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News: Mehr Reis mit Mais-Genen

Die weltweit landwirtschaftlich genutzte Fläche nimmt ebenso ständig ab, wie die Weltbevölkerung zunimmt. Unsere Kulturpflanzen sollten daher möglichst große Erträge erbringen, um alle Menschen ernähren zu können. Durch gentechnische Manipulation des Reis - der Nahrungsgrundlage für mehrere Milliarden Menschen - fixiert er im Laufe der Photosynthese deutlich effektiver Kohlendioxid als die klassischen Zuchtformen. Dies führte in ersten Feldstudien zu 35 Prozent höheren Erträgen.
Fast die Hälfte der Menschheit lebt hauptsächlich von Reis. Trotz zurückgehender Anbaufläche und Wasservorräte müssen Jahr für Jahr zusätzliche 6,7 Millionen Tonnen des Getreides produziert werden, um die rasant wachsende Weltbevölkerung zu ernähren. Diese Ertragssteigerung versuchen Wissenschaftler seit einiger Zeit durch gentechnische Veränderungen der Pflanze zu bewirken. Botaniker der Washington State University und ihre japanischen Kollegen konnten nun die Photosyntheseleistung des Reis verbessern, indem sie Gene aus Mais in sein Genom einschleusten.

Den für die Photosynthese benötigten Kohlenstoff gewinnen grüne Pflanzen aus der Atmosphäre. Das CO2 aus der Luft müssen sie allerdings erst fixieren, das heißt, in ein Molekül einbauen, bevor sie es für Syntheseprozesse verwenden können. Bei den meisten Pflanzen wie auch dem Reis erfüllt diese Aufgabe das Enzym Rubisco. Das erste stabile Zwischenprodukt dieses Stoffwechselprozesses ist ein Molekül mit drei C-Atomen, weshalb die Pflanzen C3-Pflanzen heißen. Der limitierende Faktor der Photosynthese ist aber das Kohlendixid, da die C3-Pflanzen zu einem Zeitpunkt entstanden, als die Atmosphäre einen sehr viel höheren CO2-Anteil aufwies als heute.

Rund fünf Prozent der Blütenpflanzen haben jedoch einen Weg entwickelt, ihre Photosynthese effizienter zu gestalten. Sie fixieren ihr Kohlendioxid mit einem Enzym, das eine sehr viel höhere Affinität zu dem Gas hat als die Rubisco. Dabei legen sie eine Art CO2-Speicher an. Dieser Unterschied in der Biochemie bewirkt, dass das erste stabile Produkt der Photosynthese ein Molekül mit vier Kohlenstoffatomen ist, weshalb die Gruppe auch den Namen C4-Pflanzen trägt.

Da die C4-Pflanzen erst relativ spät in der Evolution entstanden sind, konnten sie sich an den veränderten, sehr viel niedrigeren Kohlendioxid-Gehalt der Atmosphäre anpassen. Aber neben der effizienten Photosynthese haben die Pflanzen auch noch andere Vorzüge gegenüber den C3-Pflanzen: Sie halten Trockenheit und Hitze besser aus. Einige Kulturpflanzen wie Mais oder Zuckerrohr besitzen diesen leistungfähigen Mechanismus. Die C4-Photosynthese auch in anderen Getreidesorten einzuführen ist daher so etwas wie der heilige Gral der Genetiker, erklärt Maurice Ku.

Aus diesem Grund versuchten er und seine Kollegen Makoto Matsuoka von der Nagoya University und Mitsue Miyao vom National Institute of Agrobiological Resources in Japan den Reis gentechnisch so zu verändern, dass er über den C4-Stoffwechselweg verfügt. Dafür schleusten sie drei Gene aus dem Mais einzeln in verschiedene Reis-Sorten ein. Anschließend suchten sie nach so genannten genetisch stabilen Pflanzen, die das neue Gen in beiden Chromosomensätzen besitzen. Mit konventionellen Hybridisierungsmethoden führten sie die drei neuen Merkmale in einer Reis-Linie zusammen.

Zur Überraschung und Freude der Forscher reichte die Aktivität der Maisenzyme aus, um die Photosyntheseleistung des Reis zu verbessern. In vorläufigen Feldstudien mit zwei verschiedenen transgenen Sorten in China und Korea konnten sie eine Ertragssteigerung von 10 bis 35 Prozent erreichen. Außerdem scheinen die Merkmale auch in der mittlerweile sechsten Generation stabil zu sein, wie Ku auf der International Conference on Rice Biotechnology in Manila bekannt gab.

Ku ist der Überzeugung, dass diese Methode auch bei anderen Kulturpflanzen anwendbar ist. Ob die leistungsfähige Pflanze nun auch mehr Nährstoffe benötigt, ist noch unklar, zumindest hat sie jetzt einen höheren Wasserbedarf.

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