Mais, Blatt 2

Fotosynthese: Der wichtigste Stoffwechselprozess, aber nicht so effizient wie er sein könnte

Die Fotosynthese ist der bedeutendste Stoffwechselweg der Erde. Bei diesem biochemischen Prozess wird Kohlendioxid (CO2) und Wasser unter Verwendung von Lichtenergie in Biomasse (Kohlenhydrate) umgewandelt. Als „Abfallprodukt“ entsteht dabei Sauerstoff. Dieser elementare Prozess blieb in Pflanzenforschung und –züchtung lange Zeit weitgehend unangetastet. Inzwischen kennt man die einzelnen Prozesse der Fotosynthese recht gut und weiß, wo diese nicht so effizient sind, wie sie sein könnten.

Grafik Fotosynthese

Bei der Fotosynthese wird zunächst das Sonnenlicht in chemische Energie umgewandelt und Wasser aufgespalten in Wasserstoff und als „Abfallprodukt“ Sauerstoff. In der sogenannten Dunkelreaktion (Calvin-Zyklus) wird dann mit Hilfe der Produkte aus der Lichtreaktion aus Kohlenstoffdioxid (Co2) Zucker erzeugt.

Rubisco

RuBisCo ist das Schlüsselenzym der Fotosynthese. Doch in den meisten Pflanzen funktioniert es nicht optimal. Forscher wollen das ändern.

Molekülmodell: PDB-101

Weltweit arbeiten Wissenschaftler mit verschiedenen Ansätzen daran, die Fotosynthese zu optimieren mit dem Ziel höhere Erträge oder mehr Biomasse zu erreichen. Mit herkömmlichen Züchtungsmethoden sind Ertragssteigerungen bei vielen Nutzpflanzen ausgereizt. Diese sind aber unumgänglich, wenn 2050 schätzungsweise zehn Milliarden Menschen (FAO) ernährt werden müssen, ohne mehr Ressourcen wie Wasser und Nährstoffe zu verbrauchen und ohne zusätzliches Land in Anspruch zu nehmen.

Vor kurzem wurde das Programm Photosynthese 2.0 ins Leben gerufen, in dem Wissenschaftler aus ganz Europa zusammenarbeiten. Das von der Bill & Melinda Gates Foundation finanzierte Projekt wird bereits von 51 Universitäten, Forschungsinstituten und internationalen Initiativen aus 17 EU-Mitgliedstaaten unterstützt und soll über zehn Jahre laufen.

Das Sonnenlicht besser nutzen

Im Rahmen von Photosynthese 2.0 fanden etwa Wissenschaftler der Universität Wageningen bei ihrer Forschung an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) heraus, dass verschiedene Gene daran beteiligt sind, die Fotosynthese an sich verändernde Lichtverhältnisse anzupassen. Eines dieser Gene (Yellow Seedling 1) wurde bereits genauer untersucht. Bei Arabidopsis gibt es verschiedene Variationen dieses Gens, so dass sich manche Pflanzen schneller auf zunehmende Lichtintensität einstellen können als andere. Da diese Gene für die Fotosynthese in fast allen Pflanzenarten vorkommen, gehen die Wissenschaftler davon aus, dass ähnliche Varianten auch bei vielen Kulturpflanzen vorhanden sind. Diese könnten dann zur Verbesserung der Fotosynthese genutzt werden.

Mit der Anpassung der Fotosynthese an Licht- und Schatten-Wechsel befasste sich auch ein Forscherteam aus den USA, Polen und Großbritannien. Sie beeinflussten einen Mechanismus, der die Effizienz der Fotosynthese deutlich herabsetzt: Pflanzen geben bei hoher Lichtintensität überschüssige Energie, die sie nicht in der Fotosynthese verarbeiten können, in Form von Wärme ab. Auf diese Weise schützen sie sich vor Schäden. Sobald die Lichtintensität wieder abnimmt, passen sie auch ihre Fotosynthese wieder an. Das geschieht aber nicht so schnell wie sich die Lichtverhältnisse ändern - eine Verschwendung, die den Ertrag mindert. Das Forscherteam hat in Tabakpflanzen die drei wichtigsten Gene, die diesen Prozess kontrollieren, so verändert, dass die Pflanzen schneller auf Licht- und Schattenwechsel reagieren können. Sie konnten damit in Feldversuchen bereits eine Steigerung der Biomasseproduktion um 15 Prozent erreichen.

