Wissenschaftler haben herausgefunden, wie der Pflanzenstoffwechsel verändert werden kann, um sie dürretolerant zu machen

Dürre verursacht in vielen Teilen der Welt große Ernteverluste, und der Klimawandel droht sich zu verschärfen

die Situation sowohl in gemäßigten als auch in trockenenRegionen. In der neuen Arbeit Dr. Nadine Töpfer vom Institut für Pflanzengenetik und Pflanzenforschung. Leibniz und Kollegen von der Universität Oxford in Großbritannien analysierten das Potenzial zur Erzeugung dürretoleranter Pflanzen durch Einführung des Crassulonsäurestoffwechsels in Kulturpflanzen.

Der Crassulonsäurestoffwechsel (auch als CAM-Photosynthese bekannt) ist ein Kohlenstoff-Fixierungsweg, der sich in einigen Pflanzen aufgrund der Anpassung an trockenes Klima entwickelt hat.

In Pflanzen mit CAM-Photosynthese StomataBlätter tagsüber bedeckt, um die Evapotranspiration zu reduzieren (mit anderen Worten, Wasserverdunstung). Sie öffnen sich jedoch nachts, um Kohlendioxid zu sammeln, wodurch sie Malat (Apfelsäure) in die Mesophyllzellen diffundieren können. Nachts wird CO2 in Vakuolen als Apfelsäure mit vier Kohlenstoffatomen gespeichert und tagsüber zu Chloroplasten transportiert, wo es wieder in CO2 umgewandelt wird. Dieses Kohlendioxid wird dann während der Photosynthese verwendet. Das vorab gesammelte CO2 wird um Ribulosebisphosphatcarboxylase (Enzym RuBisCO) konzentriert. Es erhöht nur die Effizienz der Photosynthese. Dieser Mechanismus des Säurestoffwechsels wurde erstmals in Pflanzen der Familie der Crassulaceae entdeckt. Die bekannteste Art von Crassula in Russland ist die dicke Frau, die den Spitznamen "Geldbaum" erhielt.

Wissenschaftler haben einen ausgeklügelten mathematischen Modellierungsansatz verwendet, um die Auswirkungen des Einbaus der SAM-Photosynthese in verschiedene Pflanzen zu untersuchen