Um die Produktivität der Nutzpflanzen zu steigern, haben Wissenschaftler für die Verwirklichung einer gesteigerten photosynthetischen Effizienz Das Projekt (RIPE) konzentrierte sich auf Rubisco, eines der am häufigsten vorkommenden Enzyme der Erde. Rubisco spielt eine wichtige Rolle bei der Photosynthese, doch eine genaue Messung kann schwierig sein. In einem kürzlich veröffentlichten Buchkapitel stellen die Forscher der Lancaster University eine neue Methode zur Messung von Rubisco vor, die zuverlässigere Ergebnisse liefert.

Das Kapitel, Radiometrische Bestimmung des Rubisco-Aktivierungszustands und der Rubisco-Menge in Blättern, ist Teil des neuesten Bandes von Methoden der Enzymologieund bietet ein Protokoll für die Verwendung radiometrischer Tests zur Messung des Aktivierungszustands und der Menge von Rubisco in Pflanzenblättern. Der Text ist als fundierter, praktischer Leitfaden für Einsteiger in die Pflanzenbiochemie gedacht, die mit Rubisco arbeiten möchten. Er bietet eine detaillierte Verfahrensbeschreibung, die an verschiedene Pflanzenarten angepasst werden kann und somit eine vielseitige Ressource für Labore weltweit darstellt.

„Wir haben vorherige Studien „Wir nutzen die Lichtabsorption zur Bestimmung der Rubisco-Aktivität. Es hat sich jedoch gezeigt, dass sie die Aktivität von Rubisco unterschätzen“, sagte Caty Ashton, Hauptautorin des Kapitels und leitende Biochemietechnikerin bei RIPE in Lancaster. „Radiometrische Methoden liefern tendenziell zuverlässigere Ergebnisse, da sie die Rubisco-Aktivität direkt verfolgen, während alternative Methoden auf der Verfolgung von Sekundärreaktionen basieren.“

Rubisco ist das Protein in den Chloroplasten von Pflanzen, das die Fixierung von atmosphärischem Kohlendioxid in Zucker (Pflanzennahrung) einleitet. Obwohl es für das Pflanzenwachstum unerlässlich ist, weist es einige Ineffizienzen auf, die die Photosyntheserate begrenzen und die Produktivität der Nutzpflanzen beeinträchtigen. Laut Ashton liefern bisherige Methoden zur Messung der Rubisco-Aktivität, wie beispielsweise die Messung der Lichtabsorption, oft nicht so genaue Daten wie radiometrische Analysen. Bei der radiometrischen Analyse werden radioaktive Isotope verwendet, um Prozesse wie Nährstoffaufnahme, Enzymaktivität und in diesem Fall die Rubisco-Aktivität unter verschiedenen Bedingungen zu untersuchen. Dies ist die beste Methode zur Bestimmung der Rubisco-Aktivität, da sie die Aufnahme von CO direkt messen kann.₂ in einen Zucker, während andere Messtechniken auf einigen verschiedenen Reaktionen beruhen, um indirekt die Rate der CO₂ Assimilation.

„Die Aktivität von Rubisco verändert sich sehr schnell in Reaktion auf Veränderungen der Lichtintensität. Wenn die Proben während der Entnahme im Schatten liegen, sind die Ergebnisse der Untersuchung irreführend“, sagte Ashton. „Schwankungen der Lichtintensität können dazu führen, dass die Rubisco-Aktivität innerhalb von Sekunden abnimmt. Daher verwenden wir gerne ein spezielles Licht-Probenahmesystem, das in einer kontrollierten Kammer konstantes Sonnenlicht simuliert. Wie wir jedoch im Buchkapitel erläutern, kann eine sorgfältige Probenentnahme von Pflanzen dennoch konsistente Ergebnisse liefern.“

In diesem Kapitel stellen Autoren des Carmo-Silva-Labors bewährte Verfahren zur Probenentnahme vor. Beispielsweise werden die Blattproben einer stabilen Beleuchtung ausgesetzt und anschließend in flüssigem Stickstoff eingefroren. Dadurch werden die durch Lichtveränderungen bis zu 45 Minuten vor der Probenentnahme verursachten Schwankungen eliminiert. Dies ermöglicht Wissenschaftlern, die Aktivität von Rubisco und seine Reaktion auf andere Variablen als Licht genauer zu verstehen.

Die Forschung, die dieser Arbeit zugrunde liegt, ist Teil von RIPE, einem internationalen Forschungsprojekt, das darauf abzielt, die globale Nahrungsmittelproduktion durch die Entwicklung von Nahrungsmittelpflanzen zu steigern, die die Sonnenenergie effizienter in Nahrungsmittel umwandeln, mit Unterstützung von Gates Agricultural Innovations.

Die Forschung des Teams hat direkte Auswirkungen auf die Verbesserung von Nutzpflanzen, insbesondere von Nutzpflanzen wie der Augenbohne, einem Grundnahrungsmittel in vielen Teilen der Welt und einem Schwerpunkt des RIPE-Projekts. Indem die radiometrische Methode aufzeigt, wie sich unterschiedliche Umweltbedingungen auf Rubisco auswirken, könnte sie Züchtungsprogramme und landwirtschaftliche Praktiken unterstützen und Landwirten helfen, besser an ihre Umgebung angepasste Nutzpflanzensorten auszuwählen.

„Ich hoffe, dass unser Buchkapitel anderen Forschern dabei helfen kann, die Funktion von Rubisco in Pflanzen besser zu verstehen. Rubisco ist eines der wichtigsten Ziele bei der Verbesserung der Effizienz der Photosynthese und damit der Ernteerträge“, sagte Ashton.

Ashton empfiehlt die folgende weiterführende Lektüre für alle, die sich über andere relevante Studien zu Rubisco informieren möchten:

• Amaral, J., Lobo, AK, Carmo-Silva, E. & Orr, DJ (2024). Reinigung von Rubisco aus Blättern. Photosynthese: Methoden und Protokolle (S. 417–426). New York, NY: Springer US. Sales, CRG, Silva, A. & Carmo-Silva, E. (2020). https://link.springer.com/protocol/10.1007/978-1-0716-3790-6_22
• Protokolle von Sales et al. (2020) Rubisco-Aktivität: Herausforderungen und Chancen von NADH-gekoppelten Mikrotiterplatten-basierten und 14C-basierten Assays. Protocols.io. https://doi.org/10.17504/protocols.io.bf8djrs6.
• Taylor, SH, Gonzalez-Escobar, E., Page, R., Parry, MA, Long, SP, & Carmo-Silva, E. (2022). Eine schnellere als erwartete Rubisco-Deaktivierung im Schatten reduziert das photosynthetische Potenzial der Augenbohne unter variablen Lichtbedingungen. Nature Plants, 8(2), 118-124. https://doi.org/10.1038/s41477-021-01068-9

Lesen Sie das Buchkapitel:

Ashton, CJ, Page, R., Lobo, AK, Amaral, J., Siqueira, JA, Orr, DJ und Carmo-Silva, E. (2024). Radiometrische Bestimmung des Aktivierungszustands und der Menge von Rubisco in Blättern. Methoden in der Enzymologie, 708, 323-351. https://doi.org/10.1016/bs.mie.2024.10.018.

Dieser Beitrag wurde von David Hong, Student im letzten Jahr an der University of Illinois, verfasst.