Wachstumsturbo C4-Photosynthese

C₄-Pflanzen wie Mais und Zuckerrohr haben eine spezielle Blattstruktur, die ihnen eine besonders effiziente Photosynthese ermöglicht. Die Mechanismen dieser C₄-Photosynthese werden seit Jahren erforscht. Eine Vision ist es, C₃-Pflanzen wie Weizen und Reis ähnlich ertragreich, genügsam und hitzetolerant zu machen. Mit einem Gen aus der Maiswurzel ist die Forschung diesem Ziel nun ein Stück näher gekommen.

Mehr als die Hälfte der weltweiten Biomasseproduktion auf dem Land und ein Großteil unserer Nahrungsmittel stammt von Pflanzen, die C₄-Photosynthese betreiben. Diese Form der Photosynthese ist eine evolutionäre Anpassung an trockene und heiße Regionen. Bei Hitze und Trockenheit schließen Pflanzen ihre Spaltöffnungen, um Wasserverluste durch Transpiration zu vermeiden. Dies erschwert die CO₂-Aufnahme aus der Luft. C₃-Pflanzen, wie die wichtigen Kulturpflanzen Weizen und Reis, die an gemäßigtes Klima gewöhnt sind, büßen hierdurch Photosyntheseleistung ein – der Biomasseertrag sinkt. C₄-Pflanzen wie Mais, Hirse und Zuckerrohr haben einen Mechanismus entwickelt, um selbst geringste Mengen CO₂ effizient für die Photosynthese nutzbar zu machen. Sie können dadurch selbst bei hoher Sonneneinstrahlung, Hitze und Trockenheit sowie auf stickstoffarmen Böden schneller Biomasse aufbauen als C₃-Pflanzen.

Mit voranschreitendem Klimawandel und den Herausforderungen einer wachsenden Weltbevölkerung rückt die C₄-Photosynthese zunehmend stärker ins Blickfeld der Pflanzenforscher. Es wird geschätzt, dass eine Übertragung der C₄-Photosynthese auf C₃-Pflanzen die Erträge um bis zu 50 Prozent steigern könnte – bei sinkendem Bedarf an Wasser und Dünger und selbst in trockenen und heißen Regionen, die derzeit für den Anbau dieser Pflanzen nicht geeignet sind. 

Das Geheimnis der Kranzanatomie

Voraussetzung für eine solche „gentechnische Operation“ ist es, die genetischen und anatomischen Ursachen der sehr viel effizienteren C₄-Photosynthese besser zu verstehen. In Experimenten mit Maispflanzen hat ein Forscherteam nun ein wichtiges Puzzleteil dieses Mechanismus entschlüsselt.

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Die C₄-Photosynthese wird erst durch eine besondere Blattstruktur ermöglicht, die sogenannte Kranzanatomie: Dabei sind die Leitbündel in den Blättern von Bündelscheidenzellen umschlossen und diese wiederum kranzförmig von Mesophyllzellen umgeben.

Der Prozess der Photosynthese

In Pflanzen erleichtert das Enzym RuBisCo eine Reaktion, die Kohlendioxid aus der Luft aufnimmt. In C₃-Pflanzen ist RuBisCo zudem an einer konkurrierenden Reaktion mit Sauerstoff beteiligt, bei der ein Nebenprodukt entsteht, das abgebaut werden muss – bei diesem Abbauprozess gehen etwa 30-40 Prozent der Energie aus der Photosynthese wieder verloren. In C₄-Pflanzen erfolgt die Kohlendioxidfixierung in zwei Stufen, räumlich voneinander getrennt: Zunächst wird in den Mesophyllzellen CO₂ in Form einer C₄-Verbindung (Oxalacetat) vorfixiert. Da den Mesophyllzellen das für den Calvin-Zyklus notwendige Enzym RuBisCO fehlt, wird das vorfixierte CO₂ über Plasmodesmen in die Bündelscheidenzellen transportiert. Dort wird es dann im Calvin-Zyklus zu Glucose reduziert und assimiliert. In C₄-Pflanzen ist der RuBisCo-Schritt sehr effizient, weil in den Bündelscheidenzellen die Sauerstoffkonzentration niedrig und die Kohlendioxidkonzentration hoch ist. Dies beseitigt das Problem der konkurrierenden Sauerstoffreaktion, wodurch C₄-Pflanzen wesentlich effizienter Kohlendioxid zu Glucose umwandeln – vor allem bei Wassermangel.

Wurzelgene im Maisblatt

Die Wissenschaftler haben in ihren Experimenten festgestellt, dass die Bündelscheidenzellen in den Blättern von Maispflanzen den Endodermzellen ähneln, die das Gefäßgewebe in Wurzeln und Stämmen umgeben. Wie in der Wurzel wird auch in den Zellwänden der Bündelscheidenzellen das Auxin Efflux-Protein PIN exprimiert. Dies führte die Forscher zu der Annahme, dass diese Zelltypen in Blättern und Wurzeln auch von den gleichen Genen gesteuert werden könnten. Und tatsächlich konnten sie nachweisen, dass der Transkriptionsfaktor SCARECROW, der bisher für seine Aktivität in der Wurzel bekannt war, auch in den Blättern von Maispflanzen exprimiert wird. Dort steuert SCARECROW die Entstehung der Kranzanatomie. 

Komplexe Anpassung

Welche Rolle SCARECROW konkret für die Blattstruktur spielt, untersuchten die Forscher an Maislinien, in denen SCARECROW-Gene, die die Entodermzellen in den Wurzeln regeln, systematisch abgeschaltet wurden. Die Pflanzen zeigten nicht nur Deformationen in den Wurzeln. Sie hatten auch anormale Bündelscheidenzellen und unregelmäßige Adern. 

SCARECROW ist damit das erste Wurzelgen, dem die Wissenschaft eine entscheidende Rolle bei der Entstehung der speziellen Kranzanatomie von C₄-Pflanzen zuordnen kann. Diese Entdeckung lässt darauf schließen, dass die Anpassung der C₄-Pflanzen an arides Klima, Ergebnis eines komplexen Regelkreises ist, an dem auch Wurzelgene auf vielfältige Weise beteiligt sind. Die Forscher vermuten, dass die C₄-Photosynthese evolutionär durch eine Übertragung endodermaler Eigenschaften der Wurzeln auf die Blätter entstand. Dem Ziel, wichtige C₃-Kulturpflanzen wie Weizen und Reis durch eine Adaption der C₄-Photosynthese besser an den Klimawandel anzupassen und deutlich ertragreicher zu machen, ist die Forschung mit diesem Wissen vielleicht ein kleines Stück näher gekommen.