Des einen Freud, des andern Leid

Wenn Pflanzen sich schneller an veränderliche Lichtbedingungen anpassen, dann könnten sie dadurch mehr Biomasse produzieren, mehr Ertrag liefern, vielleicht also mehr Menschen ernähren? Experiment aus dem Jahr 2016 an Tabakpflanzen schienen das zu beweisen. Jetzt zeigt sich: Das Prinzip ist nicht so leicht auf andere Pflanzen übertragbar. Arabidopsis schadet es sogar.

Licht und Schatten liegen nah beieinander, das kann jede Feldpflanze bestätigen. Kaum ziehen Wolken auf oder raschelt der Wind durch die Blätter, schon ändert sich für jedes einzelne Blatt die Lichtintensität. Immer wieder, den ganzen Tag. Pflanzen, genauer gesagt die Chloroplasten, müssen sich beständig an diese verändernden Bedingungen anpassen.

„Wenn Pflanzen zu viel Lichtenergie aufnehmen, dann kann das zur Entstehung von reaktiven Sauerstoffspezies führen, die Proteine oder das Erbgut der Pflanze schädigen“, sagt Dario Leister, Professor für Molekulare Pflanzenbiologie an der Ludwigs-Maximilians-Universität München. Vergleichbar ist das mit der Strahlenkrankheit bei Menschen. Deshalb wird überschüssige Lichtenergie, die nicht im Photosyntheseapparat verwertet werden kann, als Wärmestrahlung abgegeben. Dieser Prozess heißt nicht-photochemisches Quenching (NPQ).

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Zu schön, um wahr zu sein

Im Jahr 2016 zeigten Wissenschaftler, dass Tabakpflanzen mit nur drei veränderten Genen sich wesentlich schneller auf wechselnde Lichtverhältnisse einstellen können. Etwa 15 Prozent mehr Biomasse produzierten diese Pflanzen dadurch. Damals hieß es, dieses Prinzip sei auf alle agronomisch wichtigen Pflanzen übertragbar, denn die veränderten Stoffwechselwege kommen in allen Blütenpflanzen vor. Es klang wie eine Blaupause zur Versorgung der wachsenden Weltbevölkerung mit Nahrungsmitteln.

„Die Idee ist schlau, aber es klang einfach zu gut, um wahr zu sein“, erinnert sich Dario Leister. „Wenn die Veränderung von nur drei Genen das Wachstum dermaßen ankurbelt, warum ist die Evolution da nicht schon von selbst darauf gekommen? Die Veränderung der Photosynthese von C3 zu C4 ist viel komplexer und trotzdem ist das in der Natur gleich mehrfach passiert.“

Arabidopsis-Ergebnisse widersprechen denen

Gemeinsam mit seinem Kollegen Antoni Garcia-Molina hat er das gleiche Set von drei Genen in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana verändert. Dadurch konnten sich die Pflanzen ebenfalls wesentlich schneller an wechselnde Lichtbedingungen anpassen. Dann ließen sie die Pflanzen in Klimakammern bei schwankenden Lichtverhältnissen wachsen. Die Experimente zeigten, dass die Arabidopsis-Pflanzen mit den veränderten Genen sogar schlechter wuchsen als die Wildtyp-Pflanzen.

Ein Grund könnte sein, dass der verbesserte Schutz vor hoher Lichtintensität andere wichtige Mechanismen stört. Möglich wäre auch, dass die Pflanze mit den vielen zusätzlichen Energiemolekülen und Stoffwechselprodukten überfordert ist und sie nicht für ihr Wachstum nutzen kann. „Pflanzenzellen sind so komplex, wenn man an einer Schraube dreht, ändert sich das ganze System“, sagt Leister. „Es ist daher wichtig, alle Zusammenhänge zu verstehen.“

Adaptive Laborevolution soll Abhilfe schaffen

Der Biologe verfolgt daher einen anderen Ansatz, um herauszufinden, wie man Pflanzen zu einer effizienteren Photosynthese verhelfen könnte. Er nutzt dazu Cyanobakterien, die Vorläufer der Chloroplasten. Im Labor hat er sie immer höheren Lichtintensitäten ausgesetzt und es dadurch geschafft, sogenannte Hochlicht-resistente Cyanobakterien zu erzeugen. „Sie vertragen 50 Prozent mehr Sonnenlicht, als zur Mittagszeit am Äquator auf die Erde trifft“, berichtet Leister. Schaut man sich das Erbgut dieser Bakterien an, dann fällt auf, dass es vor allem Punktmutationen sind, die diese Veränderung ermöglicht haben. „Es handelt sich dabei um Funktionsveränderungen von Proteinen, nicht um eine Überexpression“, so Leister. Sobald die Gene in Cyanobakterien identifiziert sind, könnte man versuchen, sie auch in den Chloroplasten von Landpflanzen zu verändern.