Die Evolution von C4-Pflanzen vorhersagen

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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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.“ 

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.