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Photosynthese: Zurück in die Zukunft

Bioinformatikern in Düsseldorf ist es erstmals gelungen, Algorithmen für die Entwicklung der Photosynthese in ein Evolutionsmodell zu packen. Das Modell zeigt, wie es einigen Pflanzen gelang, ihre konventionelle Photosynthese zu einer Booster-Variante weiter zu entwickeln. Jetzt wollen die Forscher C3-Nutzpflanzen evolutionär bis zu jenem Entwicklungsstadium zurück mutieren, in dem dann eine natürliche C4-Evolution möglich ist.
© hyperraum.TV
Das Evolutionsmodell der Photosynthese und die Optimierung von Nutzpflanzen

Veröffentlicht am: 19.06.2016

Laufzeit: 0:09:18

Sprache: deutsch

Hyperraum TV ist ein von der Medienwissenschaftlerin und Wissenschaftshistorikerin Susanne Päch betriebener Spartensender für Wissenschaft und Technologie.

Martin Lercher hält den Lehrstuhl für Bioinformatik an der Uni Düsseldorf und befasst sich mit der Entwicklungsgeschichte der Photosynthese, dem Lebenserhaltungssystem in den Blättern. Es wandelt das Kohlenstoffdioxid der Luft in Zucker und Stärke um; dabei entsteht Sauerstoff als Abfallprodukt, das die Pflanze an die Atmosphäre zurückgibt. Je mehr sich das Erfolgsmodell Pflanze seit rund 500 Millionen Jahren über die Erde ausgebreitet hat, desto stärker stieg der Sauerstoff-Gehalt in der Atmosphäre. Es wurde immer mehr zu einem echten Störfaktor für die eigene Energieproduktion im Minilabor der Pflanze. Die Evolution begann deshalb, nach Lösungen für das Problem zu suchen und entdeckte vor rund 25 Millionen Jahren eine "Bobster-Photosynthese", die die Forscherwelt C4 nennt.

Wie die Pflanzenwelt diese Variante entwickelt hat, konnte Lerchers Team nun erstmals in einem Modell algorithmisch beschreiben. Dazu hat er das seit langem bekannte, aber nur statische Beschreibungsmodell der Photosynthese mit den neuesten Forschungen über die Wahrscheinlichkeit von phänotypisch beobachtbaren Pflanzenmutationen kombiniert. Das daraus entstandene Evolutionsmodell ist inzwischen experimentell bestätigt worden; mit Mutationen der C4-fähigen Flavien als pflanzlichen Probanden konnten Genforscher inzwischen bestätigen, dass die theoretisch errechneten Prognosen mit den beobachteten Mutationen im Labor gut übereinstimmen.

Das Modell zeigte aber auch, warum heute nicht alle Pflanzen die so erfolgreiche C4-Photosynthese nutzen. Einige Pflanzenarten hatten beim Auftreten des Sauerstoffproblems schon ein genetisches Entwicklungsstadium erreicht, das diese Veränderung nicht mehr zuließ. Jedenfalls nicht, ohne dass sie sich dafür erst evolutionär hätten zurück entwickeln müssen – für die ausschließlich in Vorwärtsrichtung arbeitende Evolution keine brauchbare Alternative. Mit Hilfe des Modells wollen die Forscher mit der genetisch gut erforschten C3-Pflanze Arabidopsis jetzt im Labor die Reise in die Vergangenheit antreten und die Pflanze bis zu diesem Stadium zurück entwickeln, an dem eine Evolution in Richtung C4 genetisch möglich wird. So arbeitet das Team auch am Internationalen Reis-Projekt mit, das – gefördert von der Gates-Stiftung – C4-Reis entwickeln und Kleinproduzenten in Entwicklungsländern lizenzfrei zur Verfügung stellen will. Diese Zeitreise in die Vergangenheit der Pflanzen ist eine für die Ernährung der Welt bedeutende Forschungsfrage. Denn gelingt dies, könnte man in viele Nutzpflanzen wie Weizen oder Reis die C4-Synthese nachträglich einbauen, dies würde zu besserem Wachstum und mehr Ertrag führen. Zudem können solche Forschungen zum Evolutionsmodell der Pflanze sogar für grundlegende Fragen der Entwicklung des Lebens wichtige Aufschlüsse geben. Der Biochemiker Andreas Weber, Sprecher des Pflanzen-Exzellenzclusters Ceplas, ist sogar überzeugt, dass uns die Pflanze zum ersten idealtypischen Modell des Lebens an sich führen wird, wie er am Ende unserer Reportage voraussagt.

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