Bypass-OP unter Sonnenschein

27 % mehr Ertrag durch optimierte Photosynthese

27.02.2019 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Reis ist für die Hälfte der Weltbevölkerung das wichtigste Grundnahrungsmittel. (Bildquelle: © Pixabay/CC0)
Reis ist für die Hälfte der Weltbevölkerung das wichtigste Grundnahrungsmittel. (Bildquelle: © Pixabay/CC0)

Reis ist eines der wichtigsten Grundnahrungsmittel. Schätzungen gehen von einem steil ansteigenden Bedarf in den nächsten Jahrzehnten aus, vor allem in Schwellenländern. Um Schritt zu halten, arbeiten Forscher und Züchter deshalb an ertragreicheren Sorten.

Der Ertrag ist bei allen Kulturpflanzen eines der wichtigsten Züchtungsziele. Bei bedeutenden Nutzpflanzen wie Mais (Zea mays), Weizen (Triticum aestivum) oder Reis (Oryza sativa), steigt die Wachstumskurve für diese Eigenschaft seit Jahren aber kaum noch an. Weltweit wird daran gearbeitet, diese Stagnation zu durchbrechen. Ein Ansatz ist die Optimierung der Photosynthese. Nun haben Forscher eine neue Methode entwickelt, mit der sich die Erträge bei Reis deutlich steigern lassen.

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Wildreis (links) und drei GOC-Reislinien, die sich in der Größe deutlich abheben.

Wildreis (links) und drei GOC-Reislinien, die sich in der Größe deutlich abheben.

Quelle: © Shen and Wang et al./Molecular Plant

Pflanzen sind nicht perfekt

Die Methode setzt an einer Schwachstelle der Photosynthese an, bei der bekanntlich Wasser und Kohlenstoffdioxid (CO2) unter Lichteinfluss in energiereiche Moleküle verwandelt werden. Das Problem beginnt mit dem Sauerstoff (O2), der als Nebenprodukt entsteht. Dieser reagiert mit dem RuBisCo-Protein, das eine wichtige Rolle bei der Photosynthese spielt. Das Enzym baut das CO2 zu energiereichen Verbindungen um.

Probleme bei der Kohlenstoffbilanz

Das Heikle daran ist, dass durch die Oxygenasefunktion von RuBisCo auch Glykolat entstehen kann (Photorespiration). Weil Glykolatfür Pflanzen giftig ist, müssen sie parallel zur Photosynthese eine Art Recycling zu betreiben. Dieser Stoffwechselweg, auch Glykolatweg genannt, ist für die Kohlenstoffbilanz jedoch unvorteilhaft. Er bindet Energien und Ressourcen, die anderweitig eingesetzt werden könnten. Zum Beispiel zur Erhöhung des Ertrags. Hier sei aber darauf hingewiesen, dass der Glykolatweg keineswegs nutzlos ist. Er dient z. B. zur Herstellung der Aminosäuren Glycin und Serin.

Alle guten Dinge sind drei

Die neue Methode reduziert den Energieaufwand durch eine Abkürzung des Recyclings. Das Kürzel GOC steht für die Anfangsbuchstaben der drei Enzyme, die dabei nacheinander zum Einsatz kommen: Glykolat-Oxidase, Oxalat-Oxidase und Catalase. Zuerst „schnappt“ sich die Glykolat-Oxidase das Glykolat, das dann zu Oxalat oxidiert. Anschließend verwandelt die Oxalat-Oxidase das Oxalat in CO2 und Wasserstoffperoxid (H2O2). Zu guter Letzt spaltet die Catalase das Wasserstoffperoxid in Sauerstoff und Wasser auf. Am Ende ist das Glykolat abgebaut und es steht mehr CO2 für die Photosynthese zur Verfügung.

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Modell des RuBisCo-Proteins. Es ist das zentrale Protein der Photosynthese. Nur dieses Enzym ist in der Lage, Kohlendioxid (CO2) in die Nahrungskette einzuschleusen.

Modell des RuBisCo-Proteins. Es ist das zentrale Protein der Photosynthese. Nur dieses Enzym ist in der Lage, Kohlendioxid (CO2) in die Nahrungskette einzuschleusen.

Quelle: © Ericlin1337/Wikimedia.org/CC BY-SA 4.0

Beitrag zur Welternährung

Die Forscher betonen, dass es sich bei den GOC-Enzymen um arteigene Proteine handelt. Die zur Produktion erforderlichen Gene platzierten sie außerdem nicht in dem im Zellkern befindlichen Erbgut, sondern direkt in den Chloroplasten (Plastidentransformation).

Die Forscher sind überzeugt: „Im Zuge des weltweiten Bevölkerungswachstums steigt auch das Risiko der Lebensmittelknappheit. Mit unserer Studie möchten und können wir einen Beitrag leisten, dieses Problem zu bekämpfen“, erklärt Xin-Xiang Peng. Mit Hilfe ihrer Methode konnten Peng und seine Kollegen die Photorespirationsrate um 18-31 % reduzieren und die Photosynthese um 15-22 % erhöhen.

Im dreijährigen Feldversuch setzten sich die GOC-Reislinien im Vergleich zum Wildreis gleich in mehreren Merkmalen ab: Ertrag (+ 7-27 %), Bestockung (+ 14-20 %), Wuchshöhe (+ 9-17 %), Blattbreite (+ 6-13%), Rispenlänge (+ 3-14 %), Zahl der Körner pro Rispe (+ 10-30 %), Trockengewicht (+ 14-35 %). Auch der Chlorophyllgehalt war erhöht, ebenso wie der Stärkeanteil in den Reiskörnern.

Ertrag ist nicht alles

Ob sich die ertragreichere Reispflanze am Ende durchsetzen wird, hängt am Ende aber nicht nur vom Ertrag ab. Das weiß auch Peng: „Obwohl wir nicht davon ausgehen, müssen wir uns natürlich als nächstes anschauen, ob und inwiefern sich die Nährstoffzusammensetzung und der Geschmack verändern.“ Er und seine Kollegen arbeiten nun daran, ihre Methode zu optimieren und an anderen Reissorten zu testen. In Zukunft sollen aber auch andere Pflanzenarten folgen, z. B. Kartoffeln.

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