Wissenschaftler haben eine Technik zur Genombearbeitung von Chloroplasten entwickelt, die die Photosynthese und das Pflanzenwachstum erheblich verbessert, indem sie präzise Veränderungen am Rubisco-Enzym einführt, einem wichtigen, aber relativ ineffizienten Protein, das an der Kohlenstofffixierung von Pflanzen beteiligt ist. Die Studie, veröffentlicht inNaturkommunikationzeigten, dass gezielte Änderungen die Photosyntheseleistung, die Biomasseproduktion und die Wassernutzungseffizienz in der Modellpflanze steigertenArabidopsis thaliana. Diese Ergebnisse heben hervorein potenzieller Weg für die Entwicklung produktiverer Nutzpflanzen unter zukünftigen Klimabedingungen.
Durch den Einsatz der Chloroplasten-Base--Editierungstechnologie führten die Forscher einzelne Aminosäuresubstitutionen in die große Rubisco-Untereinheit ein, ohne fremde DNA in das Pflanzengenom einzubauen. Zwei spezifische Mutationen, M309I und D397N, steigerten die katalytische Aktivität des Enzyms und ermöglichten es den Pflanzen, sowohl bei aktuellen als auch bei voraussichtlich erhöhten atmosphärischen Kohlendioxidkonzentrationen mehr Kohlenstoff zu assimilieren. Die bearbeiteten Pflanzen wiesen eine größere Spross- und Wurzelgröße, eine größere Blattfläche und höhere Samenerträge auf, während der normale Rubisco- und Chlorophyllgehalt erhalten blieb.
Diese Erkenntnisse adressieren eine seit langem bestehende Herausforderung in der Pflanzenbiotechnologie. Obwohl Rubisco für die Photosynthese von zentraler Bedeutung ist, schränkt seine relativ langsame Katalyserate die Pflanzenproduktivität seit Jahrzehnten ein. Frühere Versuche, das Enzym umzugestalten oder zu ersetzen, führten häufig zu einer Störung seines Zusammenbaus oder zu einem verringerten Pflanzenwachstum. Im Gegensatz dazu zeigt diese Studie, dass kleine, gezielte Modifikationen am vorhandenen Rubisco-Gen dessen Leistung steigern und gleichzeitig die normale Pflanzenentwicklung bewahren können.
Die Forscher beobachteten auch, dass die veränderten Pflanzen eine höhere intrinsische Wassernutzungseffizienz erreichten, da die Photosynthese zunahm, ohne dass eine größere Spaltöffnung erforderlich war. Kryo-Elektronenmikroskopie ergab, dass die Mutationen die Flexibilität der Regionen rund um Rubiscos aktives Zentrum veränderten, was neue Erkenntnisse darüber lieferte, wie subtile strukturelle Veränderungen die Enzymfunktion verbessern können.
Die Autoren der Studie stellen fest, dass die angestrebten Aminosäurepositionen in vielen landwirtschaftlichen Nutzpflanzen hoch konserviert sind, was darauf hindeutet, dass dieser Ansatz darüber hinaus breit anwendbar sein könnteArabidopsis. Da die CO₂-Konzentrationen in der Atmosphäre weiter ansteigen, können Rubisco-Varianten mit schnelleren Katalyseraten es den Pflanzen ermöglichen, ihre Produktivität aufrechtzuerhalten und gleichzeitig Wasser unter zunehmend anspruchsvollen Wachstumsbedingungen effizienter zu nutzen.
Da der Chloroplasten-Editierungsprozess nach der Züchtung keine fremde DNA in den endgültigen Pflanzen zurücklässt, schlagen die Forscher vor, dass diese Technologie bestimmte regulatorische Barrieren umgehen könnte, die mit herkömmlichen gentechnisch veränderten Nutzpflanzen in Ländern verbunden sind, die gen-editierte, transgenfreie Pflanzen unter neuen, nicht gentechnisch veränderten Rahmenbedingungen anerkennen.
