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Die wichtigste biochemische Reaktion der Erde: Photosynthese Durchbruch zur Steigerung der CO2-Aufnahme bei Pflanzen

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Eine Gruppe von Proteinen in Pflanzenzellen spielt bei der Regulierung der Photosynthese eine weitaus wichtigere Rolle als bisher angenommen, wie neue Forschungsergebnisse der Universität Kopenhagen zeigen. Die Forschung ist ein wichtiger Schritt zum vollständigen Verständnis der Photosyntheseregulierung und zur Steigerung der CO2-Aufnahme in Pflanzen zum Wohle des Klimas.

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Stellen Sie sich vor, Sie könnten Pflanzen züchten, die noch mehr CO2 aus der Erdatmosphäre aufnehmen und so zur Lösung der weltweiten Klimaprobleme beitragen. Seit Tausenden von Jahren haben die Menschen Pflanzen ausgewählt, gezüchtet und optimiert, um die Nahrungsmittelproduktion zu steigern und unser Überleben zu sichern.

Doch die wichtigste und grundlegendste Funktion des Lebens auf der Erde - die Photosynthese - spielte bei der Pflanzenauswahl und -züchtung bisher keine Rolle, und das in einer Zeit, in der die vom Menschen verursachten Treibhausgasemissionen unseren Planeten bedrohen. Mit Hilfe neuer Technologien arbeiten Wissenschaftler auf der ganzen Welt daran, die internen Prozesse der Pflanzen zu verstehen, die die Photosynthese antreiben.

In einer neuen Studie, die in der Fachzeitschrift PNAS veröffentlicht wurde, haben Forscher des Instituts für Pflanzen- und Umweltwissenschaften der Universität Kopenhagen herausgefunden, dass eine Gruppe von Proteinen in den Blattzellen der Pflanzen, CURT1 genannt, eine viel wichtigere Rolle bei der Photosynthese spielt als bisher angenommen

"Wir haben entdeckt, dass die CURT1-Proteine die Entwicklung der grünen Blätter einer Pflanze bereits im Samenstadium steuern. Die Proteine haben also einen großen Einfluss darauf, wie effektiv die Photosynthese abläuft", erklärt Associate Professor Mathias Pribil, der Erstautor der Studie.

Proteine, die die Photosynthese ankurbeln

Bisher ging man davon aus, dass die CURT1-Proteine eine eher bescheidene Rolle spielen und nur in voll entwickelten Blättern vorhanden sind. Mit Hilfe modernster Bildgebungstechniken (Fotografie und Computerausrüstung) konnten die Forscher das Wachstum einer Reihe von Versuchspflanzen der Ackerschmalwand (Arabidopsis) 30.000-fach heranzoomen. So konnten sie die Pflanzen auf molekularer Ebene untersuchen. Die Forscher konnten feststellen, dass die CURT1-Proteine bereits in den frühesten Lebensstadien der Pflanzen vorhanden waren.

"Das Herauswachsen aus dem Boden ist ein kritischer Moment für die Pflanze, da sie vom Sonnenlicht getroffen wird und schnell die Photosynthese in Gang bringen muss, um zu überleben. Hier sehen wir, dass CURT1-Proteine Prozesse koordinieren, die die Photosynthese in Gang setzen und der Pflanze das Überleben ermöglichen, was wir vorher nicht wussten", erklärt Mathias Pribil.

Die Photosynthese findet in Chloroplasten statt, 0,005 mm langen elliptischen Körpern in Pflanzenzellen, die eine Art Organ innerhalb der Zellen eines Pflanzenblattes darstellen. In jedem Chloroplasten befindet sich eine Membran, die Proteine und andere Funktionen beherbergt, die die Photosynthese ermöglichen.

"Die CURT1-Proteine kontrollieren die Form dieser Membran und erleichtern es anderen Proteinen in einer Pflanzenzelle, sich zu bewegen und wichtige Aufgaben im Zusammenhang mit der Photosynthese zu erfüllen, je nachdem, wie sich die Umgebung der Pflanze verändert. Dies könnte die Reparatur von Licht erntenden Proteinkomplexen sein, wenn das Sonnenlicht intensiv ist, oder das Hochfahren der Fähigkeit eines Chloroplasten, Lichtenergie zu ernten, wenn das Sonnenlicht schwach ist", erklärt Pribil.

Verbesserte CO2-Aufnahme in der Zukunft

Die neue Erkenntnis gibt einen tieferen Einblick in die wichtigste biochemische Reaktion der Erde. Denn ohne Pflanzen gäbe es weder Tiere noch Menschen auf unserem Planeten. Bislang gilt das Ergebnis nur für die Ackerschmalwand, aber Pribil wäre "sehr überrascht", wenn sich die Bedeutung der CURT1-Proteine für die Photosynthese nicht auch auf andere Pflanzen erstrecken würde.

"Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Verständnis aller Komponenten, die die Photosynthese steuern. Die Frage ist, ob wir dieses neue Wissen nutzen können, um den CURT1-Proteinkomplex in Pflanzen im Allgemeinen zu verbessern, um die Photosynthese zu optimieren", sagt Mathias Pribil und fügt hinzu:

"Ein Großteil unserer Forschung dreht sich darum, die Photosynthese effizienter zu machen, damit die Pflanzen mehr CO2 aufnehmen können. So wie wir in der Geschichte der Landwirtschaft die besten Nutzpflanzen ausgewählt und gezüchtet haben, geht es jetzt darum, der Natur zu helfen, der bestmögliche CO2-Absorber zu werden", sagt Mathias Pribil.

Referenz: "Curvature thylakoid 1 proteins modulate prolamellar body morphology and promote organized thylakoid biogenesis in Arabidopsis thaliana" von Omar Sandoval-Ibáñez, Anurag Sharma, Michal Bykowski, Guillem Borràs-Gas, James B. Y. H. Behrendorff, Silas Mellor, Klaus Qvortrup, Julian C. Verdonk, Ralph Bock, Lucja Kowalewska und Mathias Pribil, 19. Oktober 2021, Proceedings of the National Academy of Sciences.

DOI: 10.1073/pnas.2113934118

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