Reis (oryza sativa L.) ist die wichtigste menschliche Nahrungspflanze weltweit, doch das Ertragspotenzial von Reis muss bis 50 um mindestens 2050 % gesteigert werden, um die wachsende Menschheit zu ernähren. Dies kann nur durch Verbesserungen der Biomasseproduktion erreicht werden. Die Reisproduktivität könnte durch die Einführung von photosynthetischen C4-Eigenschaften radikal verbessert werden. Die C4-Photosynthese ist durch einen CO2-Konzentrationsmechanismus gekennzeichnet, der die Koordination des Stoffwechsels in zwei Zelltypen, dem Mesophyll und der Bündelhülle, beinhaltet. Es führt zur Eliminierung oder wesentlichen Verringerung der Photorespiration und folglich zu einer Steigerung der Kapazität und Quantenausbeute der Photosynthese bei hohen Temperaturen.
Eine der wichtigsten C4-Eigenschaften ist eine hohe Blattaderdichte, die als Voraussetzung für die Entwicklung der vollständigen Suite von C4-Merkmale in Pflanzen angesehen wird. Eine hohe Blattaderdichte ist erforderlich, um das optimale Verhältnis von Mesophyll- und Bündelscheidenzellen mit engem Kontakt sicherzustellen, der den schnellen Austausch von Photosynthesen ermöglicht. Dies wird durch die 'Kranz'-Anatomie erreicht, die typischerweise eine einzelne oder doppelte Schicht von Mesophyllzellen zeigt, die Bündelhüllenzellen in konzentrischer Weise umschließen. Bündelscheidenzellen wiederum umschließen das Gefäßgewebe. Diese Anordnung erlaubt Bündelhüllenzellen und Mesophyllzellen, ähnliche Volumina innerhalb des C4-Blatts einzunehmen, wohingegen das Gesamtvolumen der Mesophyllzellen im C3-Blatt größer ist.
Wie lässt man also Reis C4-Photosynthese betreiben? Durch die Nutzung der Plastizität von Reispflanzen, um mehr Adern in die Blätter zu stopfen:
Erhöhung der Blattvenendichte durch Mutagenese: Die Grundlagen für C4-Reis legen. (2014) PLoS ONE 9(4): e94947. doi:10.1371/journal.pone.0094947
Eine hohe Blattaderdichte ist sowohl ein wesentliches Merkmal der C4-Photosynthese als auch ein grundlegendes Merkmal der C4-Evolution, das den optimalen Anteil und die Nähe von Mesophyll- und Bündelhüllenzellen gewährleistet, um den schnellen Austausch von Photosynthesen zu ermöglichen. Zwei Reismutantenpopulationen, eine Deletionsmutantenbibliothek mit einer cv. IR64-Hintergrund (12,470 Linien) und eine Bibliothek mit T-DNA-Insertionsmutanten mit einem cv. Tainung 67-Hintergrund (10,830 Linien) wurden auf Zunahmen der Venendichte gescreent. Eine Hochdurchsatzmethode mit Handmikroskopen wurde entwickelt und ihre Genauigkeit wurde durch strengere mikroskopische Analysen unterstützt. Acht Linien mit deutlich erhöhter Blattaderdichte wurden identifiziert, um als genetischer Bestand für das globale C4-Reiskonsortium verwendet zu werden. Es wurde gezeigt, dass die Kandidatenpopulation sowohl geteilte als auch unabhängige Mutationen umfasste und somit mehr als ein Gen den Phänotyp mit hoher Venendichte kontrollierte. Es wurde festgestellt, dass das Merkmal der hohen Venendichte mit dem Merkmal der schmalen Blattbreite verbunden war, aber die Verknüpfung war unvollständig. Es wurde vorgeschlagen, das genetisch robustere Merkmal der schmalen Blattbreite als zuverlässigen phänotypischen Marker zum Auffinden von Varianten mit hoher Venendichte in Reis in zukünftigen Screenings zu verwenden.
