Photosynthese Tuning

In den nächsten 35 Jahren wird die Weltbevölkerung auf 9,5 Milliarden Menschen wachsen. Um für alle ausreichend Nahrung zu produzieren, müssen neue Methoden her – und zwar schnell. Herkömmliche Stellschrauben sind nahezu ausgereizt. Fast die gesamte Biomasse auf der Erde hängt von einem Stoffwechselweg ab – der Photosynthese. Ohne Photosynthese gäbe es kein Leben, wie wir es kennen. Im Vergleich zu anderen technischen Prozessen ist die Photosynthese mit Wirkungsgraden im unteren Prozentbereich jedoch kein effizienter Prozess ist (je nach Pflanzenart 1 bis 8 Prozent). Daher arbeiten Wissenschaftler daran, die Photosynthese auf molekularer Ebene besser zu verstehen, um die Photosynthese-Rate von Pflanzen zu erhöhen.

Die mengenmäßig für die Welternährung wichtigsten Pflanzen sind Reis, Mais, Weizen und Soja. Zwei Drittel aller weltweit aufgenommenen Kalorien stammen von diesen vier Pflanzen. Seit 1960 hat sich die durchschnittliche Ernte der vier Hauptnahrungspflanzen verdoppelt. Doch die Erträge von Nutzpflanzen lassen sich mit herkömmlichen Methoden nicht endlos steigern. Theoretisch reiche die produzierte Nahrungsmittelmenge heute für alle Menschen aus. Mangelhafte Ernährung ist zwar schon seit Jahren ein Thema, mit dem viele Menschen zu kämpfen haben. Das sei aber bisher eher ein Verteilungsproblem als ein Produktionsproblem, schreiben die Autoren einer aktuellen Studie.

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Urbaner Lebensstil erschwert Welternährung

Bis zum Jahr 2050 wird die Weltbevölkerung um weitere 35 Prozent von heute 7 Milliarden auf 9,5 Milliarden ansteigen. Dazu kommen veränderte Ernährungsgewohnheiten: Laut Prognosen werden die meisten Menschen in und um Großstädten leben und sich „urban“ ernähren. Das bedeutet, dass der Großteil der Menschen neben Pflanzen auch Fleisch und Milchprodukte fest in ihren Speiseplan integriert haben werden. Das setzt die Nahrungsmittelproduzenten zusätzlich unter Druck. Denn um ein 1 Kilogramm Fleisch zu erzeugen, benötigt ein Landwirt etwa 10 Kilogramm pflanzliches Futter. Experten schätzen, dass die Welt im Jahr 2050 ganze 85 Prozent mehr pflanzliche Nahrungsmittel erzeugen muss als im Jahr 2013. Wird das überhaupt machbar sein? Und wenn ja, wie?

Stephen Long, ein aus England stammender, führenden Pflanzenforscher in den USA, und seine Kollegen sind in dieser Beziehung pessimistisch: „Selbst wenn die derzeitigen Steigerungsraten für Ernteerträge bis zum Jahr 2050 beibehalten werden können, wird das bei Weitem nicht ausreichen, um alle Menschen mit Nahrungsmittel zu versorgen“, schreiben sie in ihrer aktuellen Studie.

Computer-animierte Photosynthese-Modelle sollen Schwachstellen aufzeigen

Das Problem wollen Long und seine Kollegen lösen, indem sie die die Photosynthese-Leistung von Nutzpflanzen mit gentechnischen Methoden steigern. Das sei technisch schon machbar: „Wir kennen bereits heute jeden Schritt des Photosynthese-Vorgangs von C3-Pflanzen wie Soja und C4-Pflanzen wie Mais“, so Long. Am Computer wollen die Wissenschaftler die Photosynthese von Nutzpflanzen simulieren und so herausfinden, wo die limitierenden Stellen im Prozess liegen. Diese sollen mit Hilfe der Gentechnik dann behoben werden.

„Im Computermodell lässt sich die Photosynthese-Leistung von Nutzpflanzen um 60 Prozent verbessern, wenn man ein paar Gene hoch- und andere herunterreguliert. Das bedeutet, dass die Pflanze 60 Prozent mehr Kohlenstoff fixieren kann und dazu keine zusätzliche Quellen wie Stickstoff benötigt“, so Long.

