Neue Strategie für mehr Ernte?

Potenzielle Lösung für das Welternährungsproblem: Wissenschaftler haben womöglich einen Weg gefunden, wichtige Nahrungspflanzen ertragreicher zu machen. Sie veränderten Pflanzen so, dass sie besser mit Photosynthese-Problemen umgehen können – und somit weniger Energie vergeuden. In ersten Modellexperimenten produzierten die gentechnisch modifizierten Pflanzen rund 40 Prozent mehr Biomasse, wie das Team im Fachmagazin „Science“ berichtet.

Der Prozess der Photosynthese bildet eine wichtige Grundlage des Lebens. Bei diesem hochkomplexen Vorgang wandeln Pflanzen mithilfe der Sonnenenergie Wasser und Kohlendioxid in für uns verwertbare Biomasse um. Doch nicht immer läuft dabei alles optimal: Dem für die Kohlendioxidfixierung zuständigen Protein RuBisCO unterläuft in 20 Prozent der Fälle ein Fehler – es nimmt Sauerstoff statt Kohlendioxid auf. In der Folge entstehen für die Pflanze giftige Stoffwechselprodukte, die aufwändig entsorgt werden müssen.

Dies geschieht im Zuge der sogenannten Photorespiration. Das Problem: „Die Photorespiration kostet die Pflanze wertvolle Energie und Ressourcen, die sie andernfalls in die Photosynthese hätte stecken können“, erklärt Paul South von der University of Illinois in Urbana. Dadurch büßt sie an Wachstum und schlussendlich auch Nahrungsertrag für den Menschen ein. „Mit den Kalorien, die aufgrund der Photorespiration verloren gehen, könnten wir Millionen von Menschen ernähren“, konstatiert Souths Kollege Robert Emerson.

Verluste verhindern

Angesichts der wachsenden Weltbevölkerung und der damit einhergehenden steigenden Nachfrage nach Nahrungsmitteln scheinen solche Verluste fatal. Könnten sie sich verhindern lassen? Genau dieser Frage sind Emerson und South nun gemeinsam mit ihrem Team nachgegangen. Ihre Idee: Womöglich kann der komplizierte Prozess der Photorespiration mithilfe der Gentechnik optimiert werden.

Normalerweise beinhaltet dieser Vorgang eine ganze Reihe von Einzelschritten, die in drei unterschiedlichen Kompartimenten der Pflanzenzelle stattfinden – er gilt als einer der verschwenderischsten Stoffwechselprozesse überhaupt. Die Forscher veränderten Pflanzen mithilfe gentechnischer Methoden nun so, dass die Photorespiration bei ihnen anders verläuft und dadurch vor allem kürzer und effizienter wird. Insgesamt entwickelten sie drei alternative Prozesse, die den natürlichen Vorgang ersetzen sollen und anstatt in mehreren Organellen nur noch in den Chloroplasten ablaufen.

40 Prozent mehr Biomasse

Zunächst testeten sie, mit welchen Erbgut-Modifikationen sich ihr Ziel am besten umsetzen lassen könnte und stellten die erfolgreichsten Kandidaten dann in einem Modellexperiment mit Tabakpflanzen auf die Probe – bewährten Modellpflanzen in der Getreideforschung. Dabei zeichnete sich ab: Die transgenen Pflanzen mit der optimierten Photorespiration, die nun unter anderem Gene eine Grünalgen-Art in sich trugen, entwickelten sich in Gewächshäusern und auf Feldern im Vergleich zu nicht veränderten Pflanzen deutlich schneller. Konkret wuchsen sie höher und produzierten rund 40 Prozent mehr Biomasse.

Dieser Erfolg ist gerade angesichts des Klimawandels von großer Bedeutung, wie die Wissenschaftler berichten. Denn je heißer es wird, desto häufiger passieren bei vielen Pflanzen Photosynthese-Fehler – und desto mehr Photorespiration müssen sie betreiben. Das Team arbeitet inzwischen daran, die Ergebnisse auch auf Nahrungspflanzen wie Soja oder Reis zu übertragen: „Unser Ziel ist es, bessere Pflanzen zu kreieren und Landwirte mit den Werkzeugen zu versorgen, die sie benötigen, um die Welt zu ernähren“, schließt Mitautorin Amanda Cavanagh. (Science, 2019; doi: 10.1126/science.aat9077)

Quelle: AAAS/ University of Illinois