Die Photosynthese erhält fast alles Leben auf der Erde, aber ihr wichtigster molekularer Motor ist alles andere als perfekt. Das Enzym RubiskoRubisco, das für die Fixierung von atmosphärischem Kohlendioxid (CO₂) verantwortlich ist, arbeitet bekanntermaßen sehr langsam und begeht dabei oft einen kostspieligen Fehler: Anstatt CO₂ zu binden, reagiert es mit Sauerstoff (O₂). Dieses Problem verringert die Effizienz der Photosynthese und begrenzt die Produktivität der Pflanzen. Im Laufe der Evolution haben verschiedene Organismen Lösungen entwickelt, um diese Einschränkung zu überwinden, indem sie CO₂ in der Nähe von Rubisco konzentrieren. Zu diesen Lösungen gehören: Pyrenoidemikroskopische Strukturen, die vor allem von Algen bekannt sind. Doch es gibt eine überraschende Ausnahme bei den Landpflanzen: Hornkraut.
In einer neuen Übersichtsarbeit zeigen Robison und Kollegen, warum diese kleinen Moose besondere Aufmerksamkeit verdienen.Hornmoose sind die einzigen bekannten Landpflanzen mit Pyrenoiden, Rubisco-reichen Kompartimenten, die die Verfügbarkeit von CO₂ für die Photosynthese erhöhen können. Diese Strukturen sind mehr als nur eine evolutionäre Kuriosität; sie könnten wertvolle Hinweise zur Verbesserung der Photosynthese-Effizienz von Nutzpflanzen liefern.
Obwohl Pyrenoide in Algen umfassend untersucht wurden, entstanden die in Hornmoosen vorkommenden Pyrenoide unabhängig voneinander. Dies bedeutet, dass diese Organismen über unterschiedliche evolutionäre Wege eine ähnliche funktionelle Lösung erreichten. Für die Autoren macht diese Konvergenz Hornmoose zu einem besonders interessanten System, um zu verstehen, wie sich Kohlenstoffkonzentrierungsmechanismen in terrestrischen Umgebungen entwickeln können, wo Wasserverfügbarkeit und CO₂-Diffusion andere Herausforderungen darstellen als in aquatischen Lebensräumen.
Die Studie fasst über ein Jahrhundert Forschung zusammen und zeigt, dass die Pyrenoide der Hornmoose weitaus vielfältiger sind als bisher angenommen. Verschiedene Abstammungslinien weisen unterschiedliche Architekturen auf, von kompakten, klar definierten Strukturen bis hin zu unregelmäßigeren, von … durchzogenen Formen. Thylakoid Membranen. Diese Vielfalt deutet darauf hin, dass es keinen einheitlichen Weg gibt, ein effizientes Kohlenstoffkonzentrationssystem zu bauen.
Einer der faszinierendsten Aspekte betrifft die Art und Weise, wie diese Strukturen zusammengesetzt sind. Bei Algen wie beispielsweise ChlamydomonasDie Pyrenoidbildung ist von spezialisierten Proteinen abhängig, die die Rubisco-Aggregation fördern. Im Hornmoos Anthoceros agrestisDie Kondensation scheint durch eine ungewöhnliche Variante der kleinen Rubisco-Untereinheit selbst angetrieben zu werden. Das Protein, das die Kondensation stimuliert, besitzt eine terminale Verlängerung, die die Selbstassoziation fördert und es Rubisco ermöglicht, sich zu einer kondensierten Matrix zu organisieren, ohne auf die gleichen Proteine wie in Algen angewiesen zu sein.
Ein weiterer interessanter Punkt ist die relative Stabilität der Pyrenoide der Hornmoose. Während einige Algen diese Strukturen als Reaktion auf Umweltbedingungen rasch umstrukturieren, bleiben die Pyrenoide der Hornmoose relativ stabil. Anthoceros agrestis zeigen ein eher konstitutives Verhalten und bleiben auch bei unterschiedlichen CO₂-Konzentrationen vorhanden.
Aus evolutionärer Sicht untermauert die Studie die Annahme, dass das Streben nach höherer Photosynthese-Effizienz in sehr entfernt verwandten Abstammungslinien ähnliche Lösungen hervorbringen kann. Die Existenz eines Kohlenstoff-konzentrierenden Mechanismus in einer so alten Gruppe terrestrischer Pflanzen legt nahe, dass mehrere evolutionäre Wege zum selben Ziel führen können: die Erhöhung der CO₂-Verfügbarkeit für Rubisco, was höhere Photosyntheseraten und stärkeres Pflanzenwachstum ermöglicht.
Doch die vielleicht interessanteste Implikation liegt außerhalb der Evolutionsbiologie. Laut den Autoren könnten die Pyrenoide der Hornmoose zukünftige Strategien für das Photosynthese-Engineering inspirieren. Anstatt zu versuchen, Algensysteme vollständig auf Nutzpflanzen zu übertragen, wäre ein realistischerer Ansatz, bereits in Hornmoosen vorhandene Komponenten mit Algenmechanismen für Kohlenstofftransport und -konzentration zu kombinieren. Diese modulare Strategie könnte einen praktikableren Weg zur Verbesserung der Kohlenstoffnutzungseffizienz in Kulturpflanzen darstellen.
Durch die Verknüpfung von Evolution, Physiologie und Biotechnologie zeigt die Übersichtsarbeit, dass die Pyrenoide der Hornmoose weit mehr sind als nur kleine grüne Kügelchen in Chloroplasten. Sie stellen eine ausgeklügelte evolutionäre Lösung für die Herausforderungen der Photosynthese dar und könnten eine Inspirationsquelle für die Entwicklung zukünftiger Nutzpflanzen sein.
DER ARTIKEL::
Robison TA, Villarreal A JC, Li FW, Gunn LH. 2026. Hornmoos-Pyrenoide: eine terrestrische Ausnahme mit ingenieurtechnischen Lehren. Pflanzenphysiologie. https://doi.org/10.1093/plphys/kiag247
Portugiesische Übersetzung von Pablo O. Santos.
Titelbild: Anthoceros agrestis von Michail Iszykow (iNaturalist, CC BY 4.0).
