Wissenschaftler wenden sich Computern zu, um die C4-Photosynthese während Covid zu verstehen

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WASHINGTON: Nachdem die Covid-19-Pandemie zur Schließung von Labors auf der ganzen Welt geführt hatte, wandte sich ein Forscherteam der Universität von Essex rechnerischen Ansätzen zu, um zu verstehen, warum einige Pflanzen besser zur Erzeugung von Licht und Kohlendioxid durch Photosynthese zur Umwandlung geeignet sind.
Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Frontiers of Plant Science. Es gibt zwei Arten der Photosynthese: C3 und C4. Die meisten Nahrungspflanzen hängen von der C3-Photosynthese ab, bei der Kohlenstoff in Zucker in Zellen, die als „Mesophyll“ bezeichnet werden und in denen reichlich Sauerstoff vorhanden ist, im Zucker fixiert wird.
Sauerstoff kann jedoch die Photosynthese behindern. C4-Pflanzen entwickelten spezielle Bündelschalenzellen, um Kohlendioxid zu konzentrieren, wodurch die C4-Photosynthese bis zu 60 Prozent effizienter wurde.
In dieser Studie wollten Wissenschaftler herausfinden, wie C4-Pflanzen anstelle von Mesophyll mehrere Schlüsselenzyme in Bündelhüllzellen exprimieren können.
“Das ultimative Ziel ist es, diese Mechanismen zu verstehen, damit wir die C3-Photosynthese in Nahrungspflanzen wie langen Bohnen und Maniok verbessern können, auf die Kleinbauern in Afrika südlich der Sahara für Lebensmittel und Familieneinkommen angewiesen sind”, sagte Chidi Afamefule, ein Postdoktorand, der an der Realisierung einer erhöhten Photosyntheseeffizienz (RIPE) in Essex.
RIPE wird von der University of Illinois am Carl R. Woese-Institut für Genombiologie geleitet und zielt darauf ab, die Lebensmittelproduktion zu steigern, indem die Photosynthese mit Unterstützung der Bill & Melinda Gates Foundation, der Foundation for Food and Agriculture Research und der britischen Außenwelt reduziert wird -, Büro des Commonwealth und der Entwicklungsabteilung.
Das RIPE-Projekt und seine Sponsoren setzen sich dafür ein, den globalen Zugang zu gewährleisten und die Technologien des Projekts den Landwirten zur Verfügung zu stellen, die sie am dringendsten benötigen.
Das Team verglich die DNA von vier C3-Graspflanzen (einschließlich Gerste und Reis) und vier C4-Graspflanzen (einschließlich Mais und Sorghum). Ihr Ziel war es, DNA-Regionen zu identifizieren, die die Expression von vier an der Photosynthese beteiligten Enzymen steuern können.
Diese Studie ist wahrscheinlich der erste Vergleich der Expression dieser Enzyme (SBPase, FBPase, PRK und GAPDH) in C3- und C4-Kulturen.
“Es wäre großartig gewesen, einen ‘Hauptregulator’ zu finden, der in all diesen Enzymen funktioniert, aber wir haben ihn nicht gefunden und vermuten, dass er nicht existiert”, sagte Afamefule, der ihn leitete Studie von seinem Zuhause während der Pandemie.
Stattdessen entdeckten sie, dass C4-Pflanzen mehrere „Aktivatoren“ in ihrer DNA haben, die die Expression in der Bündelschale auslösen, und „Repressoren“, die die Expression im Mesophyll einschränken. Sie hoffen, dass sie diesen genetischen Code nutzen können, um in Zukunft weniger effiziente C3-Pflanzen besser zu photosynthetisieren.
“Es werden bereits Anstrengungen unternommen, um C3-Pflanzen dabei zu unterstützen, mehr wie C4-Pflanzen zu funktionieren”, sagte die leitende Forscherin Christine Raines, Professorin an der Essex School of Life Sciences, wo sie auch als stellvertretende Kanzlerin für Forschung fungiert.
„Studien wie diese helfen uns, kleine Teile in einer unglaublich komplexen Maschine zu identifizieren, die wir verstehen müssen, bevor wir sie optimieren und neu entwerfen können“, fügte Raines hinzu.
Der nächste Schritt besteht darin, diese Ergebnisse im Labor zu validieren. Das Team kehrte am 6. Juli 2020 zu seinen Laborbänken zurück und befolgte alle empfohlenen Sicherheitsrichtlinien der School of Life Sciences in Essex.

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