Schlüsselenzyme der Fotosynthese verbessern

Das zentrale Enzym in der Fotosynthese, das für die Bindung von CO2 zuständig ist, ist die RuBisCO. Das Molekül arbeitet allerdings recht langsam und ineffizient, da es nicht nur CO2 bindet, sondern auch Sauerstoff. Die Pflanzenzelle kann mit dem Produkt, das daraus entsteht nichts anfangen. Sie muss es in einem aufwändigen Prozess entgiften wobei wiederum CO2 freigesetzt wird. Diesen verschwenderischen Prozess nennt man Lichtatmung. Wenn RuBisCO nicht mehr mit Sauerstoff reagieren würde, könnte das die Fotosyntherate deutlich steigern.

Mit diesem Ansatz beschäftigen sich Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried. Zunächst erforschten sie intensiv das Enzym selbst, welches sehr groß und komplex ist. Um die RuBisCO optimieren zu können, mussten sie den Aufbau und die richtige Faltung des Moleküls erst einmal genau verstehen. Sie fanden heraus, dass für die korrekte Auffaltung des Riesenmoleküls „Helferproteine“ zuständig sind. Inzwischen ist es den Forschern gelungen, das Schlüsselenzym für die Fotosynthese nachzubauen. Um RuBisCO und somit die Fotosynthese gentechnisch zu optimieren, brachten sie die RuBisCO-DNA und die DNA für die Helferproteine in Bakterienstämme ein, die das Enzym dann funktionsfähig produzieren können. Auf diese Weise muss nicht jede Veränderung der RuBisCO zeitaufwendig in Pflanzen getestet werden, sondern es lassen sich schnell die Mutationen finden, die das Enzym effektiver machen.

Ein Forscherteam der Universität Illinois konnte bei der Modellpflanze Tabak die Lichtatmung so verändern, dass sie weniger Energie verbraucht und mehr Kohlendioxid zurückgewinnt. Durch Einbau verschiedener Genkonstrukte wurde der Photosynthese-Stoffwechsel verändert und zusätzlich die Reaktionskette der klassischen Lichtatmung blockiert. Am wirkungsvollsten war die Übertragung von nur zwei Stoffwechselgenen aus Kürbis und einer Alge. Damit konnten Ertragssteigerungen bis zu vierzig Prozent erreicht werden.

Auch weitere Enzyme spielen im Prozess der CO2-Fixierung eine wichtige Rolle. So haben etwa Wissenschaftler des Rothamsted Research Institutes in Großbritannien in Zusammenarbeit mit den Universitäten Essex und Lancaster festgestellt, dass das Enzym SBPase einen Teilabschnitt der Fotosynthese steuert und dass die Biomasseproduktion von der natürlich vorkommenden Menge dieses Enzyms abhängt. Die Forscher führten ein weiteres SBPase-Gen aus einer verwandten Art – der zweijährigen Zwenke - in Weizen ein. In Gewächshaus-Versuchen konnten die gentechnisch veränderten Pflanzen CO2 besser verarbeiten und erbrachten bis zu 40 Prozent mehr Ertrag als konventionelle Pflanzen. Seit 2017 laufen Freilandversuche, um diesen gv-Weizen unter Feldbedingungen zu testen.

Effizientere Fotosynthese von Cyanobakterien auf Pflanzen übertragen

Bei manchen Mikroorganismen funktioniert die Fotosynthese effizienter als bei Pflanzen. Cyanobakterien etwa besitzen spezielle Zellorganellen - sogenannte Carboxysomen – in denen CO2 angereichert wird. Dabei herrscht im Inneren der Organellen eine höhere CO2-Konzentration als außerhalb. Daher reagiert das RuBisCo-Enzym weniger mit Sauerstoff und erzielt dadurch eine hohe Fotosyntheseleistung. Wissenschaftler arbeiten daran, Carboxysomen auch in höheren Pflanzen aufzubauen. In Tabak ist das bereits in Ansätzen gelungen. Auch die Übertragung der RuBisCO aus Cyanobakterien in Tabak war schon erfolgreich.

C4-Zyklus in C3-Pflanzen einbauen

Einige Pflanzenarten wie Mais, Hirse oder Zuckerrohr bilden in nur einer Anbausaison sehr viel Biomasse. Sie haben im Laufe der Evolution eine besonders effektive Form der Fotosynthese die C4-Fotosynthese- entwickelt. Forscher versuchen daher, diese auch in andere Pflanzenarten, zum Beispiel in Reis, „hineinzuzüchten“. Am Internationalen Reisforschungsinstitut IRRI läuft dazu ein großes, ambitioniertes Projekt, an dem Forschungseinrichtungen aus aller Welt beteiligt sind, auch aus Deutschland.

Auch wenn der Weg bis zu einem „fertigen“ C4-Reis noch weit ist - die ersten Forschungsergebnisse sind viel versprechend.