Überlegene Photosynthesefähigkeiten einiger Pflanzen könnten Schlüssel zu klimaresistenten Nutzpflanzen sein

Überlegene Photosynthesefähigkeiten einiger Pflanzen könnten Schlüssel zu klimaresistenten Nutzpflanzen sein

Wissenschaftler der Salk University entdecken, wie einige Pflanzenarten eine effizientere Photosynthese entwickelten; Erkenntnisse könnten dazu beitragen, Nutzpflanzen wie Reis und Weizen widerstandsfähiger gegen den Klimawandel zu machen

LA JOLLA – Vor mehr als 3 Milliarden Jahren entwickelte sich auf einer Erde, die vollständig mit Wasser bedeckt war, die Photosynthese erstmals in kleinen Urbakterien. In den folgenden vielen Millionen Jahren entwickelten sich diese Bakterien zu Pflanzen und passten sich dabei an verschiedene Umweltveränderungen an. Diese Entwicklung wurde vor etwa 30 Millionen Jahren durch die Entstehung einer neueren, besseren Methode zur Photosynthese unterbrochen. Während Pflanzen wie Reis weiterhin eine alte Form der Photosynthese namens C3 nutzten, entwickelten andere wie Mais und Sorghum eine neuere und effizientere Version namens C4.

Mittlerweile gibt es mehr als 8,000 verschiedene C4-Pflanzenarten, die besonders gut in heißen, trockenen Klimazonen gedeihen und zu den ertragreichsten Nutzpflanzen der Welt gehören. Die überwiegende Mehrheit der Pflanzen nutzt jedoch immer noch C3-Photosynthese. Wie also sind C4-Pflanzen entstanden und könnten C3-Pflanzen jemals eine ähnliche Weiterentwicklung erfahren?

Nun haben Wissenschaftler von Salk und ihre Kollegen von der Universität Cambridge erstmals einen entscheidenden Schritt entdeckt, den C4-Pflanzen wie Sorghum machen mussten, um sich so weit zu entwickeln, dass sie eine so effiziente Photosynthese betreiben konnten. Außerdem haben sie herausgefunden, wie wir diese Informationen nutzen können, um Nutzpflanzen wie Reis, Weizen und Sojabohnen produktiver und widerstandsfähiger gegen die Klimaerwärmung zu machen.

Die Ergebnisse wurden veröffentlicht in Natur Am November 20, 2024.

„Die Frage, was C3- und C4-Pflanzen unterscheidet, ist nicht nur aus biologischer Sicht wichtig, wenn man wissen möchte, warum sich etwas entwickelt hat und wie es auf molekularer Ebene funktioniert“, sagt Professor Josef Ecker, Hauptautor der Studie, Vorsitzender des Salk International Council für Genetik und Forscher am Howard Hughes Medical Institute. „Die Beantwortung dieser Frage ist ein großer Schritt zum Verständnis, wie wir angesichts des Klimawandels und einer wachsenden Weltbevölkerung möglichst robuste und ertragreiche Nutzpflanzen züchten können.“

Etwa 95 % aller Pflanzen nutzen die C3-Photosynthese, bei der Mesophyllzellen – grüne Schwammzellen, die in Blättern leben – Licht, Wasser und Kohlendioxid in Zucker umwandeln, der die Pflanzen antreibt. Trotz ihrer hohen Verbreitung hat die C3-Photosynthese zwei große Nachteile: 1) In 20 % der Fälle wird versehentlich Sauerstoff anstelle von Kohlendioxid verwendet und muss recycelt werden, was den Prozess verlangsamt und Energie verschwendet, und 2) die Poren auf der Blattoberfläche sind zu häufig geöffnet, während sie auf das Eindringen von Kohlendioxid warten, wodurch die Pflanze Wasser verliert und anfälliger für Dürre und Hitze wird.

Glücklicherweise hat die Evolution diese Probleme mit der C4-Photosynthese gelöst. C4-Pflanzen rekrutieren Bündelscheidenzellen, die normalerweise als Blattaderstütze dienen, zur Photosynthese neben Mesophyllzellen. Infolgedessen vermeiden C4-Pflanzen diese Sauerstoffnutzungsfehler, um Energie zu sparen, und halten die Poren an der Pflanzenoberfläche häufiger geschlossen, um Wasser zu sparen. Das Ergebnis ist eine 50 % höhere Effizienz im Vergleich zu C3-Pflanzen.

Doch was hat auf molekularer Ebene dazu geführt, dass sich C3-Pflanzen in C4-Pflanzen verwandelt haben? Und könnten Wissenschaftler C3-Pflanzen dazu bringen, sich in C4-Pflanzen zu verwandeln?

