Die Bedeutung der Fotosynthese ist fundamental: Durch diesen Prozess verwandeln Pflanzen das Licht der Sonne in die Energieträger des Lebens und setzten dabei zusätzlich Sauerstoff frei. Aus Wasser, Kohlendioxid und Lichtenergie erzeugen sie energiereiche Stoffe, welche die Grundlage der Nahrungsketten bilden und auch die Ernährung des Menschen sichern. So versorgen uns Reis, Mais und Co mit Energie und lassen die Bevölkerungszahlen nach wie vor steigen. Doch bald ist das Ende der Fahnenstange erreicht, warnen Experten. Die mit herkömmlichen Kulturpflanzen möglichen Ertragssteigerungen können mit dem prognostizierten Bevölkerungswachstum nicht mithalten. Nur die grüne Gentechnik kann noch einmal für einen entscheidenden Ertragszuwachs sorgen, sagen einige Wissenschaftler.
Optimierter Schutzmechanismus
Die Forscher um Stephen Long von der University of Illinois haben sich in diesem Zusammenhang nun mit der Frage auseinandergesetzt, ob sich die Fotosyntheseleistung von Pflanzen künstlich steigern lässt. Ihr Ansatzpunkt war dabei eigentlich gar nicht die Fotosynthese selbst, sondern ein Schutzmechanismus: Wenn Pflanzen zu viel Licht abbekommen, drohen sie geschädigt zu werden. Aus diesem Grund fahren sie in solchen Fällen einen Schutzmechanismus hoch, der die überschüssige Strahlungsenergie vom fotosynthetischen System abhält, indem er sie in Wärme verwandelt. Dieser Schutzmechanismus wird “nonphotochemical quenching” (NPQ) genannt.
Wie die Forscher berichten, handelt es sich bei dem NPQ allerdings um ein vergleichsweise träges System: Wird es einmal bei starker Bestrahlung aktiviert, mindert es noch lange danach die Fotosynthesleistung der Pflanze, selbst wenn beispielsweise eine Wolkendecke plötzlich für Schatten sorgt. Die Wissenschaftler haben nun eine Möglichkeit gefunden, den Umschalt-Prozess vom NPQ-Strahlungsschutz zu mehr Fotosynthesleistung bei Schatten zu beschleunigen.
Wie sie berichten, sind drei Gene beziehungsweise deren erzeugte Proteine für die Funktion des NPQ-Strahlungsschutzes bei Pflanzen verantwortlich. Um zu testen, welche Effekte man durch die Beeinflussung dieser Erbanlagen erreichen kann, erzeugten sie gentechnisch veränderte Tabakpflanzen, bei denen die Aktivität dieser drei Gene künstlich erhöht war. Tabak diente in diesem Fall allerdings nur als Modellpflanze, da er sich leicht gentechnisch verändern und kultivieren lässt, betonen die Forscher.
Erhebliche Ertragssteigerungen möglich
Die Untersuchung dieser Pflanzen zeigte: Die verstärkte Aktivität der drei Gene führt tatsächlich dazu, dass der NPQ-Strahlungsschutz schneller wieder zur verbesserten Fotosynthesleistung bei Schatten umschaltet. Auf diese Weise erreichten die Pflanzen unterm Strich mehr Gesamtleistung, wenn sie wechselnden Lichtbedingungen ausgesetzt waren, zeigten Gewächshaus- und Freiland-Experimente.
Letztlich führte die erhöhte Fotosytheseleistung dann zu einer erhöhten Biomassenproduktion von 15 bis 20 Prozent, berichten die Wissenschaftler. Wie sie erklären, findet oft die Hälfte der Fotosynthese bei Schattenbedingungen statt, deshalb kann eine Beschleunigung des Umschaltmechanismus für solch starke positive Effekte sorgen.
