In Pflanzen steckt viel Energie, aber es ist nicht immer einfach, darauf zuzugreifen. Die Zellwände sind aus Zellulose aufgebaut, die die Pflanzenzellen starr hält. Leider ist Zellulose notorisch schwer abbaubar. Einige Tiere können es verarbeiten, aber es ist nicht einfach. Ein neues Papier, von Adriana Grandis und Kollegen, untersucht, wie Zuckerrohr Zellulose abbauen kann, um die Aerenchym.

Aerenchym ist nicht starr. Es ist ein schwammartiges Gewebe voller Hohlräume und Kanäle für Luft. Prof. Marcos Buckridge, einer der Autoren der Studie, erklärte, warum Aerenchym für Zuckerrohr so ​​wichtig ist: „Man geht davon aus, dass das Wurzel-Aerenchym die Sauerstoffversorgung des Wurzelgewebes verbessert. Dadurch schützt es die Wurzel vor Hypoxie (Sauerstoffmangel), die durch Staunässe oder Überschwemmungen verursacht wird. Wir haben nach Zuckerrohrsorten ohne Aerenchym gesucht, aber bisher keine gefunden, zumindest nicht bei den von uns untersuchten brasilianischen Sorten. Viele Gräser, darunter Reis, Sorghum und Mais, bilden Aerenchym. Mais wurde eingehender untersucht, und bei ihm bildet sich Aerenchym in den Wurzeln nur bei Überschwemmung oder Staunässe. Reis, Sorghum und Zuckerrohr bilden Wurzel-Aerenchym unabhängig von einem externen Signal (d. h., Aerenchym ist konstitutiv).“

Eine Möglichkeit, eine bessere Vorstellung davon zu bekommen, wie Aerenchym funktioniert, wäre, eine Pflanze so zu verändern, dass sie weniger davon enthält. Und an dieser Arbeit hat das Team von Prof. Buckeridge gearbeitet. „Wir haben versucht, die Aerenchymbildung im Zuckerrohr zu unterdrücken. Wir haben zum Beispiel versucht, Substanzen hinzuzufügen, die die Signalübertragung des Hormons Ethylen hemmen (Tavares et al., 2018), von dem bekannt ist, dass es die Bildung von Aerenchym induziert, dies aber noch nicht konnte. Wir haben auch versucht, einen Repressor des ersten Schrittes (Pektinabbau), den Transkriptionsfaktor scRAV1 (gekennzeichnet durch Tavares et al., 2019), fanden aber heraus, dass es Mechanismen gibt, die die Bildung von Aerenchym zu „schützen“ scheinen, in diesem Fall eine Mikro-RNA, die auf den Transkriptionsfaktor abzielt.“

„Es ist möglich, dass Aerenchym auch für die Wachstumsverbesserung von Zuckerrohr wichtig ist, da es unabhängig von Überschwemmungen oder Staunässe für Sauerstoffversorgung der Wurzeln sorgen kann. Züchtern ist bekannt, dass tiefere und schnell wachsende Wurzeln die Zuckerrohrproduktion verbessern. Das Aerenchym wurde möglicherweise blind von Züchtern ausgewählt, als sie nach höherem Wachstum, Zucker- und Biomasseproduktion suchten.“

Es ist die Art und Weise, wie sich Aerenchym bilden, die sie zu einem so nützlichen Merkmal für das Studium macht. Das Zuckerrohr wächst nicht mit diesen vorgeformten Luftkanälen. Stattdessen gibt es einen Abrissprozess innerhalb der Pflanze, wenn sie wächst. Prof. Buckeridge sagte, dies sei den Lesern von Botany One möglicherweise bereits bekannt. „Die Bildung des Aerenchyms lässt sich in Module einteilen (grandis et al., 2014, Tavares et al., 2015). Das Phänomen ist beschrieben in Milch et al. 2017, und ein Film über seine Entstehung innerhalb der Wurzel ist als ergänzendes Material oder zum Download verfügbar direkt von Botany One. Der erste Schritt ist die Signalisierung. Wahrscheinlich „spürt“ eine einzelne Zelle der Rinde das Gleichgewicht zwischen Ethylen (lokal produziert) und Auxin (kommt aus den Blättern) und tritt in die zweite Stufe ein, die durch zwei Merkmale gekennzeichnet ist: Zelltrennung (Angriff von Enzymen auf die Mittellamelle) und Zellausdehnung. Gleichzeitig beginnt der programmierte Zelltod (siehe auch den früheren Artikel bei Botany One). Wenn Zellen sterben, produzieren sie synchron Enzyme, um die Zusammensetzung der Zellwand zu modifizieren (Grandis et al., 2019), und bilden ein Komposit (Leite et al., 2017), das allmählich widerspenstig gegenüber den Hydrolasen wird (grandis et al., 2019) und bilden am Ende Kanäle, die angeblich gasundurchlässig sind und eine Reihe miteinander verbundener Pfade bilden, die Sauerstoff durch die Wurzel leiten.

