Jeden Tag vollbringen Pflanzen auf der ganzen Welt ein unsichtbares Wunder. Sie entziehen der Luft Kohlendioxid und wandeln es mit Hilfe des Sonnenlichts in unzählige Chemikalien um, die sowohl für Pflanzen als auch für Menschen unerlässlich sind.
Einige dieser als aromatische Verbindungen bekannten Chemikalien sind das Ausgangsmaterial für eine Fülle nützlicher Medikamente wie Aspirin und Morphin. Viele dieser Chemikalien stammen jedoch aus fossilen Brennstoffen, weil es schwierig ist, Pflanzen dazu zu bringen, genug davon zu produzieren, um wirtschaftlich zu ernten. Andere sind essentielle menschliche Nährstoffe und können nur über unsere Nahrung aufgenommen werden, da unser Körper sie nicht selbst herstellen kann.
In einer neuen Arbeit haben Wissenschaftler der University of Wisconsin-Madison einen Weg gefunden, die Bremsen der pflanzlichen Produktion aromatischer Aminosäuren zu lösen, indem sie einen Satz von Genen verändern oder mutieren. Die genetische Veränderung führte auch dazu, dass die Pflanzen 30 % mehr Kohlendioxid als normal absorbierten, ohne dass dies negative Auswirkungen auf die Pflanzen hatte.
Wenn Wissenschaftler Pflanzen oder Pflanzen, die Medikamente produzieren, ein solches Merkmal hinzufügen könnten, könnte es ihnen helfen, auf natürliche Weise mehr Chemikalien zu produzieren und gleichzeitig die Treibhausgase in der Atmosphäre zu reduzieren.
„Wir interessieren uns seit langem für diesen aromatischen Aminosäureweg, weil er einer der wichtigsten pflanzlichen Wege ist, der durch Photosynthese fixierten Kohlenstoff in Medikamente, Lebensmittel, Kraftstoffe und Materialien umwandelt“, sagt Hiroshi Maeda, ein UW-Madison-Professor für Botanik führte die neue Forschung. „Jetzt haben wir zum ersten Mal entdeckt, wie man den Schlüsselkontrollknopf reguliert, den Pflanzen verwenden, um die Produktion dieses Weges zu erhöhen.“
Maeda und sein Team unter der Leitung der Postdoktoranden Ryo Yokoyama und Marcos Vinicius Viana de Oliveira veröffentlichten ihre Ergebnisse am 8. Juni Wissenschaftliche Fortschritte.
Normalerweise kontrollieren Pflanzen die Produktion aromatischer Aminosäuren streng, indem sie natürliche Bremsen in den Prozess einbauen. Wenn Pflanzen genügend Aminosäuren produziert haben, kommt das ganze System zum Erliegen.
Die mutierten Pflanzen, die Maedas Team anhand der Modellpflanze Arabidopsis entdeckte, haben deutlich unempfindlichere Bremsen dank Mutationen in einem Gen namens DHS, das die Produktion aromatischer Aminosäuren in Gang setzt. Das Ergebnis ist, dass die Pflanze nicht weiß, wann sie aufhören soll, und diese Verbindungen am laufenden Band produziert.
Die Wissenschaftler stellten überrascht fest, dass die Pflanzen die Photosynthese auf Hochtouren brachten und deutlich mehr Kohlendioxid in die Pflanze aufnahmen, um diesen neuen Produktionsboom anzutreiben.
„Wir glauben, dass die erhöhte Photosynthese zwei Dinge bewirkt. Erstens liefert sie zusätzliche Energie, um diesen energetisch teuren Weg zu betreiben. Zweitens liefert sie mehr Kohlenstoffbausteine, um energetisch dichte aromatische Chemikalien herzustellen“, sagt Maeda.
Einige dieser energiedichten Verbindungen, wie Lignin, finden ihren Weg in die Zellwand, wo sie nützliches Biokraftstofffutter abgeben.
Arabidopsis ist einfach eine winzige Senfpflanze. Obwohl es im Labor ein nützliches Modell ist, produziert es nichts Wertvolles. Co-Autor de Oliveira hat sich zum Ziel gesetzt, ähnliche Mutationen in Nutzpflanzen zu testen, die jedes Jahr riesige Mengen Kohlendioxid aufnehmen, oder in Pflanzen, die wertvolle aromatische Chemikalien produzieren.
„Diese Bremsen, die wir identifiziert haben, sehen bei verschiedenen Pflanzen sehr ähnlich aus. Die Ausweitung dieser Entdeckung auf Nutzpflanzen eröffnet also viele Möglichkeiten, wie z “, sagt de Oliveira.
Ryo Yokoyama et al, Punktmutationen, die die Produktion aromatischer Aminosäuren und die CO2-Assimilation in Pflanzen steigern, Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abo3416