Der Evolution auf die Sprünge geholfen

Kommt demnächst der ertragreiche „Superreis“, der die Nahrungssicherung der Weltbevölkerung sicherstellt? Beim Umbau des Reis-Genoms von einer C3-Pflanze zu einer wesentlich effektiveren C4-Pflanze ist den Forschern ein erster – und entscheidender – Schritt geglückt.

Reis (Oryza sativa) ist Grundnahrungsmittel für mehr als 3 Milliarden Menschen weltweit. Doch das rasche Bevölkerungswachstum und die zunehmende Urbanisierung stellen hohe Ansprüche an die Nahrungspflanze: Die gleiche Fläche, die im Jahr 2010 genug Reis für die Ernährung von 27 Menschen produzierte, wird 2050 schon Reis für 43 Menschen erzeugen müssen. Mit diesem Mehrbedarf kann der konventionelle züchterische Fortschritt nicht mehr mithalten – er beträgt derzeit etwa ein Prozent Ertragssteigerung pro Jahr.

Ertragssteigerung um 50 Prozent theoretisch möglich

Mit der Unterstützung der Bill und Melinda Gates-Stiftung im Rahmen der «Grand Challenges of the 21st Century» versuchen Wissenschaftler nun, den Ertrag der Reispflanze abseits der gewohnten Pfade um gleich 50 Prozent zu steigern. Das könnte gelingen, indem die Forscher den Stoffwechsel der Reispflanze umbauen: von einem C3- zu einem C4-Metabolismus.

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C4-Pflanzen nutzen bei der Photosynthese einen zusätzlichen Stoffwechselweg, um Kohlenstoffdioxid zunächst räumlich vorzufixieren und erst dann wie C3-Pflanzen im Calvin-Zyklus zu Kohlenhydraten aufzubauen. Die Kürzel C3 und C4 leiten sich dabei von der Anzahl der Kohlenstoffatome des jeweils ersten Fixierungsproduktes ab: Oxalacetat bei C4-Pflanzen, Phosphoglycerat bei C3-Pflanzen.

3 Prozent der Blütenpflanzen schaffen ein Viertel der Photosyntheseleistung

Vor allem unter trockenen Umweltbedingungen ist der C4-Stoffwechselweg wesentlich effizienter als der C3-Weg. Durch die Vorfixierung wird das verfügbare Kohlendioxid aus der Luft aktiv in den Zellen angereichert. C4-Pflanzen können dann die Sonnenenergie besonders wirksam für die Bildung von Kohlenhydraten einsetzen. Zu den drei Prozent der Blütenpflanzen, die diesen Stoffwechselweg nutzen, gehören unter anderem Mais, Zuckerrohr und Hirse. Die Auswirkungen der optimierten Photosyntheseleistung sind beträchtlich: Die C4-Pflanzen tragen zu einem Viertel der gesamten Photosyntheseleistung aller Pflanzen weltweit bei.

Blattstruktur und Schlüsselenzyme machen den Unterschied

C4-Pflanzen haben im Gegensatz zu den C3-Pflanzen wie Reis eine andere Blattstruktur. Bei den C4-Pflanzen sind die Leitbündel in den Blättern kranzförmig von zwei Schichten spezialisierter Zellen, den Bündelscheidezellen und den Mesophyllzellen, umgeben (die sogenannte Kranz-Anatomie). In den Mesophyllzellen findet die Vorfixierung des Kohlendioxids statt. Das entstehende Oxalacetat wird dann in die Bündelscheidenzellen transportiert und anschließend das gebundene Kohlendioxid wieder freigesetzt. Damit steht es für die Photosynthese in erhöhter Konzentration zur Verfügung. Die C3- und C4-Stoffwechselwege unterscheiden sich außerdem noch in einigen wichtigen Schlüsselenzymen.

Maisgen verändert Blattstruktur in Reis

Trotz der zahlreichen Unterschiede sind die C4-Pflanzen im Laufe der Evolution gleich 60 Mal unabhängig voneinander aus C3-Vorläufern entstanden. Diesen Umstand machten sich die Forscher zunutze, um der Evolution unter die Arme zu greifen und eine der wichtigsten Nahrungspflanzen selbst zur C4-Pflanze umzubauen.

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Im ersten Schritt wollten sie eine kranzähnliche Blattstruktur in Reispflanzen schaffen - die anatomische Voraussetzung für einen C4-Metabolismus. Dazu übertrugen die Wissenschaftler Maisgene, die die Chloroplastenentwicklung regulieren (GOLDEN2-LIKE-Gene). Die von diesen Genen kodierten Transkriptionsfaktoren bewirkten tatsächlich, dass das Volumen der Chloroplasten und Mitochondrien sich vergrößerte und dabei eine kranzartige Blattstruktur ausgebildet wurde.

Vorerst keine Verbesserung der Photosyntheseleistung

Mit der Größe der Chloroplasten in den transgenen Reispflanzen stieg auch die Aktivität wichtiger Enzyme der Photosynthese an. Aber eine Steigerung der Photosyntheseleistung dieser Pflanzen war noch nicht messbar. Das hatten die Wissenschaftler allerdings auch nicht anders erwartet, da für den C4-Stoffwechsel noch wichtige Enzyme fehlten. Glücklicherweise hatte der Umbau der Reispflanze auch keine negativen Auswirkungen auf den Stoffwechsel oder die Fitness der Pflanzen.

Forschungsleiterin Jane Langdale, Professorin der Universität Oxford, erklärte dazu: „Das ist ein wirklich ermutigendes Resultat. Die Herausforderung ist jetzt, darauf aufzubauen und die richtigen Gene zu finden, die man beeinflussen muss, um die noch fehlenden Stoffwechsel-Schritte zu vervollständigen. Möglicherweise können diese folgenden Schritte auch durch das Zufügen von je nur einem einzelnen Gen rekapituliert werden.“ Gelingt das, könnte der Ertrag von Reispflanzen tatsächlich bald um bis zu 50 Prozent gesteigert werden.