Wie schnell wachsende Algen das Wachstum von Nahrungsmittelpflanzen fördern könnten
Computermodell des pflanzlichen Mechanismus zur Kohlenstoffkonzentration könnte neuen Ansatz zur Steigerung der Ernteerträge liefern
Eine neue Studie bietet einen Rahmen für die Förderung des Pflanzenwachstums durch die Übernahme einer Strategie, die von einer schnell wachsenden Grünalgenart übernommen wurde. Die Algen, bekannt als Chlamydomonas reinhardtii, enthalten eine Organelle namens Pyrenoid, die die Umwandlung von Kohlenstoff, den die Algen aus der Luft aufnehmen, in eine Form beschleunigt, die die Organismen für ihr Wachstum nutzen können. In einer Studie, die am 19. Mai 2022 in der Fachzeitschrift Nature Plants veröffentlicht wurde, haben Forscher der Princeton University und der Northwestern University mit Hilfe von Molekülmodellen die Merkmale des Pyrenoids identifiziert, die für die Verbesserung der Kohlenstofffixierung am wichtigsten sind, und dann kartiert, wie diese Funktionalität in Nutzpflanzen eingebaut werden könnte.
Neue Forschungsergebnisse zeigen Wege zur Steigerung der Ernteerträge auf, indem Strategien einer schnell wachsenden Algenart in Pflanzen wie Weizen und Reis integriert werden.
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Dies ist nicht nur eine akademische Übung. Für viele Menschen stammt heute der Großteil der Nahrungskalorien von Nutzpflanzen, die vor Tausenden von Jahren domestiziert wurden. Seitdem haben Fortschritte bei der Bewässerung, Düngung, Züchtung und Industrialisierung der Landwirtschaft dazu beigetragen, die wachsende Weltbevölkerung zu ernähren. Inzwischen können diese Technologien jedoch nur noch schrittweise genutzt werden. In der Zwischenzeit wird sich die unsichere Ernährungslage , die für einen Großteil der Weltbevölkerung bereits ein Krisenniveau erreicht hat, aufgrund des Klimawandels voraussichtlich noch verschärfen.
Neue Technologien könnten diesen Trend umkehren. Viele Wissenschaftler glauben, dass die Algenpyrenoide eine solche Innovation darstellen. Wenn es Wissenschaftlern gelingt, eine pyrenoidähnliche Fähigkeit zur Konzentration von Kohlenstoff in Pflanzen wie Weizen und Reis zu entwickeln, könnten diese wichtigen Nahrungsquellen einen erheblichen Wachstumsschub erfahren.
"Diese Arbeit liefert klare Anhaltspunkte für die Entwicklung eines Mechanismus zur Kohlenstoffkonzentration in Pflanzen, einschließlich wichtiger Nutzpflanzen", so Martin Jonikas, einer der Hauptautoren der Studie, außerordentlicher Professor für Molekularbiologie in Princeton und Forscher am Howard Hughes Medical Institute.
Chlamydomonas reinhardtii erreicht die Kohlenstofffixierung durch die Wirkung des Enzyms Rubisco, das die Umwandlung vonCO2 in organischen Kohlenstoff katalysiert.
Landpflanzen nutzen Rubisco ebenfalls zur Kohlenstofffixierung, aber in den meisten Pflanzen arbeitet Rubisco nur mit etwa einem Drittel seiner theoretischen Kapazität, weil es nicht genügendCO2 zur Verfügung hat, um schneller zu arbeiten. Daher wurden große Anstrengungen unternommen, um die Mechanismen zur Konzentration von Kohlenstoff zu erforschen, vor allem in Cyanobakterien und Chlamydomonas, in der Hoffnung, diese Funktion irgendwann auch für Nutzpflanzen auf dem Land nutzen zu können. Aber es gibt ein Problem:
"Während die Struktur des Pyrenoids und viele seiner Bestandteile bekannt sind, bleiben wichtige biophysikalische Fragen zu seinem Mechanismus unbeantwortet, da es an quantitativen und systematischen Analysen mangelt", so der leitende Mitautor Ned Wingreen, Howard A. Prior Professor für Biowissenschaften in Princeton und Professor für Molekularbiologie und das Lewis-Sigler Institute of Integrative Genomics.
