Eine bessere Fotosynthese für höhere Erträge

Pflanzen nutzen die Fotosynthese, um Kohlenstoffdioxid und Wasser unter Verwendung von Energie, die aus Licht gewonnen wird, in Kohlenhydrate umzuwandeln. Von entscheidender Bedeutung für diesen kohlenstofffixierten Prozess ist ein Enzym namens RuBisCo, das erstmalig vor 3,5 Milliarden Jahren in fotosynthetischen Bakterien gebildet wurde.

In vielen Anbausorten wie etwa Weizen, Gerste, Reis, Sojabohnen und Kartoffeln wird RuBisCo auf ineffiziente Weise, die unter dem Namen C3-Fotosynthese bekannt ist, verwendet, um Kohlenstoff zu binden. Gräser wie Mais, die sich in neuerer Zeit entwickelten, haben ihre Blattstruktur und Biochemie an eine Verwendung des RuBisCo-Enzyms für den effizienteren C4-Fotosyntheseablauf angepasst.

Das von der EU geförderte Projekt "3to4: Converting C3 to C4 photosynthesis for sustainable agriculture" (3TO4) zielt auf eine Übertragung dieser effizienten C4-Eigenschaften auf Nahrungsmittel- und Energiepflanzen ab. Dies kann durch genetische Veränderungen bei der Blattbildung, der Zellbiologie und der biochemischen Bahnen von C3-Pflanzen erreicht werden. Hierzu müssen die Forscher jedoch zunächst ein besseres Verständnis vom C4-Ablauf erlangen.

Es wurde damit begonnen, ein detailliertes Modell des gesamten C4-Fotosyntheseprozesses zu entwickeln, das berücksichtigt, wie und wo Kohlenhydrate synthetisiert werden. Es wurden genetische Unterschiede zwischen C3- und C4-Pflanzen ermittelt, einschließlich solcher, die die Entwicklung spezifischen Gewebes steuern, welches C4-Pflanzen eine effizientere Kohlenstoffbindung ermöglicht.

Die Forscher identifizierten Enzymmodifikationen, die für die C4-Fotosynthese von entscheidender Bedeutung sind sowie regulatorische Gene, die die Produktion C4-assoziierter Genprodukte steuern. Diese Informationen werden verwendet, um bestimmte Bestandteile des C4-Ablaufs in eine C3-Anbaupflanze zu integrieren und schließlich vollkommen neue C4-Anbaupflanzen zu erschaffen.

Eine Integrierung von C4-Fotosyntheseeigenschaften in C3-Anbaupflanzen kann zu höheren Erträgen führen, den Bedarf an Anbauland reduzieren und die Anbaupflanzen dürreresistenter machen. Über die Ausbildung junger Forscher, den Ausbau europäischer Forschungskapazitäten und die Miteinbeziehung von Beteiligten aus der Industrie wird das 3TO4-Projekt ebenfalls ein stabiles Fundament für die langfristige Fotosyntheseforschung bauen.