Vergleichende Photosyntheseforschung

Immer mehr Menschen wollen ernährt werden. Zeitgleich stellt der Klimawandel Landwirte vor große Herausforderungen. Wissenschaftler weltweit arbeiten daran, die Unterschiede von C3- und C4-Pflanzen aufzuklären und besser zu verstehen, um wichtige Grundnahrungspflanzen wie Weizen und Reis auf heißere und trockenere Bedingungen vorzubereiten.

Das Klima auf der Erde verändert sich – und mit ihm der Ertrag unserer Nutzpflanzen. Gleichzeitig wächst mit steigenden Bevölkerungszahlen auch die Nachfrage nach Grundnahrungsmitteln. Daher werden in den kommenden Jahrzehnten vor allem diejenigen Nutzpflanzen an Bedeutung gewinnen, die optimal an die sich verändernden Umweltbedingungen angepasst sind.

Die meisten Pflanzen sind C₃-Pflanzen

#####1#####

Die klimatischen Bedingungen auf der Erde haben sich schon immer verändert. Als vor vielen Millionen Jahren noch viel CO₂ in der Atmosphäre vorhanden war, entwickelten sich die sogenannten C₃-Pflanzen. Diese Pflanzen verdanken ihren Namen dem ersten Molekül, das bei ihrer Kohlenstofffixierung entsteht, nämlich ein Molekül mit 3 Kohlenstoff-Atomen mit den Namen 3-Phosphoglycerat. Die meisten Pflanzen gehören zu den C₃-Pflanzen, wie beispielsweise die zwei weltweit wichtigsten Nutzpflanzen Weizen und Reis. Doch die Photosynthese der C₃-Pflanzen ist nur in gemäßigtem Klima effektiv.

Wenn’s heiß wird, besser C4

Vor 25 bis 32 Millionen Jahren hat sich aufgrund des sinkenden CO₂-Gehalts in der Atmosphäre eine weitere Form der Photosynthese entwickelt, die C4-Photosynthese bzw. die C4-Pflanzen. Statt des 3-Phosphoglycerats wird hier bei der CO₂-Fixierung eine Verbindung mit vier Kohlenstoffatomen namens Oxalacetat gebildet. Weil diese Art der Kohlenstofffixierung in tropischen und subtropischen Klimaverhältnissen effektiver ist als die C₃-Photosynthese, findet man in diesen Klimazonen auch die meisten C₄-Pflanzen. Dazu gehören auch wichtige Kulturpflanzen, unter anderem Mais, Zuckerrohr und Hirse.

Bei höheren Temperaturen ist die C₄-Photosyntese der C₃-Variante überlegen. Das liegt daran, dass C₄-Pflanzen im Unterschied zu den C₃-Pflanzen auch bei geschlossenen Spaltöffnungen weiterhin Photosynthese betreiben können. Sie gehen mit der Ressource Wasser sparsamer um, ohne dabei Leistungsfähigkeit bei der Photosynthese einzubüßen. Ermöglicht wird dies dadurch, dass der Photosynthese-Prozess, anders als bei C₃-Pflanzen, in zwei voneinander getrennten Zelltypen abläuft und die Pflanze so selbst geringste Mengen CO₂ für die Photosynthese nutzen kann. In unseren Breiten hingegen ist die C₃-Photosynthese der effektivere Prozess, um CO₂ in Energie umzuwandeln.

Unter genetischen Gesichtspunkten sind die C3- und C4-Photosynthese gar nicht so weit von einander entfernt. Lehrbücher betrachten vor allem den biochemischen Prozess, vernachlässigen aber die genetische Basis, über die wir dank der Genomforschung neue Erkenntnisse besitzen. Die Trennung zwischen C3- und C4-Pflanzen verläuft weniger eindeutig als in diesen Büchern angenommen wird. Bündelscheiden, eine morphologische Besonderheit der C4-Pflanzen, gibt ist nicht nur bei diesen Pflanzen. Evolutionär betrachtet, wurde das genregulatorische System für die C4-Photosynthese bereits in den C3 Pflanzen angelegt. Es ist somit viel älter als es die C4-Pflanzen sind. So gibt es auch Pflanzengruppen, wie zum Beispiel Pflanzen aus der Gattung Flaveria, in denen die Übergänge von Pflanzen mit C3- und C4-Photosynthese fließend sind.    

#####2#####

Prozesse verstehen, um Erträge zu sichern

Um die Nahrungsgrundlage der Menschen auch in Zukunft sichern zu können, arbeiten Wissenschaftler daran, beide Photosynthese-Formen in ihren Steuerungselementen besser zu verstehen. Eine Vision der Forscher ist es, den C₃-Nutzpflanzen die Fähigkeit von C₄-Pflanzen zu übertragen, sodass hohe Erträge auch bei sich verändernden klimatischen Verhältnissen sichergestellt werden können.

Wissenschaftler des Max Planck Instituts für Molekulare Pflanzenphysiologie in Golm (MPI-MP) haben nun in einer internationalen Zusammenarbeit die Blätter, den Ort der Photosynthese, von Reis- (C₃) und Mais (C₄)-Pflanzen genauer untersucht. Dabei haben die Wissenschaftler die Metaboliten und die Genexpression während der Entwicklung der Blätter beider Pflanzen analysiert. „Wir haben die Blätter in mehrere Zonen unterteilt, um Informationen über ihre verschiedenen Entwicklungsstadien zu gewinnen, von altem Gewebe an der Blattbasis bis zu ganz jungem an der Spitze der Blätter“, erklärt Dr. Alisdair Fernie vom MPI-MP die Vorgehensweise. Mit einer eigens dafür entwickelten, statistischen Methode konnten die Forscher ihre Gradienten-Messdaten aus Mais und Reis miteinander vergleichen. „Gemeinsam konnten wir verschiedene Faktoren in den Blättern identifizieren, die wahrscheinlich an der Steuerung der Photosynthese beteiligt sind“, so Dr. Fernie. Bei den genetischen Faktoren handelte es sich um unterschiedliche Cis-Elemente und Transkriptionsfaktoren. „Diese Faktoren scheinen ausschlaggebend dafür zu sein, ob die Pflanze C₃- oder C₄-Photosynthese betreibt. Außerdem konnten wir Unterschiede im Kohlenstoff- und Stickstoffstoffwechsel von C₃- und C₄-Pflanzen feststellen“, schreiben die Wissenschaftler.

„Daten frei“ für andere Forscher

Ihre gewonnenen großen Datenmengen stellen die Forscher anderen Wissenschaftler im Internet zur freien Verfügung. „Unsere Daten können als Quelle für neue Forschungsarbeiten zur Photosynthese genutzt werden“, so Prof. Dr. Stitt, einer der beteiligten Forscher am Potsdamer Max-Planck-Institut. „Diese Forschung bildet eine Grundlage zur Verbesserung der Kohlendioxidfixierung in unseren Nutzpflanzen und hilft auch in Zukunft die landwirtschaftlichen Erträge zu sichern.“ Doch bis dahin ist es noch ein weiter Weg. Die freie Verfügbarkeit der Ergebnisse soll vielen Wissenschaftler weltweit helfen, mit neuen Ideen und Konzepte weiter daran zu arbeiten.