Keine photosynthetische Verbesserung bei ictB-Transformanten in auf dem Feld gezüchteten Modellpflanzen

Es wird prognostiziert, dass die weltweite Nahrungsmittelversorgung bis zum Jahr 2050 um 50-80 % steigen muss, um mit der wachsenden Bevölkerung Schritt zu halten. Forscher auf der ganzen Welt haben daran gearbeitet, Wege zum nachhaltigen Anbau von Nahrungspflanzen zu finden, um diesen Bedarf zu decken, und die Verbesserung der Photosynthese in Pflanzen birgt große Möglichkeiten, diese Probleme zu lösen.

In einer aktuellen Studie, veröffentlicht in Zeitschrift für experimentelle Botanik, Ein Team von Forschern aus Illinois testete das Potenzial für eine erhöhte Pflanzenproduktivität und eine intrinsische Wassernutzungseffizienz durch die Überexpression des anorganischen Kohlenstofftransporters B (ictB) in Tabak aus dem Freilandanbau. Ihre Ergebnisse zeigten jedoch keinen signifikanten Unterschied zwischen den im Feld gezüchteten ictB-exprimierenden Tabaklinien und dem Wildtyp.

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine ictB-Überexpression möglicherweise nur Pflanzen zugute kommt, die in kontrollierten Umgebungen wie Gewächshäusern angebaut werden“, sagte Ursula Ruiz-Vera, eine ehemalige Postdoktorandin an der University of Illinois Urbana-Champaign, die diese Studie für ein Forschungsprojekt namens Realizing leitete Erhöhte photosynthetische Effizienz (RIPE). „Wenn die Vorteile der ictB-Überexpression nur in Pflanzen zu sehen sind, die in kontrollierten Umgebungen angebaut werden, lohnt es sich, diese Methode unter diesen Bedingungen eingehender zu untersuchen, was Pflanzen zugute kommen kann, die Umgebungen wie Gewächshäuser nutzen, wie Gemüsekulturen. Diese Methode kann jedoch nicht der effizienteste Weg, um die Nahrungsmittelproduktion unter Feldbedingungen zu steigern.“ Ruiz-Vera arbeitet jetzt als Senior Scientist, Pflanzenphysiologe für Kontrollumgebungen bei Bayer Crop Science.

RIPE, das von Illinois geleitet wird, entwickelt Pflanzen, die durch die Verbesserung der Photosynthese produktiver sind. RIPE wird von der Bill & Melinda Gates Foundation, der Foundation for Food & Agriculture Research und dem UK Foreign, Commonwealth & Development Office unterstützt.

Pflanzen fallen unter zwei Haupttypen der Photosynthese, C3 und C4. Der Unterschied zwischen diesen beiden besteht darin, dass C4-Pflanzen einen Kohlenstoffkonzentrationsmechanismus (CCM) betreiben, der die CO2-Konzentration um das Enzym Rubisco herum erhöht. Aufgrund dieser CCM haben C4-Pflanzen tendenziell eine höhere Wasser- und Stickstoffnutzungseffizienz.

Die meisten wichtigen Nahrungspflanzen, die von Menschen verzehrt werden, nutzen jedoch den weniger effizienten C3-Photosyntheseweg, was zu Initiativen zur Verbesserung von C3-Pflanzen führt. Mehrere Studien im Laufe der Jahre haben gezeigt, dass eine Überexpression des ictB-Gens die photosynthetische Effizienz in C3-Pflanzen verbessern würde.

Ein Großteil der Tests von RIPE zur Verbesserung der Photosynthese wurde mit Tabakpflanzen durchgeführt, da sie eine praktische Proof-of-Concept-Pflanze sind. Da Tabak aufgrund seiner Fähigkeit, eine große Menge an Saatgut zu produzieren, was die Testzyklen verkürzen würde, leicht genetisch zu transformieren ist, wird es einfacher, die erfolgreichen genetischen Merkmale zu übertragen, die sich in Nahrungspflanzen wie Augenbohne, Maniok und Sojabohne widerspiegeln.

Das Team testete vier Tabak-ictB-Transformanten auf photosynthetische Leistung unter Feldbedingungen im Vergleich zum Wildtyp, basierend auf früheren Studien, die gezeigt hatten, dass ictB-Tabak-Transformanten die photosynthetische Effizienz und Biomasse erhöhten, ohne die Wassernutzungseffizienz zu beeinträchtigen.

„Die meisten früheren Studien wurden unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt, und es ist nicht klar, ob diese Verbesserungen der Pflanzenproduktivität auf Feldfrüchte übertragen werden könnten“, sagte Liana Acevedo-Siaca, die diese Studie während ihrer Zeit in Illinois mitleitete Zeit als Postdoktorand. „In diesem Experiment wollten wir ictB-Tabakpflanzen im Freiland anbauen, um zu bewerten, ob diese transgenen Pflanzen unter Freilandbedingungen eine höhere photosynthetische Effizienz aufweisen als Wildtypen.“

Insgesamt deuteten ihre Ergebnisse darauf hin, dass die Transformanten im Gegensatz zu früheren Studien, die etwas anderes vermuten ließen, in Bezug auf Photosynthese, Biomasse und Blattzusammensetzung nicht besser abschneiden als der Wildtyp. Es bleibt jedoch Optimismus, dass ictB immer noch wertvoll ist, um zur Verbesserung der Ernteerträge beizutragen, da Ergebnisse aus früheren Studien signifikante Gewinne für die Biomasseproduktion mit ictB-Überexpression gezeigt hatten.

Es sollte mehr Forschung betrieben werden, um die Funktion des Gens vollständig zu verstehen und zu verstehen, unter welchen Umweltbedingungen es den größten Nutzen für die Pflanzenleistung bietet und dazu beiträgt, den gestiegenen globalen Bedarf an Nahrungsmitteln zu decken.

„Obwohl frühere Ergebnisse Vorteile in Gewächshäusern und kontrollierten Umgebungen für ictB-Transformanten zeigten, gibt es auch eine positive Seite“, sagte Acevedo-Siaca, die jetzt als assoziierte Wissenschaftlerin im Global Wheat Program am International Maize and Wheat Improvement Center arbeitet ( CIMMYT) in Mexiko. „Da wir versuchen, die Lebensmittelproduktion nachhaltig zu steigern, könnten die Landwirtschaft in Gewächshäusern und die vertikale Landwirtschaft von einer ictB-Überexpression profitieren.“