Bei der Photosynthese nutzen Pflanzen Licht, um Wasser und Kohlendioxid in Zucker und Sauerstoff umzuwandeln. Dabei können sie allerdings nur einen begrenzten Anteil des Lichtspektrums verwenden. „Die Photosynthese funktioniert am effizientesten bei eher niedriger Lichtintensität, während sie bei hoher Lichtintensität gedrosselt wird. Wenn sich die Lichtverhältnisse zu häufig ändern, können die Regelmechanismen nicht schnell genug reagieren, was die Effizienz verringert und damit den Ertrag mindert“, erklärt Dario Leister von der Ludwig-Maximilians-Universität München.
Beschleunigte Evolution bei Cyanobakterien
Durch einen Wechsel von Wolken, Schatten und heller Sonnenstrahlung sind Nutzpflanzen unter freiem Himmel unsteten Lichtverhältnissen ausgesetzt, an die sie sich anpassen müssen. Ein Ansatz, um die Produktivität zu steigern, könnte darin bestehen, ihnen diese Anpassung zu erleichtern. Gemeinsam mit einem Team um Erstautor Theo Figueroa-Gonzalez hat Leister deshalb untersucht, welche genetischen Tricks den Lichtstress mildern können. Als Modellorganismus dienten ihnen Cyanobakterien der Gattung Synechocystis, mit denen sich dank ihrer kurzen Generationsdauer eine beschleunigte Evolution nachstellen lässt.
Für ihr Experiment setzten die Forschenden die Cyanobakterien durch rasch schwankende Lichtintensitäten unter Stress. „Solche Bedingungen, bei denen sich im Abstand von einer bis mehreren Minuten hohe und niedrige Lichtintensitäten abwechseln, stören die Photosynthese und beschädigen die Photosysteme“, erklärt Leister. Als Reaktion auf diese ungünstigen Bedingungen traten in den Synechocystis-Zellen zahlreiche natürliche Mutationen auf, die die Aktivität und die Menge mehrerer für die Photosynthese wichtiger Biomoleküle beeinflussten. Dazu zählten die Protein-Pigment-Komplexe Photosystem I und II sowie die lichtsammelnden Antennenkomplexe.
Natürliche Mutationen
Diese genetischen Anpassungen machten die Cyanobakterien robuster gegenüber extremen Wechseln der Lichtbedingungen, sodass sie auch unter Bedingungen überlebten, die für den Ausgangsstamm tödlich waren. Zudem verbesserte sich die Effizienz der Photosynthese bei starkem Licht. Ähnliche Mutationen könnten womöglich auch Nutzpflanzen besser gegen Lichtstress wappnen und in die Lage versetzen, ein breiteres Spektrum an Lichtwellenlängen zu nutzen. „Unsere verbesserten Synechocystis-Linien enthalten Punktmutationen, die sich mithilfe von Gene-Editing auch in verwandte Arten übertragen lassen“, sagt Leister. „Aufgrund neuer Gesetzesinitiativen der EU gelten voraussichtlich solche Veränderungen zukünftig nicht mehr als transgen. Dieser Ansatz entspricht zudem eher natürlichen Prozessen.“
Da Cyanobakterien allerdings nicht eng genug mit Landpflanzen verwandt sind, ist eine direkte Übertragung bisher nicht möglich. „Der nächste Schritt besteht darin, den Ansatz aus unserer aktuellen Studie auf eukaryotische Algen auszuweiten, da diese deutlich näher mit Kulturpflanzen verwandt sind“, erklärt Leister. Schritt für Schritt wollen die Forschenden auf diese Weise ihrem Ziel näherkommen, den Photosyntheseapparat von Nutzpflanzen zu optimieren.
Quelle: Theo Figueroa-Gonzalez (Ludwig-Maximilians-Universität München) et al., Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-026-72689-x
