Wie macht man die Landwirtschaft widerstandsfähiger gegen extreme Wetterereignisse

Forscher haben entdeckt, wie einige Pflanzen eine extrem effiziente Photosynthese entwickelt haben. Dies könnte die Landwirtschaft revolutionieren und Nutzpflanzen wie Reis und Weizen produktiver und widerstandsfähiger gegen den Klimawandel machen.

Wissenschaftler entdecken, wie man die Photosynthese manipulieren und die Landwirtschaft widerstandsfähiger gegen extreme Wetterereignisse machen kann.

Vor drei Milliarden Jahren begann die Photosynthese in winzigen, uralten Bakterien auf einem Planeten, der noch mit Wasser bedeckt war. Im Laufe der nächsten paar Millionen Jahre entwickelten sich diese Bakterien zu den ersten Pflanzen des Planeten. Mit jeder Umweltveränderung wurden diese Organismen immer widerstandsfähiger.

Vor etwa 30 Millionen Jahren erreichte diese Entwicklung mit dem Aufkommen einer viel effizienteren Photosynthese ihren Höhepunkt. Während Pflanzen wie Reis weiterhin eine ältere Form der Photosynthese, bekannt als C3, nutzten , passten sich andere Pflanzen wie Mais und Sorghum an und begannen, die neuere, effizientere Version, C4 genannt, zu nutzen.

Der Unterschied zwischen C3- und C4-Photosynthese

Heute sind etwa achttausend C4-Pflanzen bekannt. Diese Arten sind besonders widerstandsfähig, gedeihen gut in heißem, trockenem Klima und gehören zu den ertragreichsten Nutzpflanzen der Welt. Etwa 95 % der Pflanzen auf der Welt sind jedoch noch immer rückständig und nutzen die C3-Photosynthese, um zu überleben.

Etwa 95 % der Pflanzen auf der Welt nutzen immer noch die C3-Photosynthese, um zu überleben.

Im Vergleich zu C4-Pflanzen gibt es bei C3-Pflanzen zwei wesentliche Einschränkungen:

In etwa 20 % der Fälle wird versehentlich Sauerstoff anstelle von Kohlendioxid verwendet und muss recycelt werden, was den Prozess verlangsamt und Energie verschwendet;
Die Poren auf der Blattoberfläche öffnen sich zu oft, während sie auf den Eintritt von Kohlendioxid warten, wodurch die Pflanze Wasser verliert und anfälliger für Trockenheit und Hitze wird.

Die C4-Photosynthese löst diese Probleme, indem sie zusätzliche Zellen, die normalerweise nur zur Unterstützung der Blattadern dienen, zur Unterstützung der Photosynthese heranzieht. Dies erhöht die Effizienz des Prozesses um bis zu 50 %.

Zum ersten Mal haben Forscher herausgefunden, wie diese effizientere Form der Photosynthese entstanden ist, die die landwirtschaftliche Produktion revolutionieren könnte, indem Nutzpflanzen wie Reis und Weizen produktiver und widerstandsfähiger gegen den Klimawandel werden.

Mithilfe der Einzelzell-Genomik-Technologie stellten die Wissenschaftler fest, dass der evolutionäre Übergang von der C3- zur C4-Photosynthese nicht mit der Schaffung neuer Gene, sondern mit Veränderungen bei den genetischen Regulatoren verbunden war. Eine Gruppe von Proteinen, DOFs genannt, wurde als wichtiger Schlüssel in diesem Prozess identifiziert: Sie aktivieren sowohl Photosynthesegene als auch solche in Zellen, die auf die C4-Photosynthese spezialisiert sind.

Die Forscher fanden heraus, dass C3-Pflanzen bereits die Gene besitzen, die für die C4-Photosynthese erforderlich sind.

Diese Entdeckung deutet darauf hin, dass C3-Pflanzen bereits die für die C4-Photosynthese erforderlichen Gene besitzen, was die Möglichkeit eröffnet, wichtige Kulturpflanzen wie Reis, Weizen und Sojabohnen so zu verändern, dass sie produktiver und widerstandsfähiger gegen den Klimawandel werden - ein Problem, mit dem die Landwirtschaft in den kommenden Jahrzehnten leider zu kämpfen haben wird.

Wir haben jetzt ein Modell dafür, wie verschiedene Pflanzen die Energie der Sonne nutzen, um in unterschiedlichen Umgebungen zu überleben. Letztendlich wollen wir versuchen, die C4-Photosynthese (in C3-Pflanzen) zu aktivieren und so produktivere und widerstandsfähigere Nutzpflanzen für die Zukunft zu schaffen. - Joseph Swift, Arzt und Forscher.

Der nächste Schritt in der Forschung besteht darin, zu testen, ob Reis gentechnisch so verändert werden kann, dass er die C4-Photosynthese nutzt. Wenn dies in den nächsten Jahren gelingt, könnte diese Innovation die Landwirtschaft völlig verändern und die Entwicklung produktiverer, dürreresistenter und gegen hohe Temperaturen resistenter Pflanzen ermöglichen.

Die im Rahmen der Forschung gewonnenen Daten wurden auch weltweit geteilt, was unter Wissenschaftlern, die an der Anpassung von Pflanzen an künftige Klimabedingungen interessiert sind, für Aufregung sorgte.

Quellenhinweis:

Joseph Swift et al. Exaptation of ancestral cell-identity networks enables C4 photosynthesis. Nature, 2024.