die Verbesserung wichtiger Nahrungsmittel- und Bioenergiepflanzen weltweit unterstützen.
