Neuer Weg zur Steigerung der Photosyntheseleistung
Kopplung von Photorespiration und C4-Stoffwechsel
Eines Tages sollen auch Sonnenblumen als wichtige europäische Ölpflanze eine effizientere Photosynthese betreiben können – mit Hilfe eines mikrobiellen Stoffwechselweges. (Bildquelle: © Ulrike Leone / Pixabay)
Um die hohen Energieverluste durch Photorespiration bei der Photosynthese zu vermeiden, haben Wissenschaftler:innen des EU-Forschungsprojektes Gain4Crops diesen Stoffwechselprozess mit einem bakteriellen C4-Stoffwechsel in der Modellpflanze Arabidopsis gekoppelt. Erste Ergebnisse zeigen, dass bei diesen Pflanzen über die Photorespiration nun kein Kohlenstoff, Stickstoff und keine Energie mehr abgeben wird.
Pflanzen haben ein grundsätzliches Problem: Den Sauerstoff in unserer Atmosphäre. Als die oxygene Photosynthese „erfunden“ wurde, war in der irdischen Atmosphäre noch kein Sauerstoff, reicherte sich dann aber zunehmend durch die Photosynthese an. An den heute hohen Sauerstoffgehalt ist aber das zentrale Enzym der Photosynthese, die Ribulose-1,5-diphosphat-Carboxylase („RuBisCO“) nicht gut angepasst. Denn es carboxyliert nicht nur sein Substrat Ribulose-1,5-bisphosphat, sondern oxigeniert es auch – je höher der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre, desto häufiger passiert es.
Photorespiration frisst Energie und Ressourcen
Die Folge: Die Kohlenstofffixierung steht in Konkurrenz mit der oxidativen Entstehung eines giftigen Metaboliten, dem Phosphoglykolat. Pflanzen schützen sich davor mit dem so genannten photorespiratorischen Zyklus (auch „Lichtatmung“ genannt) und setzen Phosphoglykolat unter hohem Energieaufwand in wieder verwertbare Stoffe um. Doch das ist nicht nur energieaufwendig, sondern führt auch zur Abgabe von Kohlendioxid und Stickstoff. Man geht davon aus, dass sich dadurch die theoretisch mögliche Effizienz der Photosynthese um mindestens 50 Prozent reduziert.
Das Team von Gain4Crops hat eine Lösung gefunden, um die Photorespiration und den C4-Stoffwechsel, zwei der wichtigsten Ansatzpunkte zur Verbesserung der Ernteerträge, miteinander zu verbinden. Diese Pflanzen verlieren keinen Kohlenstoff und Stickstoff mehr durch die Photorespiration.
Bildquelle: © Gain4Crops
Auf dem Weg zu einer nachhaltigeren Landwirtschaft
Pflanzenforscher:innen haben daher ein großes Ziel: Die Photorespiration quasi „abzuschaffen“, um im Pflanzenbau den Ertrag pro Fläche deutlich zu steigern. Darüber hinaus könnten Nutzpflanzen mit erhöhter photosynthetischer Effizienz dank ihrer stärkeren Klimatoleranz und ihres geringeren Ressourcenverbrauchs zu wertvollen Werkzeugen im Umgang mit dem Klimawandel werden.
Zwei Strategien galten bisher dazu als zielführend: Die Photorespiration durch die Einführung neuer Stoffwechselwege zu umgehen oder C3-Kulturpflanzen die C4-Photosynthese „beizubringen“. Denn die C4-Photosynthese hat den Vorteil, dass sie das Kohlendioxid in den Zellen aufkonzentriert. Durch das höhere CO2/O2-Verhältnis produziert die RuBisCO dann deutlich weniger Phosphoglycolat.
Neuer Ansatz: Kopplung von Photorespiration und C4-Stoffwechsel
Einen neuen Ansatz, der beides vereint, verfolgt das EU-Forschungsprojekt Gain4Crop. Das Team um Andreas Weber vom Institut für Biochemie der Pflanzen der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) und Tobias Erb vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie testete eine neue Umgehungsroute für die Photorespiration, die aus Bakterien stammt.
Beim mikrobiellen Beta-Hydroxy-Aspartat (BHAC)-Weg wird Glykolat zunächst zu Glyoxylat oxidiert, das in vier enzymatischen Schritten weiter zu Oxalacetat (OAA) umgewandelt wird. Bemerkenswert dabei ist, dass dieser Stoffwechselweg die direkte Bildung einer C4-Verbindung aus Glykolat ermöglicht und das ohne den Verlust von Kohlenstoff und Stickstoff. Dadurch ist der BHAC-Weg wesentlich effizienter als die natürliche Photorespiration und alle anderen bisher in vivo entwickelten Photorespirations-Umgehungsrouten.
Modellpflanze Arabidopsis: In eine solche Pflanze hat das Gain4Crops-Team den neuen mikrobiellen BHAC-Stoffwechselweg integriert.
Bildquelle: © iStock.com / dra_schwartz
Ob dieser Stoffwechselweg tatsächlich auch in Pflanzen den gewünschten Erfolg hat, überprüfte das Forschungsteam an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Nach Transfer der BHAC-Gene in die Pflanze konnten sie zeigen, dass das toxische Phosphoglykolat direkt in den BHAC-Weg eingeschleust wird. „Unsere Versuche zeigen, dass der natürliche BHAC-Weg aus Bakterien auch in Pflanzen funktioniert, was komplett neue Möglichkeiten eröffnet, den pflanzlichen Stoffwechsel gezielt zu verbessern“, erklärt Tobias Erb.
Optimierung noch nötig
Gasaustausch-Messungen und die Analyse der Metaboliten bestätigten, dass die Pflanzen Stickstoff einsparen und die charakteristischen Stoffwechselprodukte von C4-Pflanzen bilden. Allerdings stieg bei den Prototyp-Pflanzen noch nicht die durch die Photosynthese assimilierte CO2-Menge. Das Team glaubt, dass noch einige Stoffwechsel-Engpässe das volle Potenzial des BHAC-Wegs „ausbremsen“.
Dieses Problem soll schon bei den nächsten Forschungsarbeiten angegangen werden. Und die neue Strategie wird an einer Reihe weiterer und komplexerer Modellorganismen getestet, bis schließlich eine echte Kulturpflanze den BHAC-Weg erhalten soll: Die Sonnenblume, eine der wichtigen Ölsaatpflanzen in Europa.
Quelle:
Roell, M.S. et al. (2021): A synthetic C4 shuttle via the β-hydroxyaspartate cycle in C3 plants. In: Proceedings of the National Academy of Sciences, (25. Mai 2021), DOI: 10.1073/pnas.2022307118.
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Titelbild: Eines Tages sollen auch Sonnenblumen als wichtige europäische Ölpflanze eine effizientere Photosynthese betreiben können – mit Hilfe eines mikrobiellen Stoffwechselweges. (Bildquelle: © Ulrike Leone / Pixabay)