Um diese Fragen zu beantworten, setzten die Wissenschaftler von Salk modernste Einzelzellgenomik-Technologie ein, um die Unterschiede zwischen C3-Reis und C4-Sorghum zu untersuchen. Während frühere Methoden zu ungenau waren, um benachbarte Zellen wie Mesophyll- und Bündelscheidenzellen zu unterscheiden, ermöglichte die Einzelzellgenomik dem Team, die genetischen und strukturellen Veränderungen in jedem Zelltyp beider Pflanzen zu untersuchen.

„Wir waren überrascht und begeistert, als wir herausfanden, dass der Unterschied zwischen C3- und C4-Pflanzen nicht in der Entfernung oder Hinzufügung bestimmter Gene liegt“, sagt Ecker. „Der Unterschied liegt vielmehr auf regulatorischer Ebene, was es uns auf lange Sicht leichter machen könnte, eine effizientere C4-Photosynthese in C3-Pflanzen zu erreichen.“

Alle Zellen eines Organismus enthalten dieselben Gene, aber welche Gene zu einem bestimmten Zeitpunkt exprimiert werden, bestimmt die Identität und Funktion jeder Zelle. Eine Möglichkeit, die Genexpression zu verändern, ist die Aktivität von Transkriptionsfaktoren. Diese Proteine ​​erkennen und binden kleine DNA-Abschnitte in der Nähe der Gene, sogenannte regulatorische Elemente. Sobald ein Transkriptionsfaktor an der richtigen Stelle am regulatorischen Element ist, kann er dabei helfen, die nahe gelegenen Gene „an“ oder „aus“ zu schalten.

Bei der Messung der Genexpression in Reis- und Sorghumpflanzen stellten die Wissenschaftler fest, dass eine Transkriptionsfaktorfamilie, die allgemein als DOFs bezeichnet wird, für die Aktivierung der Gene zur Bildung von Bündelscheidenzellen in beiden Arten verantwortlich war. Sie bemerkten auch, dass DOFs in beiden Arten an dasselbe regulatorische Element banden. In C4-Sorghumpflanzen war dieses regulatorische Element jedoch nicht nur mit Bündelscheidenidentitätsgenen verbunden – es aktivierte auch die Photosynthesegene. Das deutete darauf hin, dass C4-Pflanzen irgendwann ursprüngliche regulatorische Elemente für Bündelscheidengene an Photosynthesegene angehängt hatten, sodass DOFs beide Gensätze gleichzeitig aktivierten. Dies würde erklären, wie Bündelscheidenzellen in C4-Pflanzen die Fähigkeit zur Photosynthese erlangten.

Diese Experimente ergaben, dass sowohl C3- als auch C4-Pflanzen die notwendigen Gene und Transkriptionsfaktoren für den überlegenen C4-Photosyntheseprozess enthalten – eine vielversprechende Entdeckung für Wissenschaftler, die C3-Pflanzen zur Nutzung der C4-Photosynthese bewegen möchten.

„Jetzt haben wir eine Blaupause dafür, wie verschiedene Pflanzen die Sonnenenergie nutzen, um in unterschiedlichen Umgebungen zu überleben“, sagt Joseph Swift, Co-Erstautor der Studie und Postdoktorand in Eckers Labor. „Das ultimative Ziel ist, die C4-Photosynthese einzuschalten und so produktivere und widerstandsfähigere Nutzpflanzen für die Zukunft zu schaffen.“

Als nächstes will das Team herausfinden, ob Reis so verändert werden kann, dass er C4- statt C3-Photosynthese nutzt. Dies bleibt ein sehr langfristiges Ziel mit erheblichen technischen Herausforderungen, die im Rahmen einer globalen Zusammenarbeit namens „C4-Reisprojekt.“ Die Ergebnisse werden unmittelbarere Informationen liefern für Salk-Initiative zur Nutzbarmachung von PflanzenDie Mission von ist es, optimierte Nutzpflanzen zu entwickeln, die die Bedrohung durch den Klimawandel bekämpfen und ihm gleichzeitig standhalten.

Ihre Daten zur Genomik einzelner Zellen wurden außerdem als Ressource für Wissenschaftler auf der ganzen Welt freigegeben und sorgten schnell für Aufregung, da sie Antworten auf dieses seit langem bestehende Rätsel der Evolution lieferten.

Weitere Autoren sind Travis Lee und Joseph Nery von Salk sowie Leonie Luginbuehl, Lei Hua, Tina Schreier, Ruth Donald, Susan Stanley, Na Wang und Julian Hibberd von der University of Cambridge im Vereinigten Königreich.

Die Arbeit wurde vom Howard Hughes Medical Institute, dem Biotechnology and Biological Sciences Research Council, dem C4 Rice Project, der Bill and Melinda Gates Foundation, der Life Sciences Research Foundation, dem Herchel Smith Fellowship und der European Molecular Biology Organization unterstützt.

DOI: 10.1038/s41586-024-08204-3