RIPE-Forscher weisen erstmals nach, dass die Verbesserung der Photosynthese durch Bioengineering die Erträge von Nahrungsmittelpflanzen erhöht
Zum ersten Mal haben RIPE-Forscher bewiesen, dass das Bioengineering der Photosynthese mit mehreren Genen den Ertrag einer wichtigen Nahrungspflanze in Feldversuchen erhöht. Nach mehr als zehn Jahren Arbeit an diesem Ziel hat ein gemeinsames Team unter der Leitung der University of Illinois Sojapflanzen transgen verändert, um die Effizienz der Photosynthese zu steigern, was zu höheren Erträgen ohne Qualitätseinbußen führt.
Licht im Kronendach von Sojabohnen
Allison Arp/RIPE project
Ergebnisse dieser Größenordnung könnten zu keinem wichtigeren Zeitpunkt kommen. Der jüngste UN-Bericht "The State of Food Security and Nutrition in the World 2022" stellt fest, dass im Jahr 2021 fast 10 % der Weltbevölkerung an Hunger litten - eine Situation, die sich in den letzten Jahren stetig verschlechtert hat und alle anderen Bedrohungen der globalen Gesundheit in den Schatten stellt. Nach Angaben von UNICEF werden bis 2030 voraussichtlich mehr als 660 Millionen Menschen von Nahrungsmittelknappheit und Unterernährung betroffen sein. Zwei der Hauptursachen hierfür sind ineffiziente Lebensmittelversorgungsketten (Zugang zu Lebensmitteln) und härtere Anbaubedingungen für Nutzpflanzen aufgrund des Klimawandels. Die Verbesserung des Zugangs zu Nahrungsmitteln und die Verbesserung der Nachhaltigkeit des Nahrungsmittelanbaus in verarmten Gebieten sind die Hauptziele dieser Studie und des RIPE-Projekts.
Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) ist ein internationales Forschungsprojekt, das darauf abzielt, die weltweite Nahrungsmittelproduktion zu steigern, indem die photosynthetische Effizienz von Nahrungsmittelpflanzen für Kleinbauern in Afrika südlich der Sahara verbessert wird. Unterstützt wird das Projekt von der Bill & Melinda Gates Foundation, der Foundation for Food & Agriculture Research und dem U.K. Foreign, Commonwealth & Development Office.
"Die Zahl der Menschen, die von Nahrungsmittelknappheit betroffen sind, nimmt weiter zu, und die Prognosen zeigen deutlich, dass sich die Situation auf der Ebene der Nahrungsmittelversorgung ändern muss", so Amanda De Souza, wissenschaftliche Mitarbeiterin im RIPE-Projekt und Hauptautorin. "Unsere Forschung zeigt einen wirksamen Weg auf, um zur Ernährungssicherheit der Menschen beizutragen, die sie am dringendsten benötigen, und gleichzeitig zu vermeiden, dass mehr Land für die Produktion benötigt wird. Die Verbesserung der Photosynthese ist eine wichtige Möglichkeit, das Ertragspotenzial zu steigern.
Die Photosynthese, der natürliche Prozess, den alle Pflanzen nutzen, um Sonnenlicht in Energie und Ertrag umzuwandeln, ist ein überraschend ineffizienter Prozess mit mehr als 100 Schritten, an dessen Verbesserung RIPE-Forscher seit mehr als einem Jahrzehnt gearbeitet haben. In ihrer kürzlich in der Zeitschrift Science veröffentlichten Arbeit verbesserte die Gruppe das VPZ-Konstrukt in der Sojapflanze, um die Photosynthese zu verbessern, und führte anschließend Feldversuche durch, um zu sehen, ob sich der Ertrag dadurch verbessern würde.
Das VPZ-Konstrukt enthält drei Gene, die für Proteine des Xanthophyll-Zyklus kodieren, eines Pigmentzyklus, der zum Lichtschutz der Pflanzen beiträgt. Bei voller Sonneneinstrahlung wird dieser Zyklus in den Blättern aktiviert, um sie vor Schäden zu schützen, so dass die Blätter die überschüssige Energie ableiten können. Wenn die Blätter jedoch beschattet werden (durch andere Blätter, Wolken oder die Sonne, die sich am Himmel bewegt), muss dieser Lichtschutz abgeschaltet werden, damit die Blätter den Photosyntheseprozess mit einer Reserve an Sonnenlicht fortsetzen können. Es dauert mehrere Minuten, bis die Pflanze den Schutzmechanismus ausgeschaltet hat, was sie wertvolle Zeit kostet, die sie für die Photosynthese hätte nutzen können.
