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Forschung & Technik
22.09.2022

Von Algen lernen

Der Ertrag unserer Nutzpflanzen hängt unter anderem davon ab, wie effizient sie Kohlendioxid aus der Luft binden können. Foto: Catrin Hahn

Kohlendioxid-Anreicherung verbessert die Photosyntheseleistung

RuBisCO heißt das zentrale Enzym, unter dessen Mitwirkung Pflanzen mithilfe von Kohlendioxid organische Kohlenstoffverbindungen aufbauen. Landpflanzen sind dabei jedoch nicht sehr effizient. Wissenschaftler wollen den Prozess verbessern.

Pflanzen – wie alle photosynthetisch arbeitenden Organismen – nutzen Kohlendioxid aus der Luft, um daraus organische Kohlenstoffverbindungen herzustellen. Leider arbeitet das zentrale Enzym dieses Vorgangs, RuBisCO, in Landpflanzen nicht besonders effizient; es nutzt nur etwa ein Drittel seiner theoretischen Kapazität. Das liegt daran, dass die CO2-Konzentration in der Nähe des Enzyms oft zu niedrig ist. Diese mangelnde Effizienz limitiert das Wachstum vieler Nutzpflanzen.

Algen sind effizienter

Andere Pflanzen und auch Cyanobakterien können das besser. Sie haben verschiedene Mechanismen entwickelt, das Kohlendioxid rund um das Enzym RuBisCO aktiv anzureichern. Die einzelligen Grünalgen der Art Chlamydomonas reinhardtii zum Beispiel führen diesen CO2-Konzentrierungsmechanismus in den sogenannten Pyrenoiden durch, räumlich begrenzten Strukturen in den Plastiden. Der genaue Mechanismus ist jedoch bisher unbekannt. Wissenschaftler der Princeton University und der Northwestern University in den USA haben ihn in Computer-Modellierungen näher untersucht. Ihr Ziel war, herauszufinden, ob dieser Prozess auf Nutzpflanzen übertragen werden könnte. Wenn dies gelänge, könnte deren Photosyntheseleistung deutlich steigen, und mit ihr die Erträge.

Mehr Kohlendioxid – mehr Leistung

Der Schlüssel für den Pyrenoid-basierten CO2-Konzentrationsmechanismus (PCCM), hat das Team um Chenyi Fei und Alexandra T. Wilson herausgefunden, ist offenbar eine physikalische Barriere um das Pyrenoid, damit das „mühsam hereintransportierte CO2 nicht sofort wieder entwischt“. Eine Stärkeschicht scheint in den Grünalgen diese Funktion zu übernehmen.

Die mathematischen Modellierungen haben ergeben, dass sich ein auf seine wesentlichen Komponenten reduziertes Pyrenoid-System zumindest im Computer ähnlich wie das Original verhält. In einer Veröffentlichung im renommierten nature-Journal schlagen die Wissenschaftler vor, wie man in einem vierstufigen Prozess gentechnischer Verfahren die notwendigen Veränderungen in Nutzpflanzen einfügen könnte.

Ob es allerdings eines Tages wirklich „PCCM-verbesserte“ Nutzpflanzen geben wird, ist schwierig zu prognostizieren. Die notwendigen gentechnischen Anpassungen sind kompliziert. Hilfreich wäre es jedoch schon, angesichts der großen Herausforderung, unter zunehmend widrigen klimatischen Bedingungen immer mehr Menschen zu ernähren. Die konventionelle Züchtung gerät hier an ihre Grenzen.

Quelle: pflanzenforschung.de

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