„Super“-Photosynthese

Durchbruch für mehr Nahrungssicherheit?

08.01.2019 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Vier unveränderte Pflanzen (links) wachsen neben gentechnisch modifizierten Pflanzen (rechts), in denen die energieaufwändige Photorespiration durch neue Stoffwechselwege reduziert wurde. (Bildquelle: © Claire Benjamin/RIPE Project)
Vier unveränderte Pflanzen (links) wachsen neben gentechnisch modifizierten Pflanzen (rechts), in denen die energieaufwändige Photorespiration durch neue Stoffwechselwege reduziert wurde. (Bildquelle: © Claire Benjamin/RIPE Project)

Wissenschaftler haben den Photosynthese-Stoffwechsel von Pflanzen gentechnisch so umgebaut, dass sie schneller wachsen und 40 Prozent mehr Biomasse produzieren. Ist das der Schlüssel zur Ernährung der stetig wachsenden Weltbevölkerung?

Vor etwa zweihundert Jahren begann die Weltbevölkerung beträchtlich anzuwachsen. Von etwa 1800 bis 1925 verdoppelte sie sich von etwa einer auf zwei Milliarden, im Jahr 1960 lebten bereits mehr als 3 Milliarden Menschen auf der Erde. Dann ging es immer schneller: 1974 4 Milliarden, 1987 6 Milliarden, 2011 7 Milliarden Menschen. Vermutlich im Jahr 2023 werden mehr als 8 Milliarden Menschen die Erde bevölkern. 9 Milliarden Menschen erwarten Wissenschaftler bis zum Jahr 2035.

Unter 2 Prozent Ertragssteigerung pro Jahr

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Die Wissenschaftler Don Ort (links), Paul South (Mitte) und Amanda Cavanagh (rechts) untersuchen, wie gut ihre auf Umgehung der Photorespiration modifizierten Pflanzen neben nicht modifizierten Pflanzen unter realen Bedingungen funktionieren.

Bildquelle: © Claire Benjamin/RIPE Project

Seit der Grünen Revolution in den 1960er Jahren verzeichnete die Landwirtschaft keine größeren Ertragssteigerungen mehr. Laut den Forschern Marion Eisenhut und Andreas Weber von der Universität Düsseldorf liegen die Ertragszuwächse bei Nutzpflanzen derzeit bei unter 2 Prozent pro Jahr. Dieser Umstand wirft die die Frage auf: Wie lange können wir uns noch ausreichend ernähren? Wissenschaftler haben daher den Stoffwechsel von Pflanzen gentechnisch so verändert, dass sie schneller wachsen und 40 Prozent mehr Biomasse erzeugen.

Hoher Energieverlust durch „Fehler“ von RuBisCO

Für ihr Wachstum und ihre Entwicklung benötigen Pflanzen neben Nährstoffen nur Wasser, Sonnenlicht und Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre. Als Abfallprodukt produzieren sie Sauerstoff, den wir Menschen und Tiere zum Atmen brauchen. Die pflanzliche Photosynthese ist damit unerlässlich für das Leben auf der Erde. Doch trotz seiner Relevanz ist der Prozess bei C3-Pflanzen fehlerbehaftet. Etwa bei jedem 5. Arbeitsschritt macht das zentrale Enzym der Photosynthese einen Fehler. Dann nimmt die Ribulose-1,5-bisphosphat-carboxylase/-oxygenase (RuBisCO) statt CO2 Sauerstoff auf. Dieser Fehler kostet die Pflanze viel Energie, denn das giftige Glykolat, das durch die Sauerstoffaufnahme entsteht, muss durch die Lichtatmung wieder abgebaut werden.

Lichtatmung mit Fremdgenen optimiert

Wissenschaftler haben Gene in der Tabakpflanze nun so verändert, dass die Lichtatmung wesentlich energieärmer und kürzer verlief. Tabak dient in der Pflanzenforschung als Modellpflanze, weil die Pflanze in kurzer Zeit wächst und zahlreiche Samen produziert. Zum anderen ist Tabak bereits eine etablierte Kulturpflanze und die mit dieser Pflanze erzielten Ergebnisse können so leichter auf andere Kulturpflanzen übertragen werden.

