Wissenschaftler erwecken alte Enzyme wieder zum Leben, um die Photosynthese zu verbessern

Eine Studie der Cornell University beschreibt einen Durchbruch bei der Verbesserung der Photosynthese in bestimmten Nutzpflanzen, ein Schritt zur Anpassung der Pflanzen an den raschen Klimawandel und zur Steigerung der Erträge, um bis 2050 voraussichtlich 9 Milliarden Menschen ernähren zu können.

Die Studie mit dem Titel „Improving the Efficiency of Rubisco by Resurrecting Its Ancestors in the Family Solanaceae“ wurde am 15. April in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht. Hauptautorin ist Maureen Hanson, die Liberty Hyde Bailey-Professorin für Molekularbiologie der Pflanzen im College of Agriculture and Life Sciences. Der Erstautor Myat Lin ist Postdoktorand in Hansons Labor.

Die Autoren entwickelten eine Rechentechnik zur Vorhersage günstiger Gensequenzen, die Rubisco, ein wichtiges Pflanzenenzym für die Photosynthese, herstellen. Mit dieser Technik konnten die Wissenschaftler vielversprechende Enzymkandidaten identifizieren, die in moderne Nutzpflanzen eingebaut werden könnten, um die Photosynthese effizienter zu gestalten und die Ernteerträge zu steigern.

Ihre Methode stützte sich auf die Evolutionsgeschichte, wobei die Forscher Rubisco-Gene aus der Zeit vor 20-30 Millionen Jahren vorhersagten, als der Kohlendioxidgehalt (CO2) auf der Erde höher war als heute und die Rubisco-Enzyme in den Pflanzen an diese Werte angepasst waren.

Die Wiederbelebung alter Rubisco-Gene verspricht die Entwicklung schnellerer, effizienterer Rubisco-Enzyme, die in Nutzpflanzen eingebaut werden können und ihnen helfen, sich an heiße, trockene Bedingungen in der Zukunft anzupassen, da menschliche Aktivitäten die wärmefördernden CO2-Gaskonzentrationen in der Erdatmosphäre erhöhen.

Die Studie beschreibt Vorhersagen von 98 Rubisco-Enzymen zu Schlüsselzeitpunkten in der Evolutionsgeschichte von Pflanzen aus der Familie der Nachtschattengewächse (Solanaceae), zu denen Tomate, Paprika, Kartoffel, Aubergine und Tabak gehören. Die Forscher verwenden Tabak als Versuchsmodell für ihre Untersuchungen von Rubisco.

„Wir waren in der Lage, voraussichtliche Enzyme aus der Vorzeit zu identifizieren, die im Vergleich zu heutigen Enzymen bessere Eigenschaften aufweisen“, so Hanson. Lin entwickelte die neue Technik zur Identifizierung der vorhergesagten alten 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 sie zur Energiegewinnung und zum Aufbau neuen Gewebes verwenden.

Viele Jahre lang haben sich die Forscher auf Rubisco konzentriert, ein langsames Enzym, das Kohlenstoff aus CO2 zieht (oder bindet), um Zucker zu erzeugen. Rubisco ist nicht nur langsam, sondern katalysiert manchmal auch eine Reaktion mit Luftsauerstoff, wodurch ein giftiges Nebenprodukt entsteht, Energie verschwendet wird und die Photosynthese ineffizient wird.

Hansons Labor hatte zuvor versucht, Rubisco aus Cyanobakterien (Blaualgen) zu verwenden, das zwar schneller ist, aber auch leicht mit Sauerstoff reagiert, was die Forscher dazu zwang, Mikrokompartimente zu schaffen, um das Enzym vor Sauerstoff zu schützen – mit gemischten Ergebnissen. Andere Forscher haben versucht, durch Änderungen an den Aminosäuren des Enzyms ein optimaleres Rubisco zu entwickeln, obwohl wenig darüber bekannt war, welche Änderungen zu den gewünschten Ergebnissen führen würden.

In dieser Studie rekonstruierte Lin eine Phylogenie – ein baumartiges Diagramm, das die evolutionäre Verwandtschaft zwischen Organismengruppen zeigt – von Rubisco anhand von Solanaceae-Pflanzen.

„Indem wir eine Menge [genetischer] Sequenzen von Rubisco in existierenden Pflanzen erhielten, konnte ein phylogenetischer Baum erstellt 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) hoch war. Heute steigt der wärmespeichernde CO2-Gehalt aufgrund zahlreicher menschlicher Aktivitäten stark an und liegt nach aktuellen Messungen bei etwa 420 ppm, nachdem er bis in die 1950er Jahre über Hunderte von Jahrtausenden relativ konstant unter 300 ppm geblieben war.

Lin, Hanson und Kollegen verwendeten dann ein experimentelles System, das in Hansons Labor für Tabak entwickelt und in einem Nature Plants-Artikel aus dem Jahr 2020 beschrieben wurde und bei dem E. coli-Bakterien eingesetzt werden, um an einem einzigen Tag die Wirksamkeit verschiedener Versionen von Rubisco zu testen. Ähnliche Tests an Pflanzen benötigen Monate, um sie zu überprüfen.

Das Team fand heraus, dass die alten Rubisco-Enzyme, die aus den heutigen Solanaceae-Pflanzen vorhergesagt wurden, sehr vielversprechend sind, weil sie effizienter sind.

„Im nächsten Schritt wollen wir die Gene für das bestehende Rubisco-Enzym in Tabak mit Hilfe der CRISPR-Technologie durch diese uralten Sequenzen ersetzen und dann messen, wie sich dies auf die Produktion von Biomasse auswirkt“, so Hanson. „Wir hoffen natürlich, dass unsere Experimente zeigen werden, dass wir durch die Anpassung von Rubisco an die heutigen Bedingungen Pflanzen mit höheren Erträgen erhalten werden.

Wenn sich ihre Methode als erfolgreich erweist, könnten diese effizienten Rubisco-Sequenzen in Nutzpflanzen wie Tomaten, aber auch in Pflanzen aus anderen Familien wie Sojabohnen und Reis übertragen werden.

Die Studie wurde vom U.S. Department of Energy finanziert.

Datum: April 18, 2022
Quelle: Cornell Universität


Journal Reference:

  1. Myat T. Lin, Heidi Salihovic, Frances K. Clark, Maureen R. Hanson. Improving the efficiency of Rubisco by resurrecting its ancestors in the family SolanaceaeScience Advances, 2022; 8 (15) DOI: 10.1126/sciadv.abm6871

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