Gewöhnliches Unkraut kann eine „Superpflanze“ sein, die den Schlüssel zu dürreresistenten Pflanzen darstellt

Ein gewöhnliches Unkraut birgt wichtige Hinweise darauf, wie man in einer vom Klimawandel heimgesuchten Welt dürreresistente Pflanzen züchten kann.

Yale-Wissenschaftler beschreiben, wie Portulaca oleracea, allgemein bekannt als Portulak, zwei unterschiedliche Stoffwechselwege integriert, um eine neuartige Art der Photosynthese zu schaffen, die es dem Unkraut ermöglicht, Dürre zu überstehen und gleichzeitig hochproduktiv zu bleiben, berichten sie am 5. August in der Zeitschrift Wissenschaftliche Fortschritte.

„Dies ist eine sehr seltene Kombination von Merkmalen und hat eine Art ‚Superpflanze‘ geschaffen – eine, die potenziell nützlich sein könnte für Unternehmungen wie den Pflanzenbau“, sagte Erika Edwards von Yale, Professorin für Ökologie und Evolutionsbiologie und leitende Autorin des Papier.

Pflanzen haben unabhängig voneinander eine Vielzahl unterschiedlicher Mechanismen entwickelt, um die Photosynthese zu verbessern, den Prozess, bei dem grüne Pflanzen Sonnenlicht nutzen, um Nährstoffe aus Kohlendioxid und Wasser zu synthetisieren. Zum Beispiel haben Mais und Zuckerrohr die sogenannte C4-Photosynthese entwickelt, die es der Pflanze ermöglicht, auch bei hohen Temperaturen produktiv zu bleiben. Sukkulenten wie Kakteen und Agaven besitzen einen anderen Typ namens CAM-Photosynthese, der ihnen hilft, in Wüsten und anderen Gebieten mit wenig Wasser zu überleben. Sowohl C4 als auch CAM erfüllen unterschiedliche Funktionen, rekrutieren jedoch denselben biochemischen Weg, um als „Add-Ons“ zur regulären Photosynthese zu fungieren.

Was den Weed-Portulak einzigartig macht, ist, dass er beide dieser evolutionären Anpassungen besitzt – was es ihm ermöglicht, sowohl hochproduktiv als auch sehr trockenheitstolerant zu sein, eine unwahrscheinliche Kombination für eine Pflanze. Die meisten Wissenschaftler glaubten, dass C4 und CAM innerhalb von Portulakblättern unabhängig voneinander arbeiteten.

Aber das Yale-Team unter der Leitung der Co-korrespondierenden Autoren und Postdoktoranden Jose Moreno-Villena und Haoran Zhou führte eine räumliche Analyse der Genexpression in den Blättern des Portulak durch und stellte fest, dass C4- und CAM-Aktivität vollständig integriert sind. Sie wirken in denselben Zellen, wobei Produkte von CAM-Reaktionen über den C4-Weg verarbeitet werden. Dieses System bietet ungewöhnlichen Schutz für eine C4-Pflanze in Dürrezeiten.

Die Forscher erstellten auch metabolische Flussmodelle, die die Entstehung eines integrierten C4+CAM-Systems vorhersagten, das ihre experimentellen Ergebnisse widerspiegelt.

Das Verständnis dieses neuartigen Stoffwechselwegs könnte Wissenschaftlern dabei helfen, neue Wege zu finden, um Pflanzen wie Mais so zu entwickeln, dass sie längerer Dürre standhalten, sagen die Autoren.

„In Bezug auf die Entwicklung eines CAM-Zyklus in einer C4-Pflanze wie Mais ist noch viel zu tun, bevor dies Realität werden kann“, sagte Edwards. „Aber was wir gezeigt haben, ist, dass die beiden Wege effizient integriert werden können und Produkte gemeinsam nutzen können. C4 und CAM sind kompatibler als wir dachten, was uns vermuten lässt, dass es da draußen noch viel mehr C4+CAM-Spezies gibt, die darauf warten entdeckt werden.“