So viele wie 828 Millionen Menschen waren 2021 von Hunger betroffen, und die Zahl es wächst weiter. Aber wir können es uns nicht mehr leisten, die Nahrungsmittelproduktion durch zu steigern landwirtschaftliche Expansion. Wir müssen mehr Nahrungsmittel auf dem Land anbauen, das bereits in der Landwirtschaft vorhanden ist, indem wir den Ertrag steigern. Mit Renditen stagnieren seit der grünen revolution bieten neue entwicklungen durch bioengineering ein mittel, um der herausforderung zu begegnen.

Eine aktuelle Studie von Dr. Amanda DeSouza und Kollegen hat den Ertrag von Sojabohnen um bis zu 33 % gesteigert. Sojabohnen sind die weltweit größte Quelle für tierisches Eiweißfutter und die zweitgrößte Quelle für Pflanzenöl. Obwohl es gewesen ist zahlreiche Erfolge in der Biotechnologie von Sojabohnen zur Steigerung des Sojabohnenertrags In den letzten zehn Jahren hat keiner diese Zunahme der natürlichen Feldbedingungen nachgewiesen.

Warum wurden biotechnologisch hergestellte, ertragreiche Sojabohnen bisher nicht im Feld getestet?

Forscher haben Bioengineering eingesetzt, um Sojabohnen zu verbessern über 30 Jahre. In dieser Zeit bestand ein Großteil des Fortschritts darin, Herbizidresistenz zu verleihen, obwohl Saatgutqualität, Schädlingsresistenz, Salz- und Trockentoleranz sowie agronomische Merkmale ebenfalls Ziele sind. Die meisten dieser Pflanzen wurden in Gewächshausexperimenten mit Pflanzen getestet, die in einzelnen Töpfen gezüchtet wurden.

Biotechnische Pflanzenstudien werden aus mehreren Gründen im Gewächshaus durchgeführt. Gewächshäuser sind bequem zugänglich, ermöglichen das ganze Jahr über wiederholte Experimente und ermöglichen es den Forschern, die Umweltbedingungen zu kontrollieren. Andererseits bieten Feldexperimente begrenzte Vegetationsperioden, haben wenig bis gar keine Kontrolle über abiotische und biotische Variablen und sind zeitaufwändig und teuer in der Verwaltung. Für Experimente mit biotechnologisch veränderten Pflanzen müssen Forscher eine staatliche Genehmigung einholen, die die Freisetzung begrenzt und kontrolliert.

Es ist jedoch schwierig, die Ergebnisse von Labor- und Gewächshausversuchen auf Ergebnisse im Feld zu extrapolieren, wo Pflanzen zu einem Blätterdach zusammenwachsen und biotischem und abiotischem Stress und extremem Wetter ausgesetzt sind, was die Pflanzenleistung und den Ertrag beeinträchtigt. Dies ist jedoch ein wichtiger Schritt, da Soja ausschließlich im Freiland angebaut wird.

Natürliche Feldbedingungen lieferten genau die Lichtumgebung, die zum Testen ihrer biotechnologisch hergestellten Sojabohnen erforderlich war

Licht, das Pflanzen auf dem Feld erfahren, ist sehr dynamisch. Wenn die Lichtintensität zu hoch ist oder zu schnell ansteigt, als dass die Photochemie das absorbierte Licht nutzen könnte, wird der Lichtschutz aktiviert, um sie vor Schäden zu schützen, sodass die Blätter die überschüssige Energie abgeben können. 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.

Die Autoren der Studie zielten auf drei Gene ab, die für Proteine ​​des Xanthophyllzyklus kodieren, einem Pigmentzyklus, der beim Lichtschutz von Pflanzen hilft. Durch die Überexpression der drei Gene in Sojabohnen mit dem VPZ-Konstrukt konnten die Autoren die Erholung von der Lichtprotektion beschleunigen. Bei Feldtests verlieh die Beschleunigung den Blättern zusätzliche Photosyntheseminuten, die, wenn sie über die gesamte Vegetationsperiode addiert wurden, die gesamte Photosyntheserate erhöhten. Dies führte zu einer Ertragssteigerung von bis zu 33 % bei praktisch unverändertem Protein- und Ölgehalt.

