Forscher von RIPE (Realizing Erhöhte Photosynthetic Efficiency) haben zum ersten Mal in Feldversuchen nachgewiesen, dass Multigen-Bioengineering der Photosynthese den Ertrag einer wichtigen Nahrungspflanze erhöht.Nach mehr als einem Jahrzehnt der Arbeit an diesem Ziel hat ein kollaboratives Team unter der Leitung von Forschern der University of Illinois Sojabohnenpflanzen transgen verändert, um die Effizienz der Photosynthese zu erhöhen, was zu höheren Erträgen ohne Qualitätsverlust führt.„Die Hauptauswirkung dieser Arbeit besteht darin, den Weg zu ebnen, um zu zeigen, dass wir die Photosynthese biotechnologisch manipulieren und die Erträge verbessern können, um die Nahrungsmittelproduktion in wichtigen Nutzpflanzen zu steigern“, sagte Amanda De Souza, PhD, Forschungswissenschaftlerin des RIPE-Projekts.„Dies ist der Anfang der Bestätigung, dass die durch das RIPE-Projekt verwurzelten Ideen ein erfolgreiches Mittel sind, um den Ertrag bei wichtigen Nahrungspflanzen zu verbessern … Die Zahl der Menschen, die von Nahrungsmittelknappheit betroffen sind, wächst weiter, und Prognosen zeigen deutlich, dass es eine geben muss Änderung auf der Lebensmittelversorgungsebene, um die Flugbahn zu ändern.Unsere Forschung zeigt einen effektiven Weg, um zur Ernährungssicherheit der Menschen beizutragen, die sie am dringendsten benötigen, und gleichzeitig zu vermeiden, dass mehr Land für die Produktion verwendet wird.Die Verbesserung der Photosynthese ist eine große Chance, um den erforderlichen Sprung im Ertragspotenzial zu erzielen.“Weitere Feldversuche mit diesen transgenen Sojapflanzen werden in diesem Jahr durchgeführt, deren Ergebnisse Anfang 2023 erwartet werden.De Souza ist Hauptautor des von den Forschern in Science veröffentlichten Artikels mit dem Titel „Sojabohnen-Photosynthese und Ernteertrag werden verbessert, indem die Erholung vom Lichtschutz beschleunigt wird“.Zahlen deuten darauf hin, dass das Nahrungsmittelangebot nicht schnell genug zunimmt, um Ernährungssicherheit für alle zu gewährleisten.Laut UNICEF werden bis 2030 voraussichtlich mehr als 660 Millionen Menschen von Nahrungsmittelknappheit und Unterernährung betroffen sein.Zwei der Hauptursachen dafür sind ineffiziente Lebensmittelversorgungsketten (Zugang zu Nahrungsmitteln) und härtere Anbaubedingungen für Nutzpflanzen aufgrund des Klimawandels.RIPE ist ein internationales Forschungsprojekt mit Unterstützung der Bill & Melinda Gates Foundation, der Foundation for Food & Agriculture Research und des Vereinigten Königreichs, das darauf abzielt, die globale Nahrungsmittelproduktion durch Verbesserung der photosynthetischen Effizienz in Nahrungspflanzen für Kleinbauern in Subsahara-Afrika zu steigern Außen-, Commonwealth- und Entwicklungsbüro.Die Verbesserung des Zugangs zu Nahrungsmitteln und die Verbesserung der Nachhaltigkeit von Nahrungspflanzen in verarmten Gebieten sind die Hauptziele dieser Studie und des RIPE-Projekts.Die Verfügbarkeit von Saatgut, das einen höheren Ertrag pro Flächeneinheit erzielen kann, wäre eine Möglichkeit, die Nahrungsmittelknappheit zu verringern und ärmeren Regionen Ernährungssicherheit zu bieten, ohne die für die Produktion benötigte Menge an Land zu erhöhen, schrieben die Autoren.„Die Verbesserung der Photosynthese wurde als große Chance vorgeschlagen, um den erforderlichen Sprung im Ertragspotenzial zu erzielen.