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Die Evolution von C4-Pflanzen vorhersagen

Kann man C3-Pflanzen in C4-Pflanzen umzüchten?

25.06.2013 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Reis ist eine C3-Pflanze, aber es wird bereits daran gearbeitet, seine Photosynthese in Richtung C4-Pflanze zu „modernisieren“.  (Quelle: © wuttichok / Fotolia.com)
Reis ist eine C3-Pflanze, aber es wird bereits daran gearbeitet, seine Photosynthese in Richtung C4-Pflanze zu „modernisieren“. (Quelle: © wuttichok / Fotolia.com)

Mit einem Computermodell kann die Evolution von Pflanzen simuliert werden. Es zeigt sich, dass C3-Pflanzen die gleichen evolutionären Schritte durchlaufen haben, um zu C4-Pflanzen zu werden. Diese evolutiven Wege können möglicherweise auch künstlich beschleunigt werden, um Pflanzen schneller an geänderte Umweltbedingungen anzupassen.

Alle grünen Pflanzen gewinnen Energie, indem sie mit Hilfe von Sonnenlicht aus Wasser und CO2 Zucker herstellen. Je nach Anzahl der Kohlenstoffatome des ersten stabilen Zwischenproduktes, in dem CO2 fixiert wird, unterscheidet man zwischen C3- und C4-Pflanzen, wobei die meisten der Gefäßpflanzen zu den C3-Pflanzen gehören. Das heißt, das erste stabile Molekül, das bei der CO2-Fixierung im CALVIN-Zyklus entsteht, ist ein C3-Körper (genannt 3-Phosphoglycerat). Bei heißem und trockenem Wetter schließen Pflanzen ihre Spaltöffnungen an den Unterseiten der Blätter, um einer zu hohen Verdunstung von Wasser vorzubeugen. Dabei verringert sich bei C3- im Vergleich zu C4-Pflanzen die Photosyntheseleistung.

C4-Pflanzen sind effizienter

Nur etwa drei Prozent der heute lebenden Gefäßpflanzen betreiben C4-Photosynthese. Da diese jedoch so effizient ist, machen sie ungefähr 25 Prozent der gesamten, auf dem Land betriebenen Photosyntheseleistung aus. Bekannte C4-Pflanzen sind Mais, Zuckerrohr, Amarant, Hirse und Chinaschilf. Die meisten gehören zu den Gräsern, gefolgt von Seggen. Doch auch bei einer Reihe von Zweikeimblättrigen gibt es diesen Stoffwechselweg, insbesondere bei den Fuchsschwanzgewächsen und anderen Nelkenartigen, bei Wolfsmilchgewächsen und vereinzelt bei Windengewächsen und Korbblütlern. C4-Pflanzen wachsen schneller als C3-Pflanzen, bilden also in kürzerer Zeit mehr Biomasse, was ihren landwirtschaftlichen Nutzen gegenüber anderen Pflanzen erhöht. 

Die C4-Photosynthese ist aus evolutionsbiologischer Sicht der jüngere und modernere Photosynthesetyp. Die C3-Photosynthese gibt es schon seit über zwei Milliarden Jahren. Die C4-Photosynthese hat sich erst vor 30 Millionen Jahren entwickelt.

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Zuckerrohr ist eine bekannte C4-Pflanze aus der Familie der Süßgräser. 

Zuckerrohr ist eine bekannte C4-Pflanze aus der Familie der Süßgräser. 

Bildquelle: © iStockphoto.com/ Amandaliza

Mehr Energie zum Wachsen

Wie genau und warum die C4-Photosynthese entstanden ist, erforscht Martin Lercher, Professor für Bioinformatik an der Heinrich-Heine Universität in Düsseldorf. „Etwa die Hälfte ihrer Energie benötigt eine C3-Pflanze zur Produktion des Enzyms RuBisCO“, erklärt Professor Lercher. Das Enzym Ribulose-1,5-bisphosphat-carboxylase/oxygenase (RuBisCO) ist dafür verantwortlich, dass alle photosynthetisch aktiven Pflanzen Kohlenstoffdioxid aufnehmen können, weshalb es vermutlich das mengenmäßig häufigste wasserlösliche Protein der Erde ist. 

C4-Pflanzen können mit viel weniger RuBisCO genau so viel Kohlenstoff aus der Luft fixieren wie C3-Pflanzen. So bleibt ihnen mehr Energie zum Wachsen.“

„Wie viel Kohlenstoff eine Pflanze mit Hilfe des Enzyms RuBisCO fixieren kann, hängt von zahlreichen unterschiedlichen Parametern ab“, so Lercher. Der Bioinformatiker und sein Team verwenden mathematische Gleichungen, die all diese Parameter erfassen, um den evolutionären Übergang von C3- zu C4-Pflanzen zu beschreiben.

