Eine der großen Herausforderungen – und wohl Der Heilige Gral – der Pflanzenforschung ist derzeit ein Versuch, die photosynthetische Effizienz von Pflanzen zu verbessern. Überraschenderweise wird der grundlegende photosynthetische Weg – der das ultimative Stück Biochemie ist, das von allen Pflanzen verwendet wird, um Kohlendioxid in organische Moleküle wie Zucker für das Wachstum und den Energiebedarf der Pflanze einzubauen (zu fixieren) – so genannt C3-Photosynthese – ist nicht so effizient, wie es sein könnte.

Einer der Gründe für die vergleichsweise niedrige Umwandlungsrate von Sonnenlichtenergie in chemische Energie, die in organischen Molekülen gespeichert ist, ist das Phänomen der Photorespiration. Was auch immer sonst dieser Prozess kann erreichen es „verschwendet“ einige der teuer hergestellten photosynthetischen Verbindungen und reduziert effektiv die Gesamteffizienz des Prozesses. Vielen Pflanzen ist es gelungen, das Problem der Photorespiration durch biochemisches „Engineering“ zu überwinden, das die CO2-Konzentration in den Pflanzenzellen erhöht, so dass die Photorespiration unterdrückt wird. Solche Pflanzen – C4-Pflanzen wie Mais und Zuckerrohr – sind daher effizienter – also produktiver – als C3-Pflanzen. Wäre es nicht großartig, wenn C3-Pflanzen in C4-Pflanzen „umgebaut“ werden könnten?

Ja (zB fehlen uns die Worte. und fehlen uns die Worte.). Zumal im Vergleich zu C3-Pflanzen C4-Pflanzen gedeihen besser unter heißeren Bedingungen (die sich wahrscheinlich durchsetzen werden da sich das Klima weltweit weiter ändert und wärmer werden) und sind effizienter im Umgang mit Wasser - eine Ressource, die in Zukunft wahrscheinlich knapper werden wird.

Im Allgemeinen schien die Herausforderung, C3-Pflanzen in C4 umzuwandeln, äußerst beängstigend zu sein, da die Zugabe vieler Gene – mit begleitender Veränderung der Struktur, Physiologie und biochemischen Wege – erforderlich war, um wirksam zu sein. Dennoch wurde dies aufgrund der möglichen Steigerungen der landwirtschaftlichen Produktion als äußerst wünschenswert und als ein wichtiger Weg nach vorne angesehen, um die Pflanzenproduktivität zu steigern und dadurch zur Linderung der gegenwärtigen und zukünftigen globalen Nahrungsmittelknappheit beizutragen.

Arbeiten Sie jedoch durch Parimalan Rangan et al. deuten darauf hin, dass dieser gewünschte Zustand nicht nur bereits da ist, sondern sich auch die ganze Zeit vor aller Augen versteckt hat. Mit Blick auf Gene, die für die C4-Photosynthese spezifisch sind, demonstriert das Team die Existenz eines C4-Signalwegs im sich entwickelnden Korn („Samen“) von Weizen (Triticum aestivum vermutlich, obwohl nicht ausdrücklich in der Arbeit erwähnt…). Dieser C4-Weg fehlt in Weizenblättern, weshalb dieses Getreide immer als echt angesehen wurde C3-Arten. Darüber hinaus weisen Getreidechloroplasten einen Dimorphismus [Vorhandensein von zwei deutlich unterschiedlichen Strukturtypen] auf, der Chloroplasten von Mesophyll- und Bündelhüllenzellen in Blättern klassischer C4-Pflanzen entspricht. wie Mais.

Das Vorhandensein einer mutmaßlichen vollen C4-Kapazität – wenn auch in einem spezialisierten Teil der Pflanze – deutet wohl darauf hin, dass es möglicherweise nicht so schwierig ist, seine Expression in anderen Teilen der Pflanze, wie den Blättern, zu „fördern“. Aber eine offensichtliche Frage, die wir uns jetzt stellen müssen, ist, ob Weizen bereits C4-Photosynthese in seinen Körnern nutzt – die bis zu 42 % zur gesamten Photosynthese des Ohrs beitragen können – Wie viel können wir die gesamte Photosynthese dieses Getreides, wenn überhaupt, noch steigern?

Reis untersuchen (oryza sativa – ein Müsli, das berühmt ist die Hauptkalorienaufnahme für ca. eine Hälfte der Weltbevölkerung - Weijun Shen et al. zeigen dass zumindest einige der C4-ähnlichen photosynthetischen Eigenschaften in Mesophyllzellen der Mitteladern der Blätter dieses ansonsten C3-Grases vorhanden sind. Es wäre interessant zu wissen, welche Art von Photosynthese in Reiskörnern stattfindet.

Zusammengenommen deuten diese beiden Enthüllungen darauf hin, dass die C4-Photosynthese eine latente Eigenschaft in Getreide sein könnte, die nur auf ihr „Wiedererwachen“ wartet, was vielleicht keine so entmutigende Herausforderung darstellt wie die vollständige Einführung des C4-Wegs von neuem …

[Hrsg. – und es lohnt sich, uns daran zu erinnern die Entdeckung der C4-Variante der Photosynthese wurde vor 50 Jahren von veröffentlicht Hal Hatch und Roger Slack, daher der vollständigere Name Hatch-Slack Pathway. Für eine historische – und zukünftige – Perspektive dieses brillanten Stücks botanischer Biochemie, greifen Sie zu Darwin Review von Robert Furbank. Für eine aktuelle Einschätzung der evolutionären und taxonomischen Dimensionen dieses fabelhaften phytologischen Photosynthesephänomens empfehlen wir Darwin Review von Rowan Sage. Und für eine interessante Studie darüber, wie die C4-Photosynthese das Wachstum ankurbelt, indem sie Physiologie, Verteilung und Größe verändert, siehe Rebecca atkinson et al.]