Eine Cornell-Studie beschreibt einen Durchbruch bei der Suche nach einer Verbesserung der Photosynthese in bestimmten Nutzpflanzen, einen Schritt zur Anpassung von Pflanzen an schnelle Klimaänderungen und zur Steigerung der Erträge, um bis 2050 voraussichtlich 9 Milliarden Menschen zu ernähren.
Die Studie „Improving the Efficiency of Rubisco by Resurrecting Its Ancestors in the Family Solanaceae“ wurde am 15 Wissenschaftliche Fortschritte. Die leitende Autorin ist Maureen Hanson, Liberty Hyde Bailey-Professorin für Molekularbiologie der Pflanzen am College of Agriculture and Life Sciences. Erstautor Myat Lin ist Postdoktorand in Hansons Labor.
Die Autoren entwickelten eine Computertechnik, um günstige Gensequenzen vorherzusagen, die Rubisco, ein wichtiges Pflanzenenzym für die Photosynthese, bilden. Die Technik ermöglichte es den Wissenschaftlern, vielversprechende Kandidatenenzyme zu identifizieren, die in moderne Nutzpflanzen eingebaut werden könnten und letztendlich die Photosynthese effizienter machen und die Ernteerträge steigern könnten.
Ihre Methode stützte sich auf die Evolutionsgeschichte, in der die Forscher Rubisco-Gene vor 20 bis 30 Millionen Jahren vorhersagten, als der Kohlendioxidgehalt (CO2) der Erde höher war als heute und die Rubisco-Enzyme in Pflanzen an diese Werte angepasst waren.
Durch die Wiederbelebung des alten Rubisco sind erste Ergebnisse vielversprechend für die Entwicklung schnellerer, effizienterer Rubisco-Enzyme, die in Nutzpflanzen eingebaut werden können und ihnen helfen, sich an heiße, trockene zukünftige Bedingungen anzupassen, da menschliche Aktivitäten die wärmeeinfangenden CO2-Gaskonzentrationen in der Erdatmosphäre erhöhen.
Die Studie beschreibt Vorhersagen von 98 Rubisco-Enzymen zu Schlüsselmomenten in der Evolutionsgeschichte von Pflanzen der Familie der Nachtschattengewächse, zu denen Tomaten, Paprika, Kartoffeln, Auberginen und Tabak gehören. Forscher verwenden Tabak als experimentelles Modell für ihre Studien von Rubisco.
„Wir waren in der Lage, vorhergesagte Vorfahrenenzyme zu identifizieren, die im Vergleich zu heutigen Enzymen überlegene Qualitäten aufweisen“, sagte Hanson. Lin entwickelte die neue Technik zur Identifizierung vorhergesagter alter Rubisco-Enzyme.
Wissenschaftler wissen, dass sie die Ernteerträge steigern können, indem sie die Photosynthese beschleunigen, bei der Pflanzen CO2, Wasser und Licht in Sauerstoff und Zucker umwandeln, die Pflanzen zur Energiegewinnung und zum Aufbau neuer Gewebe verwenden.
Seit vielen Jahren konzentrieren sich Forscher auf Rubisco, ein langsames Enzym, das Kohlenstoff aus CO2 zieht (oder fixiert), um Zucker zu erzeugen. Abgesehen davon, dass Rubisco langsam ist, katalysiert es manchmal auch eine Reaktion mit Sauerstoff in der Luft; Dadurch entsteht ein giftiges Nebenprodukt, verschwendet Energie und macht die Photosynthese ineffizient.
Hansons Labor hatte zuvor versucht, Rubisco aus Cyanobakterien (Blaualgen) zu verwenden, das schneller ist, aber auch leicht mit Sauerstoff reagiert, was die Forscher zwang, zu versuchen, Mikrokompartimente zu schaffen, um das Enzym vor Sauerstoff zu schützen, mit gemischten Ergebnissen. Andere Forscher haben versucht, Rubisco optimaler zu gestalten, indem sie Änderungen an den Aminosäuren des Enzyms vorgenommen haben, obwohl wenig darüber bekannt war, welche Änderungen zu den gewünschten Ergebnissen führen würden.
In dieser Studie rekonstruierte Lin eine Phylogenie – ein baumähnliches Diagramm, das die evolutionäre Verwandtschaft zwischen Gruppen von Organismen zeigt – von Rubisco unter Verwendung von Solanaceae-Pflanzen.
„Indem man viel bekommt [genetic] Sequenzen von Rubisco in bestehenden Pflanzen, könnte ein phylogenetischer Baum konstruiert werden, um herauszufinden, welche Rubiscos wahrscheinlich vor 20 bis 30 Millionen Jahren existierten“, sagte Hanson.
Der Vorteil der Identifizierung potenzieller alter Rubisco-Sequenzen besteht darin, dass der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre vor 25 bis 50 Millionen Jahren möglicherweise 500 bis 800 Teile pro Million (ppm) betrug. Heute steigen die wärmespeichernden CO2-Werte aufgrund vieler menschlicher Aktivitäten stark an, mit aktuellen Messungen bei etwa 420 ppm, nachdem sie über Hunderte von Jahrtausenden bis in die 1950er Jahre relativ konstant unter 300 ppm geblieben waren.
Lin, Hanson und Kollegen verwendeten dann ein experimentelles System, das in Hansons Labor für Tabak entwickelt und in einem Artikel von Nature Plants aus dem Jahr 2020 beschrieben wurde, das E. coli-Bakterien einsetzt, um an einem einzigen Tag die Wirksamkeit verschiedener Versionen von Rubisco zu testen. Ähnliche Tests, die in Pflanzen durchgeführt werden, brauchen Monate, um sie zu verifizieren.
Das Team fand heraus, dass alte Rubisco-Enzyme, die von modernen Solanaceae-Pflanzen vorhergesagt wurden, wirklich vielversprechend für eine höhere Effizienz waren.
„Im nächsten Schritt wollen wir mit CRISPR die Gene für das im Tabak vorhandene Rubisco-Enzym durch diese angestammten Sequenzen ersetzen [gene-editing] Technologie und messen dann, wie sie sich auf die Produktion von Biomasse auswirkt“, sagte Hanson. „Wir hoffen natürlich, dass unsere Experimente zeigen werden, dass wir durch die Anpassung von Rubisco an die heutigen Bedingungen Pflanzen haben werden, die höhere Erträge liefern.“
Wenn sich ihre Methode bewährt, könnten diese effizienten Rubisco-Sequenzen auf Nutzpflanzen wie Tomaten, aber auch auf Pflanzen anderer Pflanzenfamilien wie Sojabohnen und Reis übertragen werden.
Myat T. Lin et al., Verbesserung der Effizienz von Rubisco durch Wiederbelebung seiner Vorfahren in der Familie der Nachtschattengewächse, Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abm6871