Für die C4-Photosynthese entwickelten die Pflanzen eine interne Pumpe, die die CO2-Konzentration innerhalb bestimmter Zellen erhöht, genau um die molekularen Maschinen herum, die CO2 aus der Luft einfangen und in Zucker umwandeln. Da die C4-Photosynthese mehr als 60-mal unabhängig voneinander entstanden ist, spricht man von einem polyphyletischen Merkmal. 

In ihren Studien wurde die Fitness von Pflanzen bei verschiedenen Parameterkombinationen untersucht, die zur Fixierung von Kohlenstoff beitragen. „Wir benutzen mathematische Modelle, die ursprünglich dazu entwickelt wurden, intermediäre Pflanzen in ihrer Fähigkeit Kohlenstoff zu fixieren zu beschreiben“, erklärt Professor Lercher das Vorgehen seines Teams. Um Mutationen in echten Pflanzen zu simulieren, wurden zufällige Veränderungen an dem Modell vorgenommen. Danach wurde untersucht, wie sich die Mutationen auf die Wachstumsgeschwindigkeit der Pflanze auswirken. Sie fanden heraus, dass sich die Abfolge evolutionärer Veränderungen zwischen verschiedenen simulierten Pflanzen sehr ähnelt. „Eine Pflanze ist nach unserem Verständnis umso fitter, je mehr Kohlenstoff sie mit der gleichen Menge RuBisCO fixieren kann“, so Lercher.

Evolution zur C4-Pflanze wiederholt sich in wiederkehrenden Modulen

Laut der Modelle vollzog sich die Evolution der C3- zu C4-Pflanzen schrittweise. Zuerst etablierten sich biochemische Vorgänge wie die CO2-Pumpe. In den letzten Evolutionsschritten entstanden dann für C4-Pflanzen typische Schlüsselenzyme wie die Phosphoenolpyruvatcarboxylase (PEPC), die CO2 als C4-Säuren fixiert.

Mit diesen Erkenntnissen lassen sich auch Optimierungsmöglichkeiten für die Pflanzenzucht vorhersagen. „Wir prüfen im Modell, ob wir die Fitness einer Nicht-C4-Pflanze durch Verändern eines Parameters möglicherweise noch verbessern können“, so Lercher. Und das sei bisher immer der Fall gewesen. „Jede Pflanze, die bestimmte anatomische Grundvoraussetzungen mitbringt, kann sich immer noch etwas mehr einer C4-Pflanze annähern.“ 

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Mais, Kulturgeschichte einer C4-Pflanze. In der Wissenschaftsscheune des Max-Planck-Institutes für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln informieren sich Schüler und Schülerinnen über die Kulturgeschichte des Maises. (Quelle biosicherheit.de/ © MPl für Pflanzenzüchtungsforschung)

Das sei durchaus erstrebenswert, denn obwohl sie eigentlich für heiße, trockene Gebiete konzipiert sind, hätten C4-Pflanzen selbst in unseren Breiten Wachstumsvorteile, so der Bioinformatiker. Mit mathematischen Modellen stellt sein Team Szenarien dar, bei denen sich bestimmte Eigenschaften einer Pflanze im Laufe der Evolution typischerweise ändern. „Während manche Mutationen häufiger stattfinden, kommen andere seltener vor. Letztendlich breiten sich jedoch nur diejenigen in einer Population aus, die der Pflanze zu mehr Fitness, also zu Überlebensvorteilen verhelfen“, so Lercher.

Mehr Biomasse in kürzerer Zeit

Das langfristige Ziel der Forschung ist es, schneller mehr Biomasse zu erzeugen. „Wenn man beispielsweise die C3-Pflanze Reis zu einem C4-Metabolismus umfunktionieren könnte, könnte man den Ernteertrag damit massiv erhöhen“, erklärt Professor Lercher eine Idealvorstellung. Mit derartigen Fragen beschäftigt sich auch das Cluster of Excellence on Plant Sciences (CEPLAS) der Universitäten Köln und Düsseldorf. 

„Unser theoretisches Modell hilft außerdem der Pflanzenzüchtung bei der Entscheidung, welche Sauerstoffkonzentration und Temperatur in Gewächshäusern eingestellt werden sollten, um die Pflanzen dazu zu bringen, sich schneller in ertragreichere Sorten zu entwickeln“, so Professor Lercher. Langfristig könnte man aber auch gezielt nachhelfen: Gerade der erste, langsamste Evolutionsschritt könnte mit gentechnischen Verfahren erfolgen. Die nächsten schnelleren Schritte können dann über herkömmliche Züchtungverfahren gelingen. 

„Wir können theoretisch Vorhersagen treffen, wie lange eine künstliche Evolution dauern könnte“, so Professor Lercher. In der Natur dauern solche Prozesse oft mehrere Millionen Jahre. Ob sie sich unter künstlichen Bedingungen auf einen für Menschen relevanten Zeitraum verkürzen lassen, bleibt abzuwarten.

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