Forscher decken möglichen Zusammenhang zwischen Klimawandel und Ernährung im Pflanzenstoffwechsel auf

Eine neue Studie von Forschern der Michigan State University unterstreicht, dass wir noch viel darüber lernen müssen, wie Pflanzen funktionieren – und wie nahrhaft sie sein werden – wenn mehr Kohlenstoff in unsere Atmosphäre gelangt.

Derselbe Zustrom von Kohlenstoff trägt dazu bei, den Klimawandel voranzutreiben, was diese neue Arbeit bedeutet, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Natur Pflanzenzeigt möglicherweise eine unerwartete Art und Weise auf, wie dieses globale Phänomen die Natur und unser Leben verändert.

„Was wir sehen, ist, dass es einen Zusammenhang zwischen Klimawandel und Ernährung gibt“, sagte Berkley Walker, Assistenzprofessor am Institut für Pflanzenbiologie, dessen Forschungsteam den neuen Bericht verfasst hat. „Das ist etwas, von dem wir nicht wussten, dass wir es untersuchen würden, als wir anfingen.“

Obwohl erhöhte Kohlendioxidwerte gut für die Photosynthese sein können, zeigten Walker und sein Labor auch, dass steigende CO2-Werte andere Stoffwechselprozesse in Pflanzen stören können. Und diese weniger bekannten Prozesse könnten Auswirkungen auf andere Funktionen wie die Proteinproduktion haben.

„Pflanzen mögen CO2. Wenn man ihnen mehr davon gibt, produzieren sie mehr Nahrung und sie werden größer“, sagte Walker, der am College of Natural Science und am MSU-Department of Energy Plant Research Laboratory arbeitet. „Aber was ist, wenn Sie eine größere Pflanze mit einem geringeren Proteingehalt bekommen? Sie ist tatsächlich weniger nahrhaft.“

Es ist noch zu früh, um mit Sicherheit sagen zu können, ob Pflanzen einer proteinarmen Zukunft gegenüberstehen, sagte Walker. Aber die neue Forschung wirft überraschende Fragen darüber auf, wie Pflanzen Aminosäuren – die Proteinbausteine ​​​​sind – mit mehr Kohlendioxid herstellen und verstoffwechseln werden.

Und je härter wir daran arbeiten, diese Fragen jetzt zu beantworten, desto besser werden wir für die Zukunft gerüstet sein, sagte Xinyu Fu, Erstautorin und Postdoktorandin des Berichts.

„Je mehr wir darüber wissen, wie Pflanzen verschiedene Stoffwechselwege unter schwankenden Umgebungen nutzen, desto besser können wir Wege finden, den Stoffwechselfluss zu manipulieren und Pflanzen letztendlich so zu gestalten, dass sie effizienter und nahrhafter sind“, sagte Fu.

Gelingt es den Pflanzen zunächst nicht, kommt es zur Photorespiration

Die Grundlagen der Photosynthese sind bekanntermaßen einfach: Pflanzen nehmen Wasser und Kohlendioxid aus ihrer Umgebung auf und wandeln diese Zutaten mit der Kraft des Sonnenlichts in Zucker und Sauerstoff um.

Aber manchmal beginnt dieser Prozess auf dem falschen Fuß. Das für die Aufnahme von Kohlendioxid zuständige Enzym kann stattdessen Sauerstoffmoleküle angreifen.

Dies erzeugt ein Nebenprodukt, das – wenn es nicht kontrolliert wird – die Pflanze im Wesentlichen ersticken würde, sagte Walker. Glücklicherweise haben Pflanzen jedoch einen Prozess namens Photorespiration entwickelt, der das schädliche Nebenprodukt beseitigt und dem Enzym einen weiteren Schwung bei der Photosynthese verleiht.

Die Photorespiration ist nicht annähernd so berühmt wie die Photosynthese, und sie bekommt manchmal einen schlechten Ruf, weil sie Kohlenstoff und Energie verbraucht, die für die Herstellung von Lebensmitteln verwendet werden könnten. So ineffizient es auch sein mag, die Photorespiration ist besser als die Alternative.

