Von der Natur inspiriert: EU-Projekt GAIN4CROPS
Die Verbesserung der photosynthetischen Effizienz der Sonnenblume soll Grundlagen für nachhaltige Landwirtschaft schaffen
GAIN4CROPS (www.gain4crops.eu) entwickelt neue disruptive Technologien, um eines der Haupthindernisse der Photosynthese zu überwinden: die Photorespiration, ein biochemischer Prozess in Pflanzen, der die Effizienz der Kohlendioxid (CO2)-Aufnahme und damit den Biomasseertrag und die landwirtschaftliche Produktivität verringert.
85 Prozent der Pflanzen – darunter Reis, Weizen, Sojabohnen und alle Bäume – betreiben Photosynthese nach dem sogenannten C3-Typ. Bei höheren Temperaturen wird ihre photosynthetische Effizienz durch die Photorespiration stark beeinträchtigt, was in Folge den Ertrag einschränkt. Einige Pflanzen wie der Mais haben jedoch Stoffwechselstrategien entwickelt, um diesen Effekt zu umgehen: Sie reichern das CO2 in spezifischen Kompartimenten an und schaffen damit eine für die Photorespiration ungeeignete Umgebung.
Von einer dieser natürlich vorkommenden Stoffwechselstrategien inspiriert, plant GAIN4CROPS ein schrittweises Vorgehen, um die Effizienz der Photosynthese zu verbessern. Das Konsortium wird neuartige Stoffwechselwege entwerfen, die die zellulären Ressourcen besser nutzen, indem sie die Freisetzung von CO2 zurück in die Atmosphäre verringern. „Versuche, neue Stoffwechselvorgänge in Nutzpflanzen einzubinden, erwiesen sich als sehr kompliziert, vor allem wegen der Schwierigkeit, eine spezielle, die sogenannte de novo-Blattanatomie einzuführen und in die komplexen regulatorischen Netzwerke der Zelle einzugliedern“, erklärt der Projektkoordinator Prof. Dr. Andreas Weber vom Institut für Pflanzenbiochemie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf. „In GAIN4CROPS bauen wir stattdessen auf der naturgegebenen Physiologie der Sonnenblume auf. Sie besitzt die inhärente Fähigkeit, sich in Richtung eines verbesserten Stoffwechsels zu entwickeln, was letztlich eine Erhöhung des landwirtschaftlichen Ertrages ermöglichen kann.“
Insgesamt bergen die von GAIN4CROPS verfolgten Ansätze das Potenzial, den Verbrauch der drei wichtigsten Ressourcen in der Landwirtschaft zu verringern: Land, Stickstoff und Wasser. Eine effizientere Photosyntheserate führt zu höheren Ernteerträgen pro Flächeneinheit Land, was wiederum die Ausdehnung des Ackerlandes und den Bedarf an Stickstoffdünger und Wasser begrenzt.
Die Vorteile der GAIN4CROPS-Pflanzen werden bei höheren Temperaturen noch ausschlaggebender sein und die Entwicklung klimaresistenter Nutzpflanzen fördern, wie sie zur Bewältigung der Folgen des anthropogenen Klimawandels erforderlich sind.
„Mit GAIN4CROPS schließen wir uns aktuellen Bemühungen an, Landnutzung und Nahrungsmittelproduktion aufeinander abzustimmen, um die biologische Vielfalt zu erhalten, die Umweltauswirkungen der Landwirtschaft zu reduzieren und gesunde Nahrungsmittel in ausreichenden Mengen zu erzeugen", sagt Prof. Weber. In der Tat ist das Sonnenblumenöl eine gesunde Alternative zu anderen Speiseölen, wie zum Beispiel Palmöl. Im Vergleich zu dem in Deutschland in großen Mengen angebauten Raps – aus dem Rapsöl entsteht – haben Sonnenblumen den Vorteil, dass diese auch auf wärmere Klimate angepasst sind, während Raps auf relativ kühle Temperaturen beschränkt ist.
Das Konsortium besteht aus drei Forschungsorganisationen (der Max-Planck-Gesellschaft, der CEA in Frankreich und der Agroscope in der Schweiz), sechs akademischen Institutionen (Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, Universität Rostock, Universität Cambridge, Universität Padua, Estnische Universität für Biowissenschaften und Universität Groningen), einem Vertreter der Industrie (Corteva Agriscience) und drei kleinen und mittelständischen Unternehmen (IN srl, NRGene Ltd und Genomix4Life). Es bringt ein breites Spektrum an Fachwissen zusammen und bündelt mit seinen Gruppen, die über große Erfahrung in Genomsequenzierung, Pflanzenzüchtung und Feldkulturen verfügen, Spitzenforschung auf dem Gebiet der Pflanzenphysiologie, Mikrobiologie und Systembiologie.
„In diesem interdisziplinären, europäischen Projekt haben wird die einmalige Chance, innovative Grundlagenforschung, wie wir sie in der Max-Planck-Gesellschaft betreiben, zur Anwendungsreife zu bringen“, betont Tobias Erb, Direktor am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg. „Dazu werden wir an unserem Institut neue Stoffwechselnetzwerke entwickeln und optimieren, die der Sonnenblume zur effizienteren CO2-Umwandlung dienen können.“
Die mit GAIN4CROPS gewonnenen Ergebnisse sollen künftig als Grundlage dienen, um ähnliche Leistungen bei anderen Pflanzen zu erreichen. Sie können den Weg zu innovativen Nutzpflanzen ebnen, die dank ihrer Klimaresistenz und reduzierten Ressourcenverbrauchs eine nachhaltigere Landwirtschaft ermöglichen.
