Wissenschaftler manipulieren Pflanzen, um die Kohlenstoffaufnahmekapazität zu verdoppeln und mehr Samen und Lipide zu produzieren

15. September 2025 Bericht

von Krystal Kasal, Phys.org

beitragende Schriftstellerin

redigiert von Gaby Clark, überprüft von Robert Egan

wissenschaftliche Redaktion

verantwortliche Redaktion

Dieser Artikel wurde gemäß dem Redaktionsprozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Die Redakteure haben die folgenden Merkmale hervorgehoben, während sie die Glaubwürdigkeit des Inhalts sicherstellten:

faktengeprüft

peer-reviewed Publikation

vertrauenswürdige Quelle

korrekturgelesen

Typischerweise verlassen sich Pflanzen auf den Calvin-Benson-Bassham (CBB)-Zyklus, um Kohlendioxid in der Atmosphäre in verwertbare organische Substanz für das Wachstum umzuwandeln. Obwohl dieser Zyklus der Hauptweg zur Kohlenstofffixierung in allen Pflanzen auf der Erde ist, ist er überraschend ineffizient—ein Drittel des Kohlenstoffs geht im Zyklus verloren, wenn das Molekül Acetyl-CoA zur Erzeugung von Lipiden, Phytohormonen und Metaboliten synthetisiert wird. Pflanzen verlieren auch Kohlenstoff während der Photorespiration, was ihr Wachstum einschränkt. Dies ist größtenteils auf die Ineffizienz eines Enzyms namens RuBisCO zurückzuführen.

In Bemühungen, die Kohlenstoffaufnahme und -verluste in Pflanzen zu erhöhen, um die Biomasse- und Lipidproduktion zu steigern, haben Wissenschaftler experimentiert, um die Effizienz von RuBisCO zu erhöhen, CBB-Zyklus-Enzyme zu überexprimieren, Kohlenstoffkonzentrierungsmechanismen einzuführen und die Verluste der Photorespiration zu reduzieren. Doch eine neue Studie, veröffentlicht in Science, konzentriert sich auf einen neuartigen Ansatz—die Schaffung eines völlig neuen Kohlenstoffaufnahme-Weges.

Die Forscher, die an der Studie beteiligt waren, führten einen synthetischen CO2-Aufnahmezyklus in die Pflanze Arabidopsis thaliana ein. Sie bezeichnen den entwickelten Zyklus als den Malyl-CoA-Glycerat (McG)-Zyklus, der in Verbindung mit dem CBB-Zyklus ein Doppelzyklus-CO2-Fixierungssystem schafft. Der neue Zyklus erhöht die Effizienz durch die Verwendung zuvor verschwendeten Kohlenstoffs.

'Im McG-Zyklus wird ein zusätzlicher Kohlenstoff fixiert, wenn 3PG eingebracht wird, oder kein Kohlenstoff geht verloren, wenn Glycolat eingebracht wird. In beiden Fällen wird Acetyl-CoA effizienter produziert, was voraussichtlich die Produktion von Lipiden und anderen wichtigen Pflanzenmetaboliten, einschließlich Phytohormonen, erhöhen wird', schreiben die Autoren.

Um den McG-Zyklus zu testen, exprimierte das Team sechs heterologe Enzyme in den Chloroplasten von Arabidopsis, um den McG-Zyklus einzurichten. Die Ergebnisse waren beeindruckend. Pflanzen mit etabliertem McG-Zyklus wuchsen größer—bis zu drei Mal im Trockengewicht—und nahmen an Blatt- und Samenanzahl zu, und zeigten einen höheren Lipidgehalt als ihre wilden Verwandten. Triglyceride in den McG-Pflanzen waren bis zu 100 Mal so hoch wie die normale Menge. Der Lipidgehalt war so hoch, dass die Pflanzen Taschen in ihren Zellen bildeten, um die überschüssigen Fette zu halten.

Der McG-Zyklus wurde gefunden, die Effizienz sowohl durch die Reduzierung des photorespiratorischen CO2-Verlustes als auch durch die Verbesserung der Acetyl-CoA-Produktion zu steigern. Insgesamt wurden die CO2-Assimilationsraten etwa verdoppelt.

Obwohl die Ergebnisse vielversprechend waren, sind die Auswirkungen solcher Veränderungen noch unklar. Die Forscher weisen darauf hin, dass die Auswirkungen des McG-Zyklus in diesem Experiment 'nicht unbedingt auf Nutzpflanzen übertragbar sind, und die Überexpression von heterologen Genen in aufeinanderfolgenden Generationen zum Schweigen gebracht werden könnte'. Es ist auch möglich, dass die erhöhte Kohlenstoffaufnahme nur vorübergehend ist, da der Kohlenstoff möglicherweise freigesetzt wird, sobald die Pflanzen sterben. Die Langzeitstabilität und ökologische Auswirkung der McG-Modifikation sind ebenfalls unbekannt.

Doch mit weiteren Forschungen und Tests haben die hier erzielten Ergebnisse das Potenzial, die Erträge von Nutzpflanzen und die Ölproduktion für Nahrung und Biotreibstoffe zu steigern, neben der Beitrag zur Kohlenstoffsequestrierung und zur Minderung des Klimawandels durch verbessertes Pflanzenwachstum.

Von unserer Autorin Krystal Kasal für Sie verfasst, von Gaby Clark redigiert und von Robert Egan faktengeprüft und überprüft—dieser Artikel ist das Ergebnis sorgfältiger menschlicher Arbeit. Wir sind darauf angewiesen, dass Leser wie Sie dazu beitragen, den unabhängigen wissenschaftlichen Journalismus am Leben zu erhalten. Wenn Ihnen diese Berichterstattung wichtig ist, bitte erwägen Sie eine Spende (insbesondere monatlich). Als Dank erhalten Sie einen werbefreien Account.

Weitere Informationen: Kuan-Jen Lu et al, Dual-cycle CO2 fixation enhances growth and lipid synthesis in Arabidopsis thaliana, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adp3528

Journalinformationen: Science

© 2025 Science X Network