Verschwenderische Fotosynthese: Wie der wichtigste Stoffwechselprozess der Erde effizienter werden könnte

Die Fotosynthese ist der bedeutendste Stoffwechselweg der Erde. Bei diesem biochemischen Prozess wird Kohlendioxid (CO2) und Wasser unter Verwendung von Lichtenergie in Biomasse umgewandelt. Als „Abfallprodukt“ entsteht dabei Sauerstoff. Dieser elementare Prozess blieb in Pflanzenforschung und –züchtung lange Zeit weitgehend unangetastet. Inzwischen kennt man die einzelnen Prozesse der Fotosynthese recht gut und weiß, wo diese nicht so effizient sind, wie sie sein könnten.

Von der Fotosynthese hängt alles Leben ab: Sie wandelt die Strahlungsenergie der Sonne in chemische Energie um, die in Form von Kohlenhydrate in Pflanzen gespeichert wird. Doch die Fotosynthese läuft hinsichtlich Energieausbeute und Effizienz an einigen Stellen nicht optimal ab. Nur ein geringer Anteil der Sonnenenergie wird tatsächlich in chemische Energie umgewandelt, die meiste Energie bleibt ungenutzt. Daher wird weltweit daran geforscht die Fotosynthese zu optimieren, um höhere Erträge oder mehr Biomasse zu erreichen.

Mit herkömmlichen Züchtungsmethoden sind Ertragssteigerungen bei vielen Arten ausgereizt. Diese sind aber unumgänglich, wenn 2050 schätzungsweise zehn Milliarden Menschen (FAO) ernährt werden müssen, ohne mehr Ressourcen wie Wasser und Nährstoffe zu verbrauchen und ohne zusätzliches Land in Anspruch zu nehmen.

Mehrere internationale Forschungsprojekte haben sich die Verbesserung der Fotosynthese zum Ziel gesetzt. Schon 2012 wurde unter Leitung der University of Illinois der Forschungsverbund RIPE (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency) gegründet. 2016 rief die Universität Wageningen das Programm Photosynthese 2.0 ins Leben, in dem wissenschaftliche Arbeitsgruppen aus ganz Europa zusammenarbeiten. Das Projekt wird von 51 Universitäten, Forschungsinstituten und internationalen Initiativen aus 17 EU-Mitgliedstaaten unterstützt und soll über zehn Jahre laufen. Beide Forschungsprojekte werden von der Bill & Melinda Gates Foundation finanziert. Seit 2016 gibt es hierzulande das Projekt Enhancing Crop Photosynthesis (EnCroPho), das ebenfalls Ertragssteigerungen durch verbesserte Fotosynthese zum Ziel hat. Das Forschungsprojekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und läuft noch bis 2023.

Das Sonnenlicht besser nutzen

Pflanzen sind unter natürlichen Bedingungen wechselnden Lichtverhältnissen ausgesetzt. Sie passen ihre Fotosynthese an die jeweils herrschenden Lichtintensitäten an. Bei hoher Sonneneinstrahlung geben die Pflanzen überschüssige Energie in Form von Wärme ab und schützen sich so vor Schäden. Manche Pflanzen besitzen die Fähigkeit, sich schneller an Licht- und Schattenwechsel anzupassen und damit effektiver Fotosynthese zu betreiben als andere.

Im Rahmen von Photosynthese 2.0 haben Wissenschaftler bei der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) verschiedene der daran beteiligten Gene identifiziert. Eines dieser Gene (Yellow Seedling 1) wurde bereits genauer untersucht: Weisen Pflanzen eine bestimmte Variante dieses Gens auf, können sie sich schneller auf zunehmende Lichtintensität einstellen als andere. Da diese Gene in fast allen Pflanzenarten vorkommen, auch in vielen Kulturpflanzen, sind auch dort entsprechende Gen-Varianten zu erwarten, die dann zu einer effektiveren Steuerung der Fotosynthese genutzt werden könnten.

Auch innerhalb des RIPE-Verbundes befasste sich ein Forschungsprojekt mit diesem Prozess. Die Forschenden veränderten in Tabakpflanzen die drei wichtigsten Gene, die die Anpassung der Fotosynthese an Licht- und Schatten-Wechsel kontrollieren. Danach erreichten diese Pflanzen nach einer Beschattung der Blätter schnell wieder die volle Fotosyntheserate, was normalerweise deutlich langsamer geschieht. In Feldversuchen zeigten die so veränderten Tabakpflanzen eine Steigerung der Biomasseproduktion um 15 Prozent.

