Forscher verbessern den Stickstoffgehalt der Samen, indem sie den Chlorophyllgehalt der Pflanzen senken

Chlorophyll spielt eine zentrale Rolle bei der Photosynthese, weshalb sich Pflanzen entwickelt haben, die einen hohen Chlorophyllgehalt in ihren Blättern aufweisen. Allerdings ist die Herstellung dieses Pigments teuer, da Pflanzen einen erheblichen Teil des verfügbaren Stickstoffs sowohl in Chlorophyll als auch in die speziellen Proteine, die ihn binden, investieren.

Dadurch steht Stickstoff für andere Prozesse nicht zur Verfügung. In einer neuen Studie reduzierten Forscher den Chlorophyllgehalt in Blättern, um zu sehen, ob die Pflanze den eingesparten Stickstoff in einen anderen Prozess investieren würde, der die Ernährungsqualität verbessern könnte.

In den letzten Jahrzehnten haben Forscher versucht, die Ernteerträge zu steigern, um den weltweiten Nahrungsmittelbedarf zu decken. Eine ihrer größten Herausforderungen bestand darin, die Photosyntheseeffizienz landwirtschaftlicher Nutzpflanzen zu verbessern.

Wenn Licht auf ein Blatt trifft, kann eines von drei Dingen passieren: Das Blatt kann das Licht für die Photosynthese absorbieren, das Blatt kann es zurück in die Atmosphäre reflektieren oder das Licht kann durch das Blatt dringen. Obwohl ein vollständig grünes Blatt über 90 % des auftreffenden Lichts absorbiert, nutzt das Blatt leider nicht alles für die Photosynthese.

„Wir bauen unsere Nutzpflanzen in sehr hohen Dichten an. Das hat zur Folge, dass die Blätter an der Oberseite des Blätterdachs zwar mehr Licht haben, sie aber nicht alles nutzen können und die Schicht darunter kaum Licht hat“, sagte Don Ort (GEGC-Leiter/ CABBI/BSD), Professor für integrative Biologie. „Unser Grundgedanke war, die Menge an Chlorophyll an der Spitze des Blätterdachs zu reduzieren, damit mehr Licht eindringen und tiefer im Blätterdach effizienter genutzt werden kann.“

In der aktuellen Studie haben die Forscher Tabakpflanzen so verändert, dass sie einen geringeren Chlorophyllgehalt aufweisen, wenn das Blätterdach der Pflanzen dichter wird.

„Frühere Modelle haben gezeigt, dass ein geringerer Chlorophyllspiegel, bevor ein dichter Blätterdach entsteht, schädlich für das Pflanzenwachstum ist“, sagte Ort. „Wir wollten Pflanzen mit vollem Blätterdach nehmen und sicherstellen, dass die neuen Blätter, die oben hinzugefügt werden, einen geringeren Chlorophyllgehalt aufweisen.“

Dazu nutzten die Forscher kleine RNAs, die in wichtige Schritte der Chlorophyllsynthese eingreifen. Die Produktion dieser kleinen RNAs wurde unter die Kontrolle eines induzierbaren Promotors gestellt – eines DNA-Stücks, das auf ein spezifisches Signal reagiert und die Zelle anweist, RNA zu produzieren.

In der Studie verwendeten die Forscher einen Ethanol-induzierbaren Promotor. Als sie die Blätter mit Ethanol besprühten, störten die entstehenden kleinen RNAs die Synthese von Chlorophyll und erzeugten einen Blätterdach mit einem helleren Grünton.

„Wir fanden heraus, dass selbst bei einem Rückgang der Chlorophyllsynthese um 70 % keine Wachstumshemmung auftrat“, sagte Young Cho, Postdoktorand im Ort-Labor und Hauptautor der Studie. „Obwohl wir dieses Ergebnis theoretisch vorhergesagt hatten, war es erstaunlich, diese blassgrünen oder gelben Pflanzen normal wachsen zu sehen, wenn man bedenkt, dass eine solche Verfärbung typischerweise auf eine Pflanzenkrankheit hinweist.“

Die Forscher hatten auch die Hypothese aufgestellt, dass eine Verringerung der Chlorophyllmenge andere Aspekte des Pflanzenwachstums beeinflussen würde, da dadurch der Stickstoff freigesetzt würde, der in die Herstellung des Pigments und der damit verbundenen Proteine ​​investiert wurde. Sie hatten Recht, als sie sahen, dass die Stickstoffkonzentration im Saatgut in den Pflanzen, in denen der Ethanol-induzierbare Promotor, der die störenden kleinen RNAs steuert, aktiviert war, um 17 % höher war.

„Wir hatten auch mit einer Ertragssteigerung gerechnet, denn je mehr Licht in das Blätterdach gelangt, desto effizienter würde es auch genutzt werden“, sagte Ort. „Wir haben jedoch keinen Anstieg festgestellt, was wahrscheinlich darauf hindeutet, dass die Pflanzen nicht genug zusätzlichen Stickstoff investiert haben, um die Photosynthesekapazität in den unteren Teilen des Blätterdachs zu verbessern. Dieses Ergebnis gibt uns ein weiteres technisches Ziel.“

In ihrer zukünftigen Arbeit werden die Forscher testen, ob sie mit lichtinduzierbaren Promotoren, die für Landwirte einfacher zu verwenden sind, ähnliche Ergebnisse erzielen können. „Ethanol-induzierbare Promotoren sind sehr praktische und wichtige Forschungsinstrumente. Landwirte möchten jedoch nicht ein ganzes Feld mit Ethanol besprühen, daher müssen wir uns nach anderen Promotoren umsehen, die auf die Intensität oder Farbe des Lichts reagieren“, sagte Ort.

Die Studie „Die Reduzierung des Chlorophyllspiegels in der Samenfüllphase führt zu einem höheren Samenstickstoff, ohne die Kohlenstoffassimilation im Blätterdach zu beeinträchtigen.“ veröffentlicht In Pflanze, Zelle und Umwelt.