Wie verändert man die Blatt-Ontogenese, um eine effizientere Photosynthese zu entwickeln?

Photosynthese ist der Prozess in Pflanzen (und einigen anderen Organismen wie Bakterien), um Lichtenergie in chemische Energie umzusetzen indem Zucker aus Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O) produziert wird. Die Photosynthese gliedert sich in zwei Phasen: die Lichtreaktionen, bei denen Lichtenergie in chemische Energie in den Pflanzenzellen umgewandelt wird, und die Dunkelreaktionen, bei denen CO2 in Form von Zuckern fixiert wird. Die Lichtreaktionen nutzen H2O zur Erzeugung der energiereichen Moleküle ATP und NADPH, die als Substrat den Dunkelreaktionen zugeführt werden.

Drei wichtige Varianten der Photosynthese sind bekannt: C3, C4 und CAM. Von diesen drei Arten der Photosynthese ist C4 die effizienteste. Dies ist so, weil, wann immer die Rate der Lichtreaktion die Dunkelreaktionsrate übersteigt, das verfügbare CO2 im Blatt nicht mit der Zufuhr von ATP und NADPH aus den Lichtreaktionen Schritt halten kann. In dieser Situation wird das Enzym, das das CO2 unter Verwendung von ATP und NADPH fixiert (Rubisco), dann das zusätzliche ATP und NADPH verwenden, um O2 in dem verschwenderischen Prozess der Photorespiration zu fixieren. In C4-Pflanzen gibt es kaum Photorespiration, da sie den C4-Zyklus haben, um CO2 in der Nähe von Rubisco zu konzentrieren, so dass es nie zu CO2-Knappheit kommt.

Warum sind dann nicht alle Pflanzen C4-Pflanzen? Dies liegt daran, dass die C3-Photosynthese zuerst während der Evolution entstanden ist und dass sich die C4-Photosynthese aus der C3-Photosynthese entwickelt hat. Viele Forscher waren und sind dabei, den evolutionären Weg zu verstehen, der notwendig war, um sich von einer C3 zu einer C4-Pflanze zu entwickeln. Ein Hauptbeitrag zum C4-Zyklus ist die unterschiedliche Blatt-Ontogenese in C4-Pflanzen. Die Ontogenese stellt die Abfolge von Entwicklungsstadien dar, durch die ein Blatt während des Wachstums verläuft. C4-Pflanzen entwickeln hoch spezialisierte Bündelscheidezellen um die Leitbündel (siehe Abbildung). Diese Veränderung der Blatt-Ontogenese in einer C3-Pflanze in Richtung C4 wird als erster Schritt zur Entwicklung der C4-Photosynthese angesehen.

Innerhalb von CEPLAS versuchen wir daher diesen ersten Schritt zur Evolution der C4-Photosynthese genetisch zu induzieren. Da sich die C4-Photosynthese in der Geschichte mehrfach unabhängig aus der C3-Photosynthese entwickelt hat, wird angenommen, dass die notwendigen Gene zur Aktivierung des Prozesses bereits in C3-Spezies vorhanden sind. Sie müssen nur auf die richtige Weise aktiviert werden. Um dies zu erreichen, aktivieren wir Gene im Genom einer C3-Spezies, indem wir einen Bündel-spezifischen Promotor (isoliert aus einer C4-Spezies) zufällig in das Genom der C3-Spezies einfügen. Wir suchen nach Pflanzen mit veränderter Blattbündelontogenese, scannen das Genom nach der Insertionsstelle des Bündel-spezifischen Promotors, schauen, welches endogene Gen von dieser Insertion betroffen war und finden schließlich heraus, wie es die veränderte Bündelontogenese verursacht.

Dr. Roxanne van Rooijen, Entwicklungs- und Molekularbiologie 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

Schuler ML, Mantegazza O, Weber AP, (2016) Engineering C4 photosynthesis into C3 chassis in the synthetic biology age. The Plant Journal 87, 51-65 [Abstract]

Engelmann S, Wiludda C, Burscheidt J, Gowik U, Schlue U, Koczor M, Streubel M, Cossu R, Bauwe P, Westhoff P (2008) The gene for the P-subunit of glycine decarboxylase from the C4 species Flaveria trinervia: analysis of transcriptional control in transgenic Flaveria bidentis (C4) and Arabidopsis (C3). Plant Physiology 146, 1773-1785 [Abstract]

Über den Autor

Der Beitrag wurde von Roxanne van Rooijen verfasst, die am CEPLAS Postdoc Programm teilnimmt. Roxanne möchte verstehen wie sich der Aufbau eines Blattes auf dessen Photosyntheseleistung auswirkt. Dazu identifiziert sie Gene, die die Blattanatomie kontrollieren.

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