Wie Wissenschaftler Pflanzen dabei helfen, das Beste aus der Photosynthese herauszuholen

Die Photosynthese ist der Ausgangspunkt für fast jede Nahrungskette und ermöglicht den Großteil des Lebens auf der Erde. Man könnte also meinen, die Natur hätte die Kunst perfektioniert, Sonnenlicht in Zucker umzuwandeln. Aber das stimmt nicht ganz. Wenn Sie mit Ihren Lebenszielen kämpfen, könnte es Sie beruhigen zu wissen, dass selbst Pflanzen ihr volles Potenzial noch nicht erreicht haben.

Jedes entwickelte Merkmal ist ein Kompromiss zwischen dem Nutzen, den es bietet, und dem Energieaufwand. Die Pflanzen, die wir als Nahrungsmittel züchten, können Sonnenlicht nur so gut in Zucker umwandeln, wie sie es zum Überleben und zur Fortpflanzung tun müssen. Bei einer bestimmten Menge an Sonnenlicht wandeln die meisten Pflanzen weniger als 5 % dieser Lichtenergie in Biomasse um, unter bestimmten Bedingungen sogar weniger als 1 %.

Wir verfügen heute über das Wissen und die Werkzeuge, um die Photosynthese bei einer Reihe von Nahrungspflanzen zu maximieren – aber Wissenschaftler untersuchen nicht nur aus Neugier, wie wir Pflanzen zu einer besseren Photosynthese verhelfen können. Klimabedingte Wetterereignisse wie Dürren und Überschwemmungen zerstören Ernten und bedrohen die Ernteerträge auf der ganzen Welt. Ziel dieser Forschung ist es, sicherzustellen, dass wir genug Nahrung anbauen können, um uns selbst zu ernähren.

Pflanzen wie Weizen produzieren manchmal fälschlicherweise eine giftige Substanz namens 2-Phosphoglykolat, die dann in der Pflanze recycelt werden muss, was Energie kostet. Wissenschaftler nennen dies Photorespiration. Es passiert, wenn ein für den Photosyntheseprozess entscheidendes Enzym, Rubisco, fälschlicherweise ein Sauerstoffmolekül statt Kohlendioxid bindet.

Rubisco macht diesen Fehler in bis zu 40 % der Fälle. Das liegt daran, dass es heute viel mehr Sauerstoff in der Atmosphäre gibt als früher. Dieser Sauerstoff stammt von den ersten Photosynthese betreibenden Cyanobakterien – mikroskopisch kleinen Organismen, die im Wasser vorkommen. Steigende Temperaturen führen außerdem zu einer verstärkten Photorespiration.

Könnten wir diesen Fehler vermeiden, bliebe den Pflanzen mehr Energie für die Photosynthese.

Sonnenlicht einfangen

Unser Forschungsprojekt PhotoBoost untersucht, wie eine Art interner Bypass geschaffen werden kann, der die Photorespiration bei Reis- und Kartoffelpflanzen, zwei der wichtigsten Nutzpflanzen der Welt, reduziert.

So wie ein Koronarbypass beim Menschen das Blut um enge oder verstopfte Arterien herumleitet, gibt der Photorespiratory-Bypass Pflanzen die genetischen Werkzeuge, die sie brauchen, um Rubiscos Fehler zu minimieren. Gene von Cyanobakterien machen diese und andere photosynthetische Verbesserungen möglich, da sie eine Reihe von Enzymen für ein besseres Sonnenlichtmanagement enthalten.

Andere Forscher betrachten Pflanzen wie Mais, die eine eigene Methode zur Photorespiration entwickelt haben, als Inspirationsquelle – und als Quelle der Gene – für Reis.

Blattgrüne Triebe wachsen aus gut bearbeitetem Boden, im Hintergrund geht die Sonne unter

Wir verbessern auch die Geschwindigkeit, mit der Pflanzen auf Veränderungen der Lichtintensität reagieren, da diese ebenfalls die Photosynthese beeinflussen. Pflanzen schalten ihren Photosyntheseapparat ab, wenn sie zu viel Sonne bekommen (wenn das Licht intensiver ist). Danach kann es sein, dass sie die Photosynthese nur langsam wieder aufnehmen, wenn es wieder kühler wird – zum Beispiel wenn Wolken aufziehen.

Eine Forschergruppe in den USA hat kürzlich gezeigt, dass die Beschleunigung dieses Photoschutzprozesses bei Sojabohnen zu einer 33-prozentigen Steigerung des Samenertrags führen kann.

Auf PhotoBoost sprechen wir mit Forschern, Agronomen und Landwirten auf der ganzen Welt, um herauszufinden, wie wir die Bedürfnisse der Gesellschaft mit diesem neuen Gebiet der Pflanzenwissenschaft in Einklang bringen können. Elizabete Carmo-Silva und Ana Moreira Lobo, Kolleginnen an der Lancaster University, sagen: „Klimawandel, sinkende Erträge und Wasserknappheit stellen in diesem Jahrhundert große Herausforderungen für die Nahrungsmittelproduktion dar.“

Ihr Team untersucht die Reaktionen von Pflanzen auf Licht und Temperatur und widmet dabei dem Rubisco-Enzym besondere Aufmerksamkeit. Höhere Erträge sind vielleicht der offensichtlichste Vorteil einer verbesserten Photosynthese, aber sie trägt auch dazu bei, dass Pflanzen widerstandsfähiger gegen Dürre und Hitzestress werden.

Neue Tools

Ein neues Werkzeug im Arsenal der Pflanzenzüchter, die Gen-Editierung, ermöglicht es Wissenschaftlern, Gene an- und abzuschalten und so ihre Wirkung auf die Leistungsfähigkeit der Pflanzen zu testen. Sobald wir ihre Funktion kennen, können diese Gene unterdrückt, gefördert oder, wie dies seit den 1990er Jahren bei kommerziellen Nutzpflanzen geschieht, durch genetische Modifikation eingeführt werden.

An der Universidade Nova de Lisboa in Portugal erklärten uns Nelson Saibo und Isabel Abreu, dass Pflanzenzüchter heutzutage über mehr „Feintuning“-Werkzeuge verfügen. Ihr Team nutzt die Genomeditierung, um die Photosynthese bei Reis zu verbessern.

Die Kartoffelbauern im Osten Englands, mit denen wir kürzlich sprachen, sahen in einer effizienteren Photosynthese einen Weg, Land für die Natur freizugeben – zum Beispiel durch das Pflanzen von Bäumen auf alten Waldflächen oder die Wiederherstellung von Torfland in den Fens –, denn effizientere Pflanzen bedeuten, dass man weniger davon braucht, um den gleichen Ernteertrag zu erzielen. Ihre größte Sorge war, ob große britische Einzelhändler bereit wären, gentechnisch veränderte Pflanzen zu fördern.

Neben Photoboost finanziert die Europäische Union auch andere Photosyntheseprogramme im Rahmen der Projekte Gain4crops (Sonnenblumen) und Capitalise (Tomaten, Mais und Gerste). Die Verbesserung der Photosynthese ist kein Allheilmittel für viele der landwirtschaftlichen Probleme, mit denen wir konfrontiert sind. Aber die Kombination von Wissen und neuen Werkzeugen wird uns helfen, das Beste aus dem Licht herauszuholen.

Jonathan Menary, Postdoktorand, Zentrum für Tropenmedizin und globale Gesundheit, Universität Oxford; Sebastian Fuller, Forscher für Implementierungswissenschaft, Universität Oxfordund Stefan Schillberg, Exekutivdirektor, Fraunhofer IME