Bei der Untersuchung, inwiefern Aerenchym-Formen esoterisch erscheinen könnten, ist dies eine wertvolle Frage. Es könnte eine große Auszahlung sein, wenn man versteht, wie es entsteht. Prof. Buckeridge sagte: „Unser Artikel könnte für diejenigen interessant sein, die mehr darüber wissen möchten, wie wir Pflanzen manipulieren können, um mehr Bioenergie aus pflanzlicher Biomasse zu produzieren. Dazu ist es unabdingbar, den Zucker aus Stoffen wie Zellulose zu gewinnen. Indem man es bricht, produziert man Glukose, die Hefe gegeben werden kann, die den Zucker fermentiert und Ethanol produziert. Dies ist jedoch sehr schwierig, da die Zellwände (der Verbundstoff, der außerhalb aller Pflanzenzellen liegt) viel komplizierter sind und neben Zellulose noch mehrere andere Polymere aufweisen. Unser Artikel beschreibt, wie Gene aktiviert werden, um Proteine ​​(Enzyme) zu produzieren, die diese Polymere brechen können. Dies ist Teil einer Strategie, Zuckerrohrpflanzen dazu zu bringen, sich wie eine Frucht zu verhalten, weich und für die Industrie einfach zu werden, um den Zucker für die Ethanolproduktion zu erhalten.“

Die Verbesserung dieses Prozesses der Umwandlung von Zucker in Ethanol könnte dazu beitragen, die Kohlendioxidemissionen zu reduzieren. Prof. Buckeridge sagte: „Zuckerrohr ist eine der führenden Bioenergiepflanzen auf dem Planeten. Es ist nicht nur die Hauptquelle für Zucker (Saccharose), der für Lebensmittelzwecke verwendet wird, sondern auch eine der Hauptquellen für Ethanol zur Verwendung als Biokraftstoff. Der Ausbau von Zuckerrohr in Brasilien ohne Auswirkungen auf die Nahrungsmittelproduktion oder den Erhalt von Biomen, einschließlich des Regenwaldes, würde ausreichen, um bis zu 6 % des in der Anlage verwendeten Benzins zu ersetzen und auch die CO-Emissionen zu verringern₂ um bis zu 14 % auf Basis von 2014 (Jaiswal et al., 2017). Um solche Ziele zu erreichen, müssten wir nicht nur den bereits im Zuckerrohrgewebe vorhandenen freien Zucker (Saccharose) verwenden, sondern den Zucker aus den Zellwänden gewinnen. Daher wird einer der kritischen Prozesse zur Herstellung von Ethanol aus pflanzlicher Biomasse als Hydrolyse bezeichnet. Dieser letztere Prozess ist notwendig, weil mehr als 60 % der Masse (mit Ausnahme von Wasser) einer Pflanze Zellwände sind. Das nennen wir Bioethanol der 2. Generation (2G).“

„Denn ich habe mich mein ganzes Berufsleben (jetzt 38 Jahre) mit dem endogenen Prozess des Zellwandabbaus in Samen (Buckeridge et al., 2005), als das Thema Bioenergie um die Mitte des 2000er-Jahrzehnts prominent wurde, beschloss ich, nach Entwicklungsvorgängen im Zuckerrohr zu suchen, bei denen die Zellwände abgebaut wurden. Einer meiner Doktoranden beschäftigte sich damals mit der Entwicklung von Papayas. Wir haben sehr interessante Prozesse beobachtet, bei denen sich die Zellen der Frucht trennen (der Zement – ​​die Mittellamelle – wird durch Enzyme abgebaut) und die Weichheit der reifen Frucht dem Verbraucher den süßen Geschmack verleiht. Ich dachte, wir könnten vielleicht Entwicklungsprozesse in Zuckerrohr finden, die denen entsprechen, die ich bei Samen und Früchten untersucht habe, und versuchen, das zu nutzen, um Zuckerrohr so ​​umzugestalten, dass es weich wie eine Frucht wird. Von diesem Zeitpunkt an nannte ich dieses Projekt „Papaya Cane“. Wir haben zuerst beim Altern der Blätter danach gesucht, aber keine Anzeichen einer Zellwandmodifikation gefunden (Martins et al., 2016). Wir suchten weiter, bis wir das Aerenchym fanden. Wir waren beeindruckt, weil die gesamte Wurzelrinde zusammenbrach und Zellwandreste hinterließ. Meine Gruppe wurde dann angewiesen, das Aerenchym von Zuckerrohr hinsichtlich der mit den Zellwänden verbundenen Ereignisse zu untersuchen. Die Beschreibung des Prozesses erschien 2017 in Annals of Botany, und jetzt berichten wir über die Mechanismen der Genexpression, Proteinproduktion und Enzymaktivität, die an der Aerenchymbildung beteiligt sind.“