Um Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie der Mechanismus der Kohlenstoffkonzentration in Algenpyrenoiden funktioniert, entwickelte die Princeton-Absolventin Chenyi Fei in Zusammenarbeit mit der Studentin Alexandra Wilson, Jahrgang 2020, ein Rechenmodell der Pyrenoide mit Hilfe des Mitautors Niall Mangan, Assistenzprofessor für Ingenieurwissenschaften und angewandte Mathematik an der Northwestern University.
Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass das Pyrenoid von Chlamydomonas reinhardtii aus einer kugelförmigen Rubisco-Matrix besteht, die von einem Gefäßsystem aus membranumschlossenen Fortsätzen, den so genannten Pyrenoidtubuli, durchzogen und von einer Hülle aus Stärke umgeben ist. Man geht davon aus, dass das aus der Umwelt aufgenommeneCO2 in Bikarbonat umgewandelt und dann in die Tubuli transportiert wird, von wo aus es in das Pyrenoid gelangt. Ein in den Tubuli vorhandenes Enzym wandelt Bikarbonat wieder inCO2 um, das dann in die Rubisco-Matrix diffundiert. Aber ist dieses Bild vollständig?
"Unser Modell zeigt, dass dieses herkömmliche Bild des Pyrenoid-Kohlenstoffkonzentrationsmechanismus nicht funktionieren kann, weil dasCO2 einfach schnell wieder aus dem Pyrenoid austreten würde, bevor Rubisco darauf einwirken könnte", so Wingreen. "Stattdessen muss die Stärkehülle um das Pyrenoid als Diffusionsbarriere wirken, um dasCO2 mit Rubisco im Pyrenoid einzuschließen".
Das Modell der Forscher identifizierte nicht nur diese Diffusionsbarriere, sondern auch andere Proteine und strukturelle Merkmale, die für dieCO2-Konzentration erforderlich sind. Das Modell identifizierte auch nicht benötigte Komponenten, was die Entwicklung der Pyrenoidfunktionalität in Pflanzen vereinfachen sollte. Dieses vereinfachte Modell des Pyrenoids, so zeigten die Forscher, verhält sich ähnlich wie die tatsächliche Organelle.
"Das neue Modell, das Fei, Wilson und ihre Kollegen entwickelt haben, ist ein Wendepunkt", sagte Alistair McCormick, ein Experte für molekulare Pflanzenphysiologie und synthetische Biologie an der Universität Edinburgh, der mit den Princeton-Wissenschaftlern zusammengearbeitet hat, aber nicht an dieser Studie beteiligt war.
"Eine der wichtigsten Erkenntnisse dieser Arbeit, die den Mechanismus der Kohlenstoffkonzentration in Chlamydomonas von denen in Cyanobakterien unterscheidet, ist, dass die Einführung aktiver Bicarbonat-Transporter möglicherweise nicht notwendig ist", sagte McCormick. "Das ist wichtig, denn der aktive Bikarbonattransport war eine der größten Herausforderungen, die den Fortschritt bei der Entwicklung von biophysikalischen Mechanismen zur Kohlenstoffkonzentration behindert hat".
Die Studie "Modeling the pyrenoid-basedCO2-concentrating mechanism provides insights into its operating principles and a roadmap for its engineering into crops" von Chenyi Fei, Alexandra T. Wilson, Niall M. Mangan, Ned S. Wingreen und Martin C. Jonikas wurde in Nature Plantsveröffentlicht .
Finanziert wurde diese Forschung von den National Institutes of Health, der National Science Foundation, der Simons Foundation und dem Howard Hughes Medical Institute.
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