Die Entdeckung eines 'Booster'-Gens zur Verbesserung der Photosynthese könnte die Landwirtschaft revolutionieren

Die Studie mit dem Titel An Orphan Gene BOOSTER Enhances Photosynthetic Efficiency and Plant Productivity wurde in der Zeitschrift Developmental Cell veröffentlicht und war eine Zusammenarbeit zwischen dem Center for Advanced Bioenergy and Bioproduct Innovation der University of Illinois und dem Bioenergy Science Center des Oak Ridge National Laboratory in Kalifornien.

Die Forscher konzentrierten sich auf Populus trichocarpa, auch bekannt als Schwarzpappel, die von Baja California bis in den Norden Kanadas wächst. Bei diesen Pappeln führte das Gen zu einem erheblichen Höhenwachstum der Pflanzen, indem es die Sonnenenergieaufnahme optimierte und die Kohlenstoffassimilation verbesserte.

Diese Art wird häufig als vielversprechender Kandidat für die Herstellung von Biokraftstoffen und anderen nützlichen Materialien angesehen. Hier entdeckten die Forscher das "Booster"-Gen, ein chimärisches Gen, das aus mehreren genetischen Fragmenten kombiniert wurde.

Woher stammt das Booster-Gen?

Booster entstand aus der Kombination von drei ursprünglich getrennten genetischen Sequenzen: einer von einem Bakterium, das in der Wurzelzone des Baumes lebt, einer von einer Ameise, die mit einem Pilz assoziiert ist, der den Baum infiziert, und einer von der großen Untereinheit eines Proteins namens RuBisCO (Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/Oxygenase).

Die Photosynthese ist der lebenswichtige Prozess, bei dem Pflanzen Sonnenlicht in chemische Energie umwandeln. Die Verbesserung dieser Funktion bedeutet nicht nur größeres Wachstum, sondern auch eine effizientere Nutzung von Ressourcen wie Wasser und Nährstoffen-etwas, das für Kulturen wie Cannabis besonders relevant ist, da sie eine sorgfältige Umweltkontrolle erfordern.

Chloroplasten sind die Hauptstrukturen in Zellen, die das photosynthetische Apparatsystem beherbergen, das Lichtenergie in chemische Energie umwandelt und damit das Pflanzenwachstum antreibt. Insbesondere fängt das RuBisCO-Protein Kohlendioxid aus der Atmosphäre ein.

Seit Jahren arbeiten Wissenschaftler daran, die Menge an RuBisCO in Pflanzen zu erhöhen, um höhere Erträge und eine größere Aufnahme von atmosphärischem CO2 zu erzielen. Als das Team die Pappeln dazu brachte, das Booster-Gen stärker auszudrücken, waren die Ergebnisse überraschend.

Die Bäume zeigten bis zu 62 % mehr RuBisCO-Gehalt, etwa 25 % mehr Nettokohlendioxidaufnahme durch die Blätter, bis zu 37 % mehr Wachstum in Feldversuchen, 88 % mehr Stammvolumen und unter kontrollierten Gewächshausbedingungen Höhen von bis zu 200 %.

Als dasselbe Gen in Arabidopsis, einer kleinen Blühpflanze, getestet wurde, nahm deren Biomasse zu und die Samenproduktion stieg um 50 %. Arabidopsis thaliana ist die weltweit am besten untersuchte Pflanze auf genetischer und physiologischer Ebene. Ihre globale Verbreitung und Anpassung an verschiedene Lebensräume bieten eine interessante genetische Vielfalt in ihren wilden Populationen. Diese genetische Vielfalt zu nutzen, könnte entscheidend sein, um Prozesse im Zusammenhang mit der Toleranz gegenüber Umweltstressoren zu verstehen.

Darüber hinaus werden konservierte chimäre Gene wie Booster oft als nicht-funktionale evolutionäre Artefakte abgetan, die keinen Einfluss mehr auf pflanzliche Prozesse haben. Doch hier wurde genau das Gegenteil bewiesen: Diese molekulare und physiologische Validierung bestätigte, dass Booster die Photosynthese verbessert, damit Pflanzen unter konstanten und schwankenden Lichtbedingungen besser gedeihen.

Auf diesem Foto vom Juli 2024 hält Biruk Feyissa vom ORNL (links) eine fünf Monate alte Pappel, die hohe Konzentrationen des Booster-Gens aufweist, während sein Kollege Wellington Muchero einen gleich alten Baum mit geringerer Expression des Gens hält. Gen . Credit: Genevieve Martin/ORNL, U.S. Dept. of Energy.

Warum ist das wichtig?