“Die Photosynthese, der natürliche Prozess, den alle Pflanzen nutzen, um Sonnenlicht in Energie und Ertrag umzuwandeln, ist ein überraschend ineffizienter Prozess mit über 100 Schritten, an dessen Verbesserung die RIPE-Forscher seit mehr als einem Jahrzehnt arbeiten.Für ihre neu veröffentlichte Arbeit verbesserte die Gruppe das VPZ-Konstrukt innerhalb der Sojabohnenpflanze, um die Photosynthese zu verbessern.Anschließend führten sie Feldversuche durch, um zu sehen, ob sich der Ertrag dadurch verbessern würde.Das VPZ-Konstrukt enthält drei Gene, die für Proteine ​​des Xanthophyllzyklus kodieren, einem Pigmentzyklus, der beim Lichtschutz von Pflanzen hilft.Bei voller Sonneneinstrahlung wird dieser Zyklus in den Blättern aktiviert, um sie vor Schäden zu schützen, sodass die Blätter die überschüssige Energie abführen können.„Pflanzen zerstreuen potenziell schädliche überschüssige absorbierte Lichtenergie in vollem Sonnenlicht, indem sie einen Mechanismus induzieren, der als nicht-photochemisches Quenching (NPQ) bezeichnet wird“, erklärten die Forscher.Wenn die Blätter jedoch beschattet werden (durch andere Blätter, Wolken oder die sich am Himmel bewegende Sonne), muss dieser Lichtschutz abgeschaltet werden, damit die Blätter den Photosyntheseprozess mit einer Reserve an Sonnenlicht fortsetzen können.Es dauert mehrere Minuten, bis die Pflanze den Schutzmechanismus abschaltet, was der Pflanze wertvolle Zeit kostet, die für die Photosynthese hätte genutzt werden können.„… NPQ-Mechanismen entspannen sich nur langsam nach den häufigen Sonnen-Schatten-Übergängen, die in Pflanzenüberdachungen auftreten“, fuhr das Team fort.Tatsächlich deuten Studien darauf hin, dass dies zu einem Verlust von 7,5 % bis 30 % der photochemischen Energie führt, die ansonsten für die Photosynthese verwendet werden könnte.„Für die Überdachung von Sojabohnen wurde berechnet, dass diese langsame NPQ-Relaxation beim Übergang von Sonne zu Schatten mehr als 11 % der täglichen Kohlenstoffassimilation kostet“, kommentierten sie weiter.Die Überexpression der drei Gene aus dem VPZ-Konstrukt beschleunigt den Prozess der Entspannung des Lichtschutzes, sodass der Lichtschutz jedes Mal, wenn ein Blatt von Licht zu Schatten übergeht, schneller abgeschaltet wird.Blätter gewinnen zusätzliche Minuten an Photosynthese, was, wenn man es über die gesamte Vegetationsperiode summiert, die gesamte Photosyntheserate erhöht.Die neue Forschung des Teams hat gezeigt, dass die Modifikationen zu einer Ertragssteigerung von mehr als 20 % führten, und das, was noch wichtiger ist, ohne die Saatgutqualität zu beeinträchtigen.„Trotz höherem Ertrag blieb der Samenproteingehalt unverändert“, sagte Co-Autor Stephen Long, RIPE-Direktor und Inhaber des von Ikenberry gestifteten Universitätslehrstuhls für Nutzpflanzenwissenschaften und Pflanzenbiologie am Carl R. Woese Institute for Genomic Biology in Illinois.„Dies deutet darauf hin, dass ein Teil der zusätzlichen Energie, die durch die verbesserte Photosynthese gewonnen wurde, wahrscheinlich zu den stickstofffixierenden Bakterien in den Knollen der Pflanze umgeleitet wurde.