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11.12.2019

Wie die Turbo-Photosynthese entstand

Mithilfe von Algorithmen ist es Forschern gelungen, die Evolution der C4-Photosynthese in Nutzpflanzen wie Mais zu simulieren und nachzuvollziehen.

Maisfeld
C4-Pflanzen wie Mais haben einen Mechanismus entwickelt, bei hohen Temperaturen mit wenig CO2 auszukommen.
Quelle: 
Remaztered Studio auf Pixabay

Pflanzen brauchen Sonnenlicht, um den Prozess der Photosynthese und damit die Nährstoffproduktion anzukurbeln. Doch die Photosynthese verläuft nicht bei allen gleich ab. Am weitesten verbreitet ist die C3-Photosynthese. Hier ist das Enzym Rubisco für die Bindung des CO2 zuständig. Darüber hinaus gibt es alternative Photosynthesen, die sich im Laufe der Evolution herausgebildet haben. Dazu gehört die C4-Photosynthese, die sich unabhängig voneinander mindestens 62-mal in 19 verschiedenen Pflanzenfamilien ausgebildet hat. Zu den sogenannten C4-Pflanzen gehören unter anderem Mais und Hirse.

C4-Pflanzen binden mehr CO2 und wachsen schneller

C4-Pflanzen sind vor allem in trockenen Regionen angesiedelt. Der alternative Photosynthese-Prozess sorgt dafür, dass C4-Pflanzen viel besser CO2 fixieren können als C3-Pflanzen, indem sie eine biochemische Pumpe verwenden, um den CO2-Gehalt am Enzym Rubisco zu erhöhen. Als Ergebnis haben C4-Pflanzen ein erhöhtes Wachstum. Hohe Lichteinstrahlung und hohe Temperatur sorgen für einen raschen Aufbau der Biomasse.

Entwicklung der C4-Photosynthese modelliert

Doch welche Faktoren haben diese Entwicklung der C4-Photosynthese beinflusst? Antworten liefern Forscherinnen der Universität Bielefeld und des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben. Mithilfe der sogenannten Constraint-basierten Modellierung (CBM) konnten die Bielefelder Biotechnologin Andrea Bräutigam und Mary-Ann Blätke vom IPK aufzeigen, wie sich die C4-Photosynthese im Laufe der Evolution entwickelt hat. Im Fachjournal eLife stellen die Forscherinnen die Ergebnisse vor.

Stickstoff und Licht beeinflussen Prozess

Nachdem die Forscherinnen das Modell entwickelt hatten, konzentrierten sie sich darauf, jene Einschränkungen zu finden, die zur Vorhersage der C4-Photosynthese als bestmögliche Lösung führten. „Sobald die Modelle stehen, kann man Evolution in der Computersimulation beobachten“, sagt Andrea Bräutigam. „In unserem Fall bildeten die Simulationen den evolutionären Verlauf von der C3- zur C4-Photosynthese in Abhängigkeit vom Kohlenstoffdioxid-Gehalt ab.“ Mary-Ann Blätke ergänzt: „Das Modell prognostizierte außerdem eine Art Zwischenstand als optimale Lösung unter bestimmten Voraussetzungen und erklärte, warum so viele verschiedene Varianten der C4-Photosynthese existieren. Es zeigte außerdem, dass Stickstoff und Licht spezielle Parameter sind, die eine Rolle in der Entwicklung der C4-Photosynthese spielten.“

Evolutionären Pfad der C4-Photosynthese vorhergesagt

Die Forscherinnen zeigen damit, wie wirkungsvoll solche Modelle Evolutionsprozesse bei Pflanzen abbilden können. Gleichzeitig ebnen sie den Weg für detaillierte Untersuchungen der C4-Evolution und des C4-Stoffwechsels. „Ein Stoffwechselnetzwerk, das den evolutionären Pfad der C4-Photosynthese korrekt voraussagt, wie hier gegeben, ist eine Voraussetzung, um detailliertere Fragestellungen zum C4-Stoffwechsel und dessen Evolution aufgreifen zu können“, sagt Blätke.

bb

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