Zum Umbau der Lichtatmung testeten die Forscher verschiedene Gene aus Escherichia coli und dem Riesenkürbis (Cucurbita maxima), sowie einer Grünalgen-Art (Chlamydomonas reinhardtii). Insgesamt überprüften die Forscher so 17 verschiedene Stoffwechselvarianten der Lichtatmung beim Tabak - bis sie die effektivste Variante ausfindig gemacht hatten.

Blockade von Transportprotein lässt Lichtatmung nur in Chloroplasten stattfinden

Den natürlichen Stoffwechselweg der Lichtatmung legten die Wissenschaftler dabei mit der RNA-Interferenz still. Normalerweise nutzt die Pflanze für die Lichtatmung verschiedene Zellorganellen, unter anderem auch die Chloroplasten. Über die Blockade eines Transportproteins konnten die Forscher bewirken, dass die Lichtatmung ausschließlich in den Chloroplasten stattfindet. Auf diese Weise entstehen in der Pflanze weniger giftige Nebenprodukte. In der Folge verbraucht die Pflanze weniger Energie für die Lichtatmung. Die überschüssige Energie kann die Pflanze für ein schnelleres Wachstum nutzen.

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Luftaufnahme der Feldversuche aus dem Jahr 2017: Die Wissenschaftler fanden heraus, dass ihre modifizierten Pflanzen etwa 40 Prozent produktiver sind.

Bildquelle: © James Baltz/College of Agricultural, Consumer and Environmental Sciences

Im Feldversuch 41 Prozent mehr Biomasse

Das Verfahren funktionierte nicht nur im Gewächshaus, sondern auch bei Feldversuchen in der freien Natur. Nach der Ernte trockneten die Wissenschaftler die Pflanzen und verglichen ihr Gewicht: Die gentechnisch veränderten Pflanzen produzierten durchschnittlich 41 Prozent mehr Biomasse als die naturbelassenen Pflanzen.

Mehr Biomasse bedeutet höhere Erträge. Konkret bedeutet das: „Wir könnten bis zu 200 Millionen Menschen mehr ernähren mit den Kalorien, die alleine im Mittleren Westen der USA durch Photorespiration verloren gehen“, so Studienleiter Donald Ort.

Nicht an der Studie beteiligte Wissenschaftler sehen ebenfalls großes Potenzial in den neuen Pflanzen: „Der Syntheseweg birgt das Potenzial für einen Entwicklungssprung bei der Ertragsverbesserung durch genetische Veränderung von Kulturpflanzen“, kommentierten die Forscher Marion Eisenhut und Andreas Weber von der Universität Düsseldorf die Forschungsarbeit ihrer Kollegen.

Technik auf andere Nutzpflanzen übertragbar

Die in Tabak etablierte Technik lässt sich auch auf andere Nutzpflanzen übertragen. Aktuell arbeiten die Forscher an Ertragssteigerungen bei Sojabohnen, Augenbohnen, Reis, Kartoffeln, Tomaten und Auberginen. Die Wissenschaftler planen, ihre gentechnisch veränderten Pflanzen später einmal Kleinbauern in verschiedenen Regionen der Welt gratis zur Verfügung zu stellen.

Während gentechnisch veränderte Pflanzen in den USA bereits weitgehend gesellschaftlich akzeptiert sind, lehnen die meisten Menschen in Europa die Gentechnik grundsätzlich ab. Die Gründe dafür sind vielfältig. Neben den ungewissen Folgen für die Umwelt befürchten viele Gentechnikgegner auch eine mögliche Abhängigkeit der Bauern von den Saatguterzeugern. Ob gentechnisch veränderte Pflanzen daher ein geeignetes Mittel sind, um die wachsende Weltbevölkerung mit ausreichend Nahrung zu versorgen, ist hierzulande noch Gegenstand kontroverser Diskussionen.

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