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Warum Algen schneller wachsen als Nutzpflanzen

Strategien für die effizientere Photosynthese könnten Erträge auch bei Getreide und Co erhöhen

Photobioreaktor
Photobioreaktor mit Flüssigkulturen von Chlorella ohadii zur Messung der Photosyntheseraten. © MPI f. molekulare Pflanzenphysiologie/Treves

Warum wachsen viele Algen so viel schneller als Nutzpflanzen – und weshalb ist ihre Photosynthese-Leistung höher? Eine Antwort auf diese Frage haben nun Forschende durch Untersuchung der am schnellsten wachsenden Grünalge Chlorella ohadii gefunden. Wie die Isotopenmarkierung enthüllte, laufen bei ihr wichtige Zulieferprozese für den Photosynthese-Stoffwechsel effizienter und schneller ab. Diese Erkenntnis könnte dabei helfen, auch die Erträge bei Nutzpflanzen zu verbessern.

Um die stetig wachsende Weltbevölkerung zu ernähren, müssen Wege gefunden werden, um den Ertrag beim Ernten von Getreide bis 2050 um rund 70 Prozent zu erhöhen. Bisher hat man Landwirtschaft mit Düngermitteln und Resistenzen gegen Schädlinge und Krankheitserreger effizienter und ertragreicher gestaltet. Doch angesichts der knapper werdenden Ackerflächen und der Auswirkungen des Klimawandels sind weitere Strategien nötig, um das Anbauen von Getreide und anderen Nutzpflanzen noch ertragreicher zu machen.

Photosynthese-Stoffwechsel als neues Ziel

Einen neuen Ansatz haben nun Haim Treves vom Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam und seine Kollegen gewählt: „Photosynthese ist ein vielversprechendes Ziel um den Ertrag zu erhöhen“, meinen die Wissenschaftler. „Denn ihre Effizienz liegt noch deutlich unter dem theoretischen Maximum“. Nutzpflanzen schöpfen bei der Photosynthese bisher also noch nicht ihr gesamtes Potential aus.

Chlorella ohadii
Elektronenmikroskopaufnahme des Photosynthese-Apparats von Chlorella ohadii. © MPI f. molekulare Pflanzenphysiologie / Treves

Für ihre Studie untersuchten Treves und sein Team bei verschiedenen Algen die Stoffwechselwege, die mit der Photosynthese in Verbindung stehen, wie beispielsweise der Calvinzyklus. Dieser dient den Pflanzen unter anderem dazu, das für sie wichtige Kohlenstoffdioxid zu fixieren, um daraus im Laufe der Photosynthese organische Verbindungen herzustellen. Die Photosynthese bestimmt demnach mit, wie viel Biomasse ein Pflanze produzieren kann.

Eine der untersuchten Algenarten war die in Bodenkrusten der Wüste vorkommende Alge Chlorella ohadii – die am schnellsten wachsende unter allen bekannten Grünalgenspezies. „Diese Alge könnte uns daher essenziele Informationen über die Photosynthese-Maschinerie liefern und darüber, was die Leistung anderer Pflanzen limitiert“, erklären die Forschenden.

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Nachverfolgung der Stoffwechsel-Prozesse

Um die Stoffwechselprodukte der Algen-Photosynthese verfolgen zu können, nutzten die Wissenschaftler das 13C-Isotop des Kohlenstoffs. Wenn die Zellen der Algen mit diesem schwereren Kohlenstoff-Isotop angereichert werden, bauen sie ihn während der Photosynthese in ihre Stoffwechselprodukte ein. Über Analyseverfahren wie die Massenspektrometrie können dann diese Metabolite identifiziert werden.

Mithilfe dieser Methode konnten die Forschenden über 40 Metaboliten verfolgen, die Stoffwechselflüsse in Chlorella ohadii messen und quantifizieren und die gewonnen Ergebnisse mit denen von herkömmlichen Nutzpflanzen vergleichen.

Effizienterer Molekül-Nachschub

Und tatsächlich: In den Zellen von Chlorella ohadii wurde der Kohlenstoff deutlich schneller verstoffwechselt als in anderen Algenarten oder in Nutzpflanzen. Vor allem zwei interessante Mechanismen konnte das Team dafür als entscheidend ausmachen: „Die Markierungs-Kinetiken zeigen, dass C. ohadii das Ribulose-Bisphosphat (RuBP) schneller regeneriert – einen Nebenprozess, der oft limitierend für die Kohlenstoff-Fixierung ist“, erklären Treves und seine Kollegen. RuBP ist das Molekül, das den Kohlenstoff im ersten Schritt des Citratzyklus bindet. Eine schnellere Regeneration dieses Moleküls kann also die Kohlenstoffbereitstellung für die Photosynthese beschleunigen.

Die Wissenschaftler stellten außerdem fest, dass in der Alge wichtige „Zuliefer“-Reaktionen des Citratzyklus schneller ablaufen als bei anderen Pflanzen. Dadurch werden die unter anderem für die Produktion von Aminosäuren nötigen Moleküle effektiver nachgeliefert. Die Proteinsynthese in der Alge ist im Vergleich zu der in den Getreidepflanzen also deutlich erhöht und kann somit auch das schnellere Wachstum der Pflanzen erklären und einen Anhaltspunkt für die Verbesserung des Ertrags in Getreidepflanzen bieten.

Die Arbeit der Forschenden legt einen Grundstein für weitere Analysen, um die erhöhte Photosynthese-Effizienz und das schnellere Wachstum von Algen in Zukunft weiter zu entschlüsseln. In Zukunft könnten mit solchen Informationen auch herkömmliche Getreidearten nach dem Vorbild der Algen genetisch verändert werden. (Nature Plants, 2022; doi: 10.1038/s41477-021-01042-5)

Quelle: Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie

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