„Es ist eine Art Recycling“, sagte Walker. „Es wäre großartig, wenn wir es nicht bräuchten, aber solange wir Abfall erzeugen, können wir es genauso gut nutzen.“

Um ihre Aufgabe zu erfüllen, baut die Photorespiration Kohlenstoff in andere Moleküle oder Metaboliten ein, von denen einige Aminosäuren sind, die Vorläufer von Proteinen.

„Photorespiration ist also nicht nur Recycling, es könnte Upcycling sein“, sagte Walker.

Es gibt einen Grund, warum Walker in seiner Aussage „könnte sein“ anstelle von „ist“ verwendet hat. Die Photorespiration birgt immer noch einige Rätsel, und das Schicksal ihrer Metaboliten ist eines davon.

Stoffwechseldetektivarbeit

Wenn es darum geht, wo die durch Photorespiration produzierten Aminosäuren enden, war eine etablierte Theorie, dass sie in einem geschlossenen Kreislauf bleiben. Das bedeutet, dass die im Prozess hergestellten Metaboliten auf eine ausgewählte Gruppe von Organellen und biochemischen Prozessen beschränkt sind.

Jetzt haben die MSU-Forscher gezeigt, dass dies nicht immer der Fall ist. Insbesondere haben sie gezeigt, dass die Aminosäuren Glycin und Serin in der Lage sind, den Grenzen dieses geschlossenen Kreislaufs zu entkommen.

Was letztendlich aus den Verbindungen wird, ist eine offene Frage, die mit steigendem Kohlendioxidgehalt immer wichtiger werden könnte.

Pflanzen photorepirieren weniger, wenn mehr Kohlendioxid verfügbar ist, daher müssen Wissenschaftler tiefer untersuchen, wie Pflanzen diese Aminosäuren insgesamt produzieren und verwenden, sagte Walker.

Vorerst sind er und sein Team jedoch begeistert, dass sie zu diesem Ergebnis gelangt sind, das keine triviale Leistung war. Dabei wurde den Pflanzen eine spezielle Art von Kohlendioxid zugeführt, bei dem die Kohlenstoffatome ein Neutron mehr hatten als der normalerweise in der Atmosphäre vorkommende Kohlenstoff.

Ein Neutron ist ein subatomares Teilchen und hat als solches eine sehr kleine Masse. Wenn Sie eine Büroklammer nehmen, sie in eine Billion Stücke schneiden und dann eines dieser Stücke in weitere Billionen schneiden, hätten die kleinsten Stücke ungefähr die gleiche Masse wie ein Neutron.

Aber die MSU-Kollaboration verfügte über die Werkzeuge und das Fachwissen, die erforderlich waren, um diesen feinen Unterschied in der Masse zu messen. Diese Messungen, gekoppelt mit Computermodellen, ermöglichten es den Forschern, diesem leicht kräftigen Kohlenstoff zu folgen und zu sehen, wie Pflanzen ihn in verschiedenen Stoffwechselstadien integrieren, wenn die Bedingungen die Photorespiration begünstigen.

„Diese neue Technik ermöglichte ein besseres und quantitativeres Verständnis wichtiger Stoffwechselwege in Pflanzen“, sagte Fu. „Mit dem neuen Flux-Ansatz haben wir begonnen, den dynamischen Zustand von Stoffwechselwegen aufzudecken und den Stoffwechsel als Gesamtsystem zu verstehen.“

„Ich sagte, dass mein Labor das in meiner Bewerbung tun könnte, aber ich war mir nicht ganz sicher, ob es funktionieren würde“, sagte Walker, der 2018 zur MSU kam. Die Tatsache, dass es funktioniert hat, ist ein Verdienst des Teams auf dem Papier , zu der auch der Doktorand Luke Gregory und der wissenschaftliche Assistenzprofessor Sean Weise gehören.

Aber auch andere Kollegen an der MSU halfen, darunter University Distinguished Professor Thomas Sharkey, Professor Yair Shachar-Hill und das Team des Mass Spectrometry and Metabolomics Core.

„Der Wechsel zur MSU hat dies auf einzigartige Weise ermöglicht“, sagte Walker.