Effiziente Schönheiten

Forscher untersuchen die genetischen Mechanismen hinter der Entwicklung der CAM-Photosynthese. Für ihre Studien nutzten sie Orchideen als Modellsystem.

Pflanzen, die auch in ariden Gebieten hohe Erträge bringen, weil sie mit wenig Wasser auskommen können, werden in Zukunft im Hinblick auf den Klimawandel dringend benötigt. Solche Pflanzen würden viele Probleme in Bezug auf die Versorgung mit Nahrungsmitteln lösen. Vorbild für diese Pflanzen der Zukunft sind die sogenannten CAM-Pflanzen, die dank ihrer zeitlich getrennten Photosynthese effektiv Wasser sparen und so in sehr trockenen Gebieten überleben können. Forscher haben sich jetzt mit den genetischen Mechanismen hinter der CAM-Photosynthese auseinandergesetzt, um diese besser zu verstehen und damit für zukünftige Züchtungen nutzbar zu machen.

Besonderheiten der CAM-Photosynthese

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Die CAM-Photosynthese (CAM = Crassulacean Acid Metabolism) ist eine Form der Photosynthese, in der die CO₂-Fixierung und der Calvin-Zyklus zeitlich getrennt ablaufen. Da für die Fixierung von CO₂ die Stomata geöffnet sein müssen und dabei immer auch ein Wasserverlust durch Transpiration auftritt, wird dieser Vorgang bei den CAM-Pflanzen in die Nacht verlegt. Tagsüber bleiben die Stomata geschlossen und das in der Nacht als Phosphoenolpyruvat (PEP) fixierte CO₂ wird tagsüber frei gesetzt und im Calvin-Zyklus genutzt. CAM-Pflanzen können so bis zu 80 Prozent des Wasserverbrauchs von C3-Pflanzen einsparen. Diese sehr gute Wassernutzungseffizienz (Water Use Efficiency, WUE) ermöglicht ihnen das Überleben selbst in Wüsten.

Dieser hocheffiziente Weg der Photosynthese ist natürlich auch für die Landwirtschaft interessant. Daher erhoffen sich die Forscher von der Untersuchung verschiedener CAM-Pflanzen Aufschluss über ihre Entstehung, ihre genetischen Regulationsmechanismen und wie man diese Erkenntnisse für die Züchtung von Nutzpflanzen mit niedrigem Wasserverbrauch verwenden kann. Dazu untersuchten sie eine Pflanzenfamilie, in der die CAM-Photosynthese weit verbreitet ist: die Orchideen.

Was wird wann aktiviert

Die Orchideen (Orchidaceae) sind mit etwa 25.000 Arten eine der größten Pflanzenfamilien der Welt. Bei über 10.000 Orchideen-Arten vermutet man CAM-Photosynthese. Um Aufschluss über die Entwicklung der Photosynthese zu gewinnen, verglichen die Forscher die Transkriptome (alle zu einem bestimmten Zeitpunkt von der DNA in RNA umgeschriebene Gene) von 13 ausgewählten Arten aus fünf Subfamilien der Orchideen sowie zwei bekannte Orchideen-Genome (von Phalaenopsis equestris und Dendrobium catenatum), um zu beobachten, welche Gene der verschiedenen Arten bei der CO₂-Fixierung aktiviert wurden. Von drei CAM-Pflanzen wurden zudem jeweils am Tag und in der Nacht Transkriptom-Muster erstellt, um festzustellen, welche Gene wann transkribiert wurden. So konnten die Forscher anhand der zeitlichen Unterschiede klären, welche Gene für die nächtliche CO₂-Fixierung genutzt wurden.

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Vier „Nachtarbeiter“

Dabei zeigte sich, dass besonders das Gen der Phosphoenolpyruvat-Carboxylase 1 (PPC1), einem Schlüsselenzym in der CO₂-Fixierung bei C4- und CAM-Pflanzen, in der Nacht zusammen mit drei weiteren wichtigen Enzymen stark exprimiert wurde, während die Genexpression am Tage deutlich zurück ging. Die Forscher schlossen daraus, dass das Gen der PPC1 in der Pflanze möglicherweise speziell für die CAM-Photosynthese verwendet wird. Weiterhin zeigte sich, dass die PPC-Gene von C4 und CAM eng verwandt sind. Allerdings führte bei den C4-Pflanzen zwei Mutationen (eventuell durch Genduplikation) des PPC-Gens zur erhöhten Aktivität bei der CO₂-Fixierung. Diese Mutationen konnten bei der CAM-PPC nicht nachgewiesen werden, was darauf hinweist, dass sich die CO₂-Fixierungen beider Photosynthesewege evolutionsgeschichtlich unabhängig voneinander entwickelt haben.

Die drei anderen, ebenfalls in der Nacht exprimierten Kinasen, die PEP-Carboxlase-Kinase (PPCK) 1 und 2 sowie die Pyruvat-Orthophosphat-Dikinase (PPDK), sorgten offenbar dafür, dass die PPC1 kontinuierlich phosphoryliert wurde und so ihre Arbeit verrichten konnte. Diese Co-Expression werten die Forscher als Hinweis, dass sich die CAM-Photosynthese möglicherweise dadurch entwickeln konnte, weil die zeitgleich exprimierten Kinasen die Aktivität der PPC1 verbesserten und effizienter machten. Die Forscher vermuten zudem, dass das CO₂ in der Dunkelheit, zumindest bei den Orchideen, sogar durch zwei Wege, nämlich über die PPCK und PPDK fixiert wird.

Veränderung der Gen-Regulation

Die Forscher gehen daher davon aus, dass sich die CAM-Photosynthese nicht durch Mutation, sondern primär durch eine Veränderung in der Genregulation entwickelt hat. Für die Züchtung von Pflanzen mit verbesserter Wassernutzungseffizienz müsste daher gezielt in die Genregulation wichtiger CO₂-fixierender Proteine eingegriffen werden. Besonders die Gene der PPC1, der PPCK1 sowie der PPDK müssten hierfür noch genauer untersucht werden, um zu verstehen, wie sich die Genregulation genau verändert hat und wie man diese Erkenntnisse auf andere Pflanzen übertragen kann. Mit der vorliegenden Arbeit wurde ein wichtiger Schritt in diese Richtung beschritten.