Sowohl die Schwarzpappel als auch Arabidopsis gehören zu einer Gruppe, die als C3-Pflanzen bekannt ist und wichtige Nahrungspflanzen wie Sojabohnen, Reis, Weizen und Hafer umfasst. Wenn Booster in diesen Pflanzen ähnlich funktioniert, könnten Landwirte höhere Erträge erzielen, ohne mehr Land, Wasser oder Dünger zu benötigen.

Wissenschaftler untersuchen derzeit die Möglichkeit, diese Erkenntnisse an verschiedenen Standorten und über längere Zeiträume hinweg zu testen. Durch Versuche mit dem Booster-Gen in verschiedenen Umgebungen können sie herausfinden, wie gut es sich bewährt und welche langfristigen Ergebnisse es liefert.

Diese Entdeckung eröffnet neue wissenschaftliche Perspektiven. Wir neigen dazu, die Photosynthese als schwer verbesserbaren Prozess zu betrachten. Doch die molekulare Maschinerie der Photosynthese hat sich weiterentwickelt, als sich Pflanzen an ihre Umgebung anpassten. In diesem Fall veränderte der Austausch von DNA mit assoziierten Organismen einen biologischen Prozess grundlegend.

Es besteht großes Interesse daran, festzustellen, ob ähnliche Ergebnisse in anderen wirtschaftlich wichtigen und energieerzeugenden Kulturen erzielt werden können. Sollte dies gelingen, könnte Booster eine einfache Möglichkeit bieten, das Pflanzenwachstum zu verbessern. Produktivere Pflanzen, die Ressourcen effizient nutzen, würden dazu beitragen, die weltweit steigende Nachfrage nach Nahrungsmitteln zu decken, ohne die bestehenden landwirtschaftlichen Flächen zu überlasten-was buchstäblich alles verändern würde.

Mögliche Anwendungen im Cannabisanbau

Obwohl sich die Studie auf Pappeln konzentrierte, könnten die Implikationen der Entdeckung des Booster-Gens auf Cannabis und Industriehanf übertragen werden. Diese Pflanzen teilen viele metabolische und physiologische Ähnlichkeiten mit Pappeln, insbesondere in Bezug auf die Lichtaufnahme und Wachstumseffizienz.

Im Cannabisanbau sind Pflanzenhöhe und Vitalität Schlüsselfaktoren für die Biomasseproduktion bei Hanf sowie für die Blütenausbeute bei Sorten, die für den Freizeit- oder medizinischen Gebrauch bestimmt sind. Könnte das Booster-Gen in Cannabis implementiert werden, könnte dies robustere Pflanzen, höhere Erträge und eine geringere Abhängigkeit von optimalen Umweltbedingungen bedeuten.

Darüber hinaus besitzt Hanf die Fähigkeit, große Mengen an atmosphärischem Kohlenstoff zu binden, was ihn bereits zu einer umweltfreundlichen Pflanze auszeichnet. Die Einführung des Booster-Gens könnte diese Fähigkeit verstärken und ihn zu einer wichtigen Ressource im Kampf gegen den Klimawandel machen.

Im Fall von Cannabis für den medizinischen Zwecken oder Freizeitkonsum könnte die Optimierung der Photosynthese einen direkten Einfluss auf die Produktion von Cannabinoiden und Terpenen haben. Durch die Maximierung der metabolischen Effizienz könnten die Pflanzen höhere Konzentrationen dieser Verbindungen erzeugen und somit die Qualität und den Wert des Endprodukts verbessern.

Herausforderungen bei der Implementierung

Obwohl die potenziellen Vorteile enorm sind, gibt es auch erhebliche Herausforderungen. Die Anwendung des Booster-Gens bei Cannabis würde umfangreiche Forschungsarbeiten erfordern, um sicherzustellen, dass das Gen mit den spezifischen Eigenschaften dieser Pflanze kompatibel ist. Darüber hinaus könnte die Entwicklung gentechnisch veränderter Sorten auf regulatorische Hürden in vielen Ländern stoßen, in denen strenge GVO-Gesetze gelten.

Ein weiterer zu berücksichtigender Faktor ist die Marktakzeptanz. Viele Cannabiskonsumenten, insbesondere diejenigen, die nach biologischen oder natürlichen Produkten suchen, könnten zögern, Produkte aus gentechnisch veränderten Pflanzen zu kaufen. Daher wäre es wichtig, diese Entwicklungen mit Aufklärungskampagnen zu begleiten, die die Vorteile und Nachteile dieser Innovationen erklären.

Klar ist, dass in einer Welt, in der die Nachfrage nach Lebensmitteln weiter steigt, könnten Durchbrüche wie das Booster-Gen der Schlüssel sein, um die Bedürfnisse der Verbraucher zu erfüllen und die Herausforderungen der Zukunft zu bewältigen. Die Optimierung von Ressourcen wird entscheidend sein, damit die Menschheit den Herausforderungen des Klimawandels erfolgreich begegnen kann.