“Die Forscher testeten ihre Idee zunächst in Tabakpflanzen, da sich die Genetik der Pflanze leicht verändern lässt und die Menge an Samen, die aus einer einzigen Pflanze produziert werden kann.Diese Faktoren ermöglichen es den Forschern, innerhalb weniger Monate von der genetischen Transformation zu einem Feldversuch zu gelangen.Nachdem sich das Konzept bei Tabak bewährt hatte, gingen sie zu der komplizierteren Aufgabe über, die Genetik in eine Nahrungspflanze, Sojabohnen, einzubringen, die die viertwichtigste Getreidepflanze und die wichtigste Einzelquelle für pflanzliches Protein darstellt, wiesen sie darauf hin.Das Team kommentierte seine Ergebnisse wie folgt: „In replizierten Feldversuchen war die photosynthetische Effizienz bei fluktuierendem Licht höher und der Samenertrag in fünf unabhängigen Transformationsereignissen um bis zu 33 % gestiegen.Trotz erhöhter Samenmenge blieben Samenprotein und Ölgehalt unverändert … Dies bestätigt die Steigerung der photosynthetischen Effizienz als dringend benötigte Strategie zur nachhaltigen Steigerung des Ernteertrags zur Unterstützung der zukünftigen globalen Ernährungssicherheit.“Long fügte hinzu: „Nachdem wir jetzt sehr beträchtliche Ertragssteigerungen sowohl bei Tabak als auch bei Sojabohnen, zwei sehr unterschiedlichen Kulturpflanzen, gezeigt haben, deutet dies auf eine universelle Anwendbarkeit hin.Unsere Studie zeigt, dass die Realisierung von Ertragsverbesserungen stark von der Umwelt beeinflusst wird.Es ist entscheidend, die Wiederholbarkeit dieses Ergebnisses in verschiedenen Umgebungen und weitere Verbesserungen zu bestimmen, um die Umweltstabilität des Gewinns sicherzustellen.“Das RIPE-Projekt und seine Sponsoren setzen sich dafür ein, den weltweiten Zugang zu gewährleisten und die Technologien des Projekts den Landwirten zur Verfügung zu stellen, die sie am dringendsten benötigen.Ergebnisse dieser Größenordnung könnten zu keinem wichtigeren Zeitpunkt kommen.Ein kürzlich veröffentlichter UN-Bericht ergab, dass im Jahr 2021 fast 10 % der Weltbevölkerung hungerten, eine Situation, die sich in den letzten Jahren stetig verschlechtert hat und alle anderen Bedrohungen für die globale Gesundheit in ihrem Ausmaß in den Schatten stellt.In ihrer Arbeit schlussfolgerten die Autoren, dass ihre Ergebnisse zeigen, dass „… unter Feldbedingungen die direkte Biotechnik einer erhöhten photosynthetischen Effizienz zu einem erhöhten Ertrag in replizierten Parzellen in einer wichtigen Nahrungs- und Futterpflanze führt“.Und obwohl der Sojabohnenernte kein Stickstoffdünger zugesetzt wurde, „… wurde mehr Saatgut ohne Verringerung des Protein-, Stickstoff- und Ölgehalts produziert, was zeigt, dass dies ein Mittel zur nachhaltigen Ertragssteigerung ist, die dringend benötigt wird, um die zukünftige Ernährungssicherheit zu gewährleisten. ”Long sagte weiter: „Für mich persönlich war dies ein Weg von mehr als einem Vierteljahrhundert.Beginnend mit einer theoretischen Analyse der theoretischen Effizienz der Pflanzenphotosynthese, Simulation des gesamten Prozesses durch Hochleistungsberechnung, gefolgt von der Anwendung von Optimierungsroutinen, die mehrere Engpässe im Prozess unserer Pflanzen aufzeigten.Die finanzielle Unterstützung in den letzten zehn Jahren hat es uns nun ermöglicht, einige dieser angezeigten Engpässe zu beheben und die Produkte im Feldmaßstab zu testen.Nach Jahren der Prüfung und Trübsal ist es eine wunderbare Belohnung, ein so spektakuläres Ergebnis für das Team zu sehen.“Melden Sie sich an, um einen Kommentar zu hinterlassen