Die Überexpression der drei Gene aus dem VPZ-Konstrukt beschleunigt den Prozess, so dass der Lichtschutz jedes Mal, wenn ein Blatt vom Licht in den Schatten wechselt, schneller abgeschaltet wird. Die Blätter gewinnen zusätzliche Minuten an Photosynthese, die, wenn sie über die gesamte Vegetationsperiode addiert werden, die gesamte Photosyntheserate erhöhen. Diese Forschung hat gezeigt, dass trotz einer Ertragssteigerung von mehr als 20 % die Saatgutqualität nicht beeinträchtigt wurde.
"Trotz des höheren Ertrags blieb der Proteingehalt der Samen unverändert. Dies deutet darauf hin, dass ein Teil der durch die verbesserte Photosynthese gewonnenen zusätzlichen Energie wahrscheinlich zu den stickstofffixierenden Bakterien in den Knöllchen der Pflanze umgeleitet wurde", so RIPE-Direktor Stephen Long, Ikenberry-Stiftungslehrstuhl für Nutzpflanzenwissenschaften und Pflanzenbiologie am Carl R. Woese Institute for Genomic Biology von Illinois.
Die Forscher testeten ihre Idee zunächst an Tabakpflanzen, da sich die Genetik dieser Pflanze leicht verändern lässt und aus einer einzigen Pflanze eine große Anzahl von Samen gewonnen werden kann. Diese Faktoren ermöglichen es den Forschern, innerhalb weniger Monate von der genetischen Transformation zu einem Feldversuch überzugehen. Nachdem sich das Konzept bei Tabak bewährt hatte, ging man zu der komplizierteren Aufgabe über, die Genetik in eine Nahrungspflanze, Sojabohnen, einzubringen.
"Die Tatsache, dass wir jetzt sowohl bei Tabak als auch bei Sojabohnen, zwei sehr unterschiedlichen Pflanzen, erhebliche Ertragssteigerungen nachweisen konnten, lässt vermuten, dass dieses Konzept universell anwendbar ist", so Long. "Unsere Studie zeigt, dass die Erzielung von Ertragssteigerungen stark von der Umwelt beeinflusst wird. Es ist von entscheidender Bedeutung, die Wiederholbarkeit dieses Ergebnisses in verschiedenen Umgebungen zu ermitteln und weitere Verbesserungen vorzunehmen, um die Umweltstabilität des Gewinns sicherzustellen."
In diesem Jahr werden weitere Feldversuche mit diesen transgenen Sojapflanzen durchgeführt, deren Ergebnisse für Anfang 2023 erwartet werden.
"Die wichtigste Auswirkung dieser Arbeit ist, dass wir zeigen können, dass wir die Photosynthese biotechnisch verändern und die Erträge verbessern können, um die Nahrungsmittelproduktion bei wichtigen Nutzpflanzen zu steigern", sagte De Souza. "Es ist der Beginn der Bestätigung, dass die Ideen des RIPE-Projekts ein erfolgreiches Mittel zur Ertragssteigerung bei wichtigen Nahrungspflanzen sind."
Das RIPE-Projekt und seine Sponsoren haben sich verpflichtet, den globalen Zugang zu gewährleisten und die Technologien des Projekts den Landwirten zur Verfügung zu stellen, die sie am dringendsten benötigen.
"Für mich persönlich war dies ein Weg von mehr als einem Vierteljahrhundert", sagte Long. "Angefangen hat es mit einer theoretischen Analyse der Effizienz der pflanzlichen Photosynthese, der Simulation des gesamten Prozesses mit Hilfe von Hochleistungsrechnern, gefolgt von der Anwendung von Optimierungsroutinen, die mehrere Engpässe in dem Prozess in unseren Kulturen aufzeigten. Dank der finanziellen Unterstützung in den letzten zehn Jahren konnten wir nun einige dieser Engpässe beseitigen und die Produkte im Feldmaßstab testen. Nach jahrelangem Tüfteln ist es eine wunderbare Belohnung für das Team, ein so spektakuläres Ergebnis zu erzielen."
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