Pflanzen für den Klimawandel ausrüsten

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Bildnachweis: Pixabay / CC0 Public Domain

Sonnenlicht, Luft und Wasser sind alles, was Cyanobakterien (besser bekannt als Blaualgen), echte Algen und Pflanzen für die Produktion von organischen (dh auf Kohlenstoff basierenden) Verbindungen und molekularem Sauerstoff mittels Photosynthese benötigen. Die Photosynthese ist die Hauptquelle für Bausteine ​​für Organismen auf der Erde. Zu viel Sonnenlicht verringert jedoch die Effizienz der Photosynthese, da es die „Sonnenkollektoren“, dh die Photosynthesemaschinen von Cyanobakterien, Algen und Pflanzen, beschädigt. Ein Forscherteam unter der Leitung des LMU-Biologen Dario Leister hat nun mithilfe der “künstlichen Laborentwicklung” Mutationen identifiziert, die es einzelligen Cyanobakterien ermöglichen, hohe Lichtmengen zu tolerieren. Langfristiges Ziel des Projekts ist es, Wege zu finden, um Kulturpflanzen in die Lage zu versetzen, mit den Auswirkungen des Klimawandels umzugehen.

Die in der Studie verwendeten Cyanobakterien stammten von einem Zellstamm, der zum Wachsen bei geringen Lichtmengen verwendet wurde. “Damit sie sozusagen aus den Schatten austreten können, haben wir diese Zellen sukzessive höheren Lichtintensitäten ausgesetzt”, sagt Leister. In einem auf Mutation und Selektion basierenden Evolutionsprozess passten sich die Zellen an die fortschreitende Veränderung der Lichtverhältnisse an – und da sich jede Zelle alle paar Stunden teilt, verlief der Anpassungsprozess mit einer weitaus höheren Geschwindigkeit als dies bei grünen Pflanzen möglich gewesen wäre. Um den Prozess voranzutreiben, erhöhten die Forscher die natürliche Mutationsrate, indem sie Zellen mit mutagenen Chemikalien behandelten und mit UV-Licht bestrahlten. Am Ende des Experiments waren die überlebenden Blaualgen in der Lage, Lichtintensitäten zu tolerieren, die höher waren als die maximalen Werte, die unter natürlichen Bedingungen auf der Erde auftreten können.

Zur Überraschung des Teams führten die meisten der über 100 Mutationen, die mit einer erhöhten Toleranz gegenüber hellem Licht in Verbindung gebracht werden konnten, zu lokalisierten Veränderungen in den Strukturen einzelner Proteine. “Mit anderen Worten, die beteiligten Mutationen beeinflussen in erster Linie die Eigenschaften bestimmter Proteine, anstatt die Regulationsmechanismen zu verändern, die bestimmen, wie viel von einem bestimmten Protein produziert wird”, erklärt Leister. Als Kontrolle führte das Team dann die Gene für zwei der veränderten Proteine, die die Photosynthese auf unterschiedliche Weise beeinflussen, in nicht angepasste Stämme ein. Und in jedem Fall stellten sie fest, dass die Veränderung es den veränderten Zellen tatsächlich ermöglichte, höhere Lichtintensitäten als der Vorläufer-Stamm zu tolerieren.

Die Verbesserung der Toleranz von Kulturpflanzen gegenüber höheren oder schwankenden Lichtintensitäten bietet möglicherweise ein Mittel zur Steigerung der Produktivität und ist vor dem Hintergrund des anhaltenden globalen Klimawandels von besonderem Interesse. “Die Anwendung gentechnischer Techniken auf die Pflanzenzüchtung hat sich bisher auf quantitative Veränderungen konzentriert – auf die Herstellung eines bestimmten Proteins mehr oder weniger”, sagt Leister. “Unsere Strategie ermöglicht qualitative Veränderungen und ermöglicht es uns, neue Proteinvarianten mit neuartigen Funktionen zu identifizieren. Sofern diese Varianten ihre Funktion in mehrzelligen Organismen behalten, sollte es möglich sein, sie in Pflanzen einzuführen.”

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