Photosynthese unbeeinflusst von zunehmenden Kohlendioxidkanälen in Pflanzenmembranen

Die Modifizierung der Photosynthese ist zunehmend ein Forschungsziel, um die Ernteerträge zu verbessern, um eine wachsende Weltbevölkerung angesichts des Klimawandels und anderer Umweltfaktoren zu ernähren. In einer aktuellen Studie, veröffentlicht in Zeitschrift für experimentelle Botanikuntersuchte ein Team der Australian National University (ANU) die Auswirkungen einer Erhöhung der Anzahl von Kohlendioxidkanälen in Pflanzenmembranen, konnte jedoch keine Auswirkungen auf die Photosynthese in Modelltabakpflanzen feststellen.

Die Photosynthese beruht auf der Zufuhr von Kohlendioxid (CO2) zu den Chloroplasten in den Blattzellen, wo es durch das Enzym Rubisco in Zucker umgewandelt wird. Um zum Chloroplasten zu gelangen, muss CO2 in das Blatt und durch die Blattmesophyllzellen diffundieren und Barrieren wie Zellwände und Membranen überwinden. Die Erhöhung der CO2-Diffusion durch Mesophyllzellen in den Chloroplasten (als Mesophyllleitfähigkeit bezeichnet) wird die Photosynthese verbessern – die Ernteerträge steigern und gleichzeitig die Wassernutzungseffizienz verbessern.

„Unsere Forschung zielte auf die Membranen in Blattzellen ab; wir wollten wissen, ob wir den CO2-Transfer effizienter gestalten könnten, indem wir zusätzliche Kanäle für die CO2-Diffusion in Zellmembranen hinzufügen“, sagte RIPE-Forscher Dr. Tory Clarke, der diese Studie an der ANU durchführte.

Um den CO2-Transfer durch Pflanzenzellmembranen gezielt zu steuern, erhöhte das Team der ANU die Menge an Aquaporin-Proteinen in den Plasmamembranen von Test-Tabakpflanzen.

Seniorautor Dr. Michael Groszmann erklärte, dass „Aquaporine Membrankanäle sind, die die Bewegung von Molekülen wie Wasser und Gasen durch Membranen erleichtern können. Unsere Forschung bestätigt, dass sich die Kanäle in der Plasmamembran der Blattzellen befinden.“

Frühere Studien haben festgestellt, dass in Testsystemen eine Untergruppe von Pflanzen-Aquaporinen, die intrinsischen Plasmaproteine ​​(PIPs), CO2-Übertragungsfähigkeiten haben, aber es gab widersprüchliche Berichte über ihre Rolle bei der Mesophyll-Leitfähigkeit in der Pflanze. „In dieser Studie konnten wir mehr PIP-Aquaporinkanäle in die Mesophyllzellmembran einführen, aber überraschenderweise erhöhte dies die CO2-Leitfähigkeit durch die Mesophyllzelle nicht nachweisbar, ohne Auswirkungen auf die Photosyntheseraten“, sagte Clarke.

„Pflanzenwachstum und Umweltbedingungen können eine bedeutende Rolle bei der Fähigkeit von Aquaporinen spielen, die Mesophyllleitfähigkeit zu verändern“, sagte Susanne von Caemmerer, Professorin für Molekulare Pflanzenphysiologie an der Research School of Biology der ANU, die diese Studie zusammen mit Groszmann leitete. „Unsere Studie verwendete auch Computermodelle, um vorherzusagen, wie sich Änderungen der CO2-Durchlässigkeit der Membran auf die Gesamtleitfähigkeit des Mesophylls auswirken würden. Wir fanden heraus, dass zur Verbesserung der Gesamtleitfähigkeit des Mesophylls um 20 % die Menge an CO2 erforderlich wäre, die die Pflanzenzellmembran passieren müsste verdoppeln.“

Während in dieser Studie keine verbesserte Photosynthese realisiert wurde, liefert diese Forschung ein besseres Verständnis der Bewegung von CO2 von der Atmosphäre zu den Chloroplasten.

„Anhand dessen, was wir in dieser Studie gelernt haben, können wir unsere Arbeit nun darauf konzentrieren, ein besseres Verständnis der Aquaporin-Funktion zu erlangen und wie wir die Mesophyll-Leitfähigkeit und die Photosynthese verbessern können“, sagte Groszmann.