Diese Entdeckung hat über ein Jahrzehnt gedauert.

Im Jahr 2004 führte Co-Autor Steve Long eine Studie mit Modellsimulationen, die zeigten, dass eine Verzögerung bei der Wiederherstellung des Lichtschutzes in einem mehrschichtigen Blätterdach die Photosynthese um bis zu 30 % reduzierte.

2011 Co-Autor Kris Niyogi theoretisiert, wie die Fähigkeit einer Pflanze zum Lichtschutz genetisch manipuliert werden könnte. In diesem Artikel schlug er die drei getesteten Xanthophyll-Zyklus-Gene als Ziele vor.

Im Jahr 2016 zeigte das Team von Niyogi, dass nicht-photochemisches Löschen schneller induziert und entspannt werden kann transiente Genexpression der drei Gene des Xanthophyllzyklus. Transiente Expression ist die vorübergehende Expression von Genen, in diesem Fall in einem Tabakblatt, in das die Gene injiziert wurden.

Im Jahr 2016 arbeiteten die Teams von Long und Niyogi zusammen, um das VPZ-Konstrukt in Tabak zu testen. Tabak wurde ausgewählt, weil er sich leicht umwandeln lässt, viele Samen produziert und im Feld getestet werden kann. Diese Arbeit führte zu einer 14-21 % Steigerung der pflanzlichen Biomasseproduktion unter natürlichen Feldbedingungen.

In 2022, Das VPZ-Konstrukt wurde in Sojabohnen getestet, die unter natürlichen Feldbedingungen angebaut wurden, was zu einer Ertragssteigerung von bis zu 33 % führte.

Wird diese Entdeckung den globalen Hunger verändern?

Es ist wahrscheinlich, dass diese Modifikation die Erträge bei anderen Feldfrüchten steigern kann, weil Alle Pflanzen verwenden dieselben drei Gene nicht-photochemisches Löschen zu regulieren. Außerdem ist es technisch möglich, andere Kulturen zu verändern; Mais, Baumwolle, Kartoffeln, Raps, Weizen, Reis, Erdbeeren, Salat, Auberginen und viele andere Körner, Früchte und Gemüse wurden bereits erfolgreich biotechnologisch hergestellt und kommerzialisiert. Darüber hinaus gibt es, sobald sie einmal entwickelt sind, in weiten Teilen der Welt bereits einen Präzedenzfall für den Anbau biotechnologisch veränderter Nutzpflanzen. 2019 zum Beispiel 74 % der weltweit angebauten Sojabohnen waren gentechnisch verändert für  Herbizidtoleranz und Insektenresistenz.

Es ist jedoch viel Forschung, Überprüfung und Regulierung erforderlich, um ein neues biotechnologisch hergestelltes Produkt auf den Markt zu bringen. Entsprechend der Genetisches Alphabetisierungsprojekt, „in den Vereinigten Staaten, wo ein Großteil der landwirtschaftlichen Gentechnik eingesetzt wird, dauert es im Durchschnitt fast acht Jahre und es werden mehr als 135 Millionen US-Dollar ausgegeben, um ein neues Merkmal zu entwickeln und es durch den Regulierungsprozess zu bringen.“

DER ARTIKEL::

Amanda P. De Souza, Steven J. Burgess, Lynn Doran, Jeffrey Hansen, Lusya Manukyan, Nina Maryn, Dhananjay Gotarkar, Laurie Beth Leonelli, Krishna K. Niyogi, Stephen P. Long. 2022. „Sojabohnen-Photosynthese und Ernteertrag werden durch beschleunigte Erholung von der Photoprotektion verbessert“. Forschung https://www.science.org/doi/10.1126/science.adc9831