Wo sind alle meine Donuts hin?

Wussten Sie, dass ungefähr 148 Billionen Kalorien im vergangenen Jahr in der Soja- und Weizenernte im Mittleren Westen der USA verloren gegangen sind, weil ein einzelnes Enzym den Unterschied zwischen Sauerstoff und Kohlendioxid nicht erkennen konnte (Walker et al., 2016)? Wenn wir diese Kalorien in Donuts umwandeln, wären das genug Donuts, um das Tote Meer alle zwei Jahre zu füllen, wenn wir die Donuts sehr eng stapeln würden. Oder mehr als genug Donuts, um jedem Mitglied der Europäischen Union ein Jahr lang jeden Tag einen Donut zu geben. Oder genug Donuts für einen Stapel, der elfmal zwischen Erde und Mond hin und herläuft. Oder genug Donuts... nun, die Idee ist klar: Das ist eine Menge Donuts, und nun sollte man sich fragen, wohin diese Donuts gingen und was wir dagegen tun können.

Sie erinnern sich wahrscheinlich aus dem Biologieunterricht in der Schule, dass Pflanzen Kohlendioxid „einatmen“ und Sauerstoff mithilfe der Lichtenergie aus der Sonne bei der Photosynthese "ausatmen". Das eingeatmete Kohlendioxid wird verwendet, um Zucker herzustellen, die die Bausteine für die Pflanze selbst und die Nahrung bilden, die sie für uns herstellt.

Das erste Enzym, das Kohlendioxid fixiert und den Prozess der Zuckerproduktion beginnt, heißt Rubisco. Genauer gesagt katalysiert Rubisco eine Reaktion von Kohlendioxid mit einem Zuckervorläufer, um ein Molekül herzustellen, das zur Herstellung von Zucker verwendet werden kann. Es stellt sich heraus, dass es für Rubisco schwierig ist, schnell zu arbeiten und gleichzeitig für Kohlendioxid spezifisch zu sein. Daher katalysiert Rubisco die gleiche Reaktion auch mit Sauerstoff und dies ergibt ein Molekül, das nicht nur nicht für die Zuckerproduktion geeignet ist, sondern auch für die Pflanze toxisch ist. Um zu überleben, müssen Pflanzen dieses giftige Molekül schnell abbauen. Leider ist dieser Abbau, wie jedes Recyclingprogramm, nicht umsonst zu haben. Photorespiration heißt der Prozess, der dieses toxische Molekül recycelt und ist mit großem Energie- und Kohlenstoffaufwand für die Pflanze verbunden, was zu vermindertem Wachstum und letztlich auch Ernteausbeute führt.

Im Rahmen von CEPLAS untersuchen wir Möglichkeiten, den Recyclingprozess der Photorespiration effizienter zu gestalten. Photorespiration ist ein komplexer Prozess mit vielen Schritten zwischen vier verschiedenen Kompartimenten jeder Pflanzenzelle, die Photosynthese durchführt. Um diesen komplexen Prozess zu verstehen und zu optimieren, untersuchen wir komplementäre experimentelle und biomathematische Ansätze. Unsere experimentellen Ansätze beinhalten die Entfernung spezifischer Photorespirationsschritte aus der Reaktionskette, um zu bestimmen, ob es alternative Wege gibt mit denen das Recycling stattfinden kann. Darüber hinaus können wir durch die mathematische Modellierung der Photorespiration besser verstehen, wie dieses Recycling funktioniert und hypothetische alternative Wege untersuchen, um zu sehen, ob sie effizienter sind. Wir hoffen, dass wir eines Tages in der Lage sein werden, Pflanzen zu helfen mit weniger Ressourcen mehr Ernteertrag zu erbringen, was bedeutet, dass die Welt nicht nur mehr Donuts, sondern vor allem Nahrung, Brennstoff und Ballaststoffe für eine wachsende Bevölkerung haben wird.

Dr. Berkley Walker, Institut für Biochemie der Pflanzen, Heinrich Heine Universität Düsseldorf

Übersetzung Meike Hüdig, Molekulare Physiologie und Biotechnologie der Pflanzen, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

Planter’s Punch

Unter der Rubrik Planter’s Punch wird jeden Monat ein bestimmter Aspekt des CEPLAS Forschungsprogramms vorgestellt. Alle Beiträge werden von Mitgliedern der Graduiertenschule und des Postdoc Programms erstellt.

Zum Nachlesen

Walker BJ, VanLoocke A, Bernacchi CJ, Ort DR (2016) The costs of photorespiration to food production now and in the future. Annual Review of Plant Biology 67 (1):107-129. doi:10.1146/annurev-arplant-043015-111709

Über den Autor

Verfasst wurde der Planter’s Punch von Berkley Walker, Mitglied des CEPLAS Postdoc Programms. Berkley bestimmt alternative Quellen des photorespiratorischen Kohlenstoffverlustes in Arabidopsis thaliana.  Die Ergebnisse seiner Arbeit werden die Vorhersage des globalen CO2-Austauschs von Pflanzen und die Identifizierung neuer Wege zur Verbesserung der Netto-Photosynthese von C3-Kulturpflanzen erleichtern.

 

Heinrich Heine University
University of Cologne
Max Planck Institute for Plant Breeding Research
Forschungszentrum Jülich