Turbo-Tabak entlehnt Bakteriengene für schnellere Photosynthese

  • 2019

Rothamsted-Forschung Seite an Seite gesehenerscheinen die beiden Tabakpflanzen identisch. Sehen Sie sich tief in die Zellen dieser Blätter ein, und Sie werden feststellen, dass eine Pflanze über eine starke molekulare Maschinerie verfügt, die sich Bakterien entlehnt. Diese Leistung der Gentechnik könnte den natürlichen Prozess der Photosynthese beschleunigen und den Weg für schneller wachsende und ertragreichere Kulturen ebnen.

Genetiker und Molekularbiologen haben seit langem versucht, die photosynthetischen Fähigkeiten von Cyanobakterien - einzelligen Lebewesen, die früher als blaugrüne Algen bekannt waren - mit Pflanzen zu verschmelzen. Der Grund ist einfach: Cyanobakterien wandeln Sonnenlicht viel schneller und effizienter in nutzbare Energie um als Mais, Weizen, Reis oder andere Pflanzen. Das liegt zum Teil daran, dass die sonnenliebenden Bakterien eine verbesserte Version eines lebenswichtigen Enzyms namens Rubisco verwenden, das Nahrung aus CO2 aufbaut.

Wenn landwirtschaftliche Pflanzen Photosynthese im Tempo der Bakterien durchführen könnten, würden Wissenschaftler den Düngerbedarf senken und die Ernteproduktion um 35 bis 60 Prozent steigern. Und während unzählige Forschungsteams diese Leistung der Gentechnik ausprobiert haben, hat heute ein Team britischer und amerikanischer Biologen verkündet, das halbe Rätsel zu lösen: Sie haben eine Tabakfabrik mit gentechnisch veränderten Cyanobakterien Rubisco angebaut.

"Die Ergebnisse dieses Experiments zum ersten Mal zu hören, war definitiv eines dieser 'Euerka!' Momente, für die Sie als Wissenschaftler leben ", sagt Maureen Hanson, Biochemikerin an der Cornell University, die die amerikanische Seite des Experiments anführte.

Auf die Frage, warum ihr Wissenschaftlerteam dort erfolgreich war, wo andere zuvor versagt hatten, verweist Hanson auf die Herangehensweise des Teams. Die Wissenschaftler tauschten nicht nur die bakteriellen Gene aus, die für den turbisco aufgeladenen Rubisco kodieren, sondern machten auch mehrere andere genetische Substitutionen, um Proteine ​​einzufügen, die den Rubisco herstellen.

Das Sauerstoffproblem

Während dies ein beeindruckender Schritt in Richtung auf hocheffiziente Pflanzen ist, betont Hanson, dass sie nur eine Seite des Problems gelöst haben, Pflanzen dazu zu bringen, Bakterien zu emulieren. Neben dem turbogeladenen Rubisco haben sich auch Cyanobakterien darauf spezialisiert, diese Enzyme unterzubringen. Wissenschaftlern ist es bislang nicht gelungen, diese Schutzhüllen in Pflanzen gentechnisch zu verändern, und ohne sie funktioniert der Rubisco der Bakterien in den Pflanzen der Wissenschaftler eher schlecht.

Hier ist der Grund: Das Rubisco-Enzym, das das für die Zubereitung von Essen verwendete CO2 aufnimmt, neigt dazu, sich zu vermischen und stattdessen Sauerstoff zu gewinnen. Das falsche Gas zu gewinnen, verlangsamt nicht nur das Enzym, sondern zerstört auch die bereits geleistete Arbeit.Pflanzen entwickelten sich, um mit diesem Problem umzugehen, indem sie eine Form von Rubisco entwickelten, die langsam und ineffizient ist, aber bei der Auswahl des richtigen Gases vorsichtiger ist. Cyanobakterien haben jedoch eine andere Lösung gefunden: Sie verwenden die oben genannten Schutzkapseln, um Sauerstoff abzuwehren, und schaffen so eine winzige, CO2-reiche Umgebung für ihre Rubisco.

Mit den Schutzkapseln wuchsen die modifizierten Tabakpflanzen in der Studie tatsächlich langsamer als gewöhnlicher Tabak. Um mitzuhalten, sagt Hanson, "haben wir unsere [gentechnisch veränderten] Pflanzen in einer Umgebung mit erhöhtem CO2-Gehalt mit mehr 22-facher Menge der normalen Menge des Gases angebaut", und sie wachsen immer noch etwas langsamer als die normalen Pflanzen. "

Die drohende Lebensmittelkrise

Obwohl das Team von Hanson bei der Lösung der anderen Hälfte des Problems alle Anstrengungen unternommen hat, sehen die Experten in diesem Fortschritt ein unglaubliches Potenzial. Dean Price, ein führender Pflanzengenetiker an der Austrian National University (der nicht an der Arbeit beteiligt war), sagt: "Dies zeigt, dass eines der wichtigen Elemente zur Schaffung schnellerer und effizienterer Kulturen bereits erreicht wurde."

Und es ist gerade rechtzeitig, sagt Price. Seit Mitte des 20. Jahrhunderts haben die Techniken der Pflanzenzüchtung sowie verbesserte Düngemittel und Pestizide, die die grüne Revolution ausgelöst haben, dazu beigetragen, dass die Nahrungsmittelproduktion mit der ständig wachsenden Zahl hungriger Mäuler der Menschheit Schritt halten kann. "[Aber] die grüne Revolution hat im Grunde keine Kraft mehr", sagt Price.

Laut Price zeigen einfache Berechnungen, dass der Mensch in den nächsten 35 Jahren die Nahrungsmittelproduktion nahezu verdoppeln muss, um das erwartete Bevölkerungswachstum zu erreichen. Wir haben jedoch begonnen, die genetische Grenze der Pflanzenproduktion zu erreichen, während gleichzeitig die Erträge für neue Pestizide und Düngemittel rapide abnehmen.

Kein Wunder also, dass Wissenschaftler wie Price und Hanson Hoffnung auf laufende GVO-Experimente setzen, die uns zeigen könnten, wie die drohende Ernährungskrise abgewendet werden kann (so wie die Entdeckung der Düngemittelproduktion durch Stickstoffbindung in den 1910er Jahren die weltweite Katastrophe umging). . Und es geht nicht nur darum, Photosynthese zu hacken. Hanson weist auch auf andere Techniken hin, die auf die Verbesserung der Ernteeffizienz abzielen, z. B. die Verwendung von blattgebundenen Nanopartikeln.

"Wer weiß, was der beste Weg ist, um dieses Problem zu lösen, ich denke, wir müssen all diese verschiedenen Forschungsbereiche verfolgen", sagt sie.

TURBO RED Tabak Test (german) Video.

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