Schlüsselenzyme der Fotosynthese verbessern

Das zentrale Enzym, das bei der Fotosynthese für die Bindung von CO2 zuständig ist, ist RuBisCO. Das Molekül arbeitet allerdings recht langsam und ineffizient, da es nicht nur CO2 bindet, sondern auch Sauerstoff. Die Pflanzenzelle kann jedoch mit dem daraus entstehenden Produkt nichts anfangen. Sie muss es in einem aufwändigen Prozess entgiften, wobei wiederum CO2 freigesetzt wird. Diesen verschwenderischen Prozess nennt man Lichtatmung. Wenn RuBisCO nicht mehr mit Sauerstoff reagieren würde, könnte das die Fotosyntheserate deutlich steigern.

Mit dieser Idee beschäftigen sich Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried. Zunächst erforschten sie intensiv das Enzym selbst, welches sehr groß und komplex ist. Um RuBisCO optimieren zu können, mussten sie den Aufbau und die Faltung des Moleküls erst einmal genau verstehen. Sie fanden heraus, dass für die korrekte Auffaltung des Riesenmoleküls „Helferproteine“ zuständig sind. Um RuBisCO und somit die Fotosynthese zu optimieren, brachten sie die RuBisCO-DNA und die DNA für die Helferproteine in Bakterienstämme ein, die das Enzym dann funktionsfähig produzieren können. Auf diese Weise lassen sich schnell verschiedene RuBisCO-Varianten herstellen. Anschließend wird untersucht, welche die Effizienz der Fotosynthese verbessern.

Ein Forscherteam der Universität Illinois baute bei Tabak Genkonstrukte für verschiedene solcher „optimierter“ RuBisCo-Varianten ein. Diese veränderten den Fotosynthese-Stoffwechsel und die Lichtatmung, so dass weniger Energie verbraucht und mehr Kohlendioxid zurückgewonnen wird. Am wirkungsvollsten war die Übertragung von zwei Stoffwechselgenen aus Kürbis und einer Alge. Die Pflanzen zeigten in Feldversuchen Ertragssteigerungen von rund 40 Prozent.

Es gibt noch weitere Ansatzpunkte für mehr Effizienz, etwa das Enzym SBPase, das einen Teilabschnitt der Fotosynthese steuert. Die natürlich vorkommende Menge dieses Enzyms bestimmt die Höhe der Biomasseproduktion. Ein vom britischen Rothamsted Research Institute koordiniertes Forschungsprojekt führte ein zusätzliches SBPase-Gen aus einer verwandten Art – der zweijährigen Zwenke (Brachypodium distachyon) - in Weizen ein. In Gewächshaus-Versuchen konnten die so gentechnisch veränderten (gv-) Pflanzen CO2 besser verarbeiten und erbrachten bis zu 40 Prozent mehr Ertrag als die Vergleichspflanzen. Seit 2017 laufen Freilandversuche, um diesen gv-Weizen unter Feldbedingungen zu testen.

In einem weiteren RIPE-Projekt gelang es, mehrere Fotosyntheseprozesse gleichzeitig zu optimieren. Zum einen wurde durch ein Gen aus Algen der Elektronentransport verbessert, zum anderen konnte durch vermehrte Produktion des pflanzeneigenen SBPase-Gens sowie eines ähnlichen Gens aus Cyanobakterien die Fixierung von CO2 in Zuckern gesteigert werden. In Freilandtests zeigten die veränderten Tabakpflanzen ein um 27 Prozent erhöhtes Wachstum im Vergleich zu den Kontrollpflanzen. Gleichzeitig konnten die Pflanzen Wasser effektiver nutzen.

C4-Zyklus in C3-Pflanzen einbauen

Einige Pflanzenarten wie Mais, Hirse oder Zuckerrohr bilden in nur einer Anbausaison sehr viel Biomasse. Sie haben im Laufe der Evolution eine besonders effektive Form der Fotosynthese - die C4-Fotosynthese - entwickelt. Forscher versuchen daher, diese auch in andere Pflanzenarten „einzubauen“, zum Beispiel in Reis. Am Internationalen Reisforschungsinstitut IRRI läuft dazu ein großes Projekt, an dem Forschungseinrichtungen aus aller Welt beteiligt sind, auch aus Deutschland.

Auch wenn der Weg bis zu einem „fertigen“ C4-Reis noch weit ist - die ersten Forschungsergebnisse sind viel versprechend.