„Zusammen mit anderen veröffentlichten Kapiteln und Papieren (Grandis et al., 2014,  Buckeridge und De Souza, 2014, Tavares et al., 2015, und andere), nähern wir uns dem, was der Papayastock sein sollte. Wir haben gute Beweise dafür, dass ein Angriff auf die Pektine in der Mittellamelle (wie er in der Frucht passiert) die Entwicklung von Aerenchym auslöst und die Aufgabe erfüllen könnte, die Biomasse von Zuckerrohr aufzuweichen. Unter Verwendung eines von entdeckten Transkriptionsfaktors Tavares et al. (2019), die den ersten Schritt des Prozesses steuert, haben wir gentechnisch veränderte Pflanzen hergestellt. Diese werden analysiert, um zu sehen, ob sie dem nahe kommen könnten, was wir von der Papaya-Stange erwarten.“

Während das Papier einige Fragen zur Bildung von Aerenchym beantwortet, gibt es noch viel zu tun, sagte Prof. Buckeridge: „Eines der Hauptziele dieser Forschungsrichtung in meinem Labor ist es, Mechanismen zu verstehen, die zur Kontrolle der Hydrolyse verwendet werden könnten der Zellwände, um den ganzen Körper der Zuckerrohrpflanze weicher zu machen. Wir glauben jetzt, dass dies durch Auslösen des ersten Schritts der Aerenchymbildung, dh der Zelltrennung, erreicht werden kann. Allein dieser erste Schritt könnte ausreichen, um den Energiebedarf für den Prozess der 2G-Bioethanolproduktion aus Zuckerrohr zu senken.“

Das zweite Ziel betrifft die Produktion effizienterer Hydrolasen. Unsere Arbeit trägt zur Entwicklung von Enzymcocktails bei, die spezifisch für die Hydrolyse von Zuckerrohrcellulose und -hemicellulosen sind, um die zerkleinerte Biomasse leichter vorzubehandeln und zu hydrolysieren. Die Idee ist, dass die von der Pflanze selbst produzierten Zellwandhydrolasen in industriellen Prozessen effizienter sein könnten. Aus einer Sammlung von etwa 1,200 verschiedenen zellwandbezogenen Enzymen aus Zuckerrohr, die wir bisher identifiziert haben (Veröffentlichung in Vorbereitung), wählten wir mithilfe unserer Erkenntnisse aus Studien zum Aerenchym des Zuckerrohrs zwei Kandidatenenzyme aus. Wir klonierten und charakterisierten diese Gene (eine Endopolygalacturonase und eine α-Arabinofuranosidase) und exprimierten sie heterolog in Hefe. Diese Enzyme werden derzeit charakterisiert, und wir beabsichtigen, sie industriell eingesetzten Enzymcocktails beizufügen und die Hypothese zu testen, dass sich die Effizienz durch pflanzliche Enzyme steigern lässt.

Eine der größten Herausforderungen, vor denen wir stehen und weiterhin stehen, ist das Fehlen einer vollständigen Genomsequenz von Zuckerrohr. In letzter Zeit hat sich dies jedoch deutlich verbessert, und wir haben nun Zugriff auf Genomentwürfe, die uns helfen, vollständige Sequenzen, Promotoren und viele weitere Details der Enzyme zu erhalten. Wir verfügen bereits über eine Liste von 29 Zuckerrohrhydrolasen, die vielversprechende Kandidaten für die Verwendung als Zusätze in kommerziellen Enzymcocktails darstellen. Mit den vollständigen Sequenzen des Genoms und der anschließenden heterologen Expression dieser Enzyme in Mikroorganismen könnten Enzymcocktails deutlich verbessert werden. Ein weiterer Ansatz wäre die Aktivierung von Enzymkonsortien innerhalb des Zuckerrohrgewebes, um die Endohydrolyse zu fördern und so den industriellen Prozess unabhängig von Vorbehandlungen zu machen. Um dieses Ziel zu erreichen, müssten wir ein System zur Bildung von Aerenchym in den anderen Organen der Zuckerrohrpflanze „installieren“. Mit zunehmender Entwicklung der notwendigen Werkzeuge und dem Verständnis der Mechanismen sehe ich darin eine spannende Herausforderung der synthetischen Biologie für die nahe Zukunft.