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Hilfe von photosynthetischen Mikroben

Erste Erfolge, die Photosynthese-Rate zu steigern, gab es auch schon in der Praxis: „Unser Labor und andere Wissenschaftler haben bereits erfolgreich ein Gen aus Cyanobakterien in Nutzpflanzen integriert. Dadurch konnten wir die Photosynthese-Rate um 30 Prozent steigern“, so Long. Photosynthetische Mikroben können die Photosynthese in Pflanzen auch andersartig verbessern, berichten die Forscher. Manche dieser Bakterien und Algen enthalten Pigmente, die weit mehr Sonnenlicht einfangen können als das Chlorophyll aus Pflanzen. Wenn sich diese Pigmente auf Pflanzen übertragen lassen, könnte das ein weiterer Ansatzpunkt sein, wie sich die Photosynthese-Rate steigern lässt.

Rubisco tunen, Blätter transparenter machen

„Manche Wissenschaftler arbeiten auch daran, die effizientere C4-Photosynthese in C3-Pflanzen zu etablieren“, berichtet Long. Doch das sei aufwendig und kompliziert. „Ein weiterer, einfacherer Ansatz besteht darin, in Chloroplasten das System der Grünalgen einzubauen“, so Long weiter. Dadurch erhöhe sich die Aktivität des Enzyms Rubisco, das einen der wichtigsten Schritte bei der Umwandlung von atmosphärischem Kohlenstoffdioxid in pflanzliche Biomasse katalysiert.

Doch damit ist das Spektrum an Möglichkeiten, wie sich die Photosynthese-Rate verbessern lässt, noch lange nicht ausgeschöpft. Auch die Licht-Durchlässigkeit der Blätter ist eine Stellschraube, an der sich noch drehen lässt. Studien zufolge könnte es für die Photosynthese-Leistung hilfreich sein, die Transparenz der oberen Blätter von Kulturpflanzen etwas zu erhöhen, damit tieferliegende mehr Licht einfangen können. „Das nächste Ziel sollte nun eine Computer-Modellpflanze sein, an der man solche komplexen biologischen Wechselwirkungen simulieren kann", sagt Co-Autorin Amy Marshall-Colon.

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Hat die Natur geschlafen?

Doch warum hat eigentlich die Natur die Photosynthese nicht optimiert, wenn sie an so vielen Stellen noch ausbaufähig ist? Auf diese Fragen liefern die Wissenschaftler gleich zwei Antworten: 1. Selektiere die Evolution auf Fruchtbarkeit und Überleben und nicht auf Produktivität. 2. War die CO₂ Konzentration in den letzten 25 Millionen Jahren, als sich die Vorfahren unserer heutigen Nutzpflanzen entwickelten, gerade einmal halb so hoch wie heute. Zudem hat die CO₂-Konzentration erst in den letzten 100 Jahren dramatisch zugenommen. In diesem kurzen Zeitraum könnten sich Pflanzen nicht an die neuen Umweltbedingungen anpassen.

Auch uns bleibt nicht viel Zeit

Bei ihrem Vorhaben, Ernteerträge durch eine verbesserte Photosynthese-Rate zu steigern, sitzt den Forschern die Zeit im Nacken: “Wenn wir heute im Labor Erfolge erzielen, können Landwirte frühestens in 15 Jahren davon profitieren“, so Long. “Wir müssen heute an unseren Bedürfnissen in 30 Jahren arbeiten.” In Deutschland widmet sich das Exzellenzcluster für Pflanzenwissenschaften (CEPLAS) der Anpassungsfähigkeit von Pflanzen. Beteiligt sind die Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, die Universität zu Köln, das Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln und das Forschungszentrum Jülich.

Sollte es den Wissenschaftlern gelingen, die Ernteerträge von Pflanzen durch eine gentechnisch veränderte Photosynthese-Rate der rasant wachsenden Weltbevölkerung anzupassen, bleibt zumindest in einigen Teilen der Welt ein gravierendes Problem bestehen. Der Technik fehlt es an Akzeptanz in der europäischen Bevölkerung. Parallel zu den naturwissenschaftlichen Arbeiten müssen auch Wege erforscht und entwickelt werden, die Erkenntnisse und die Technologie in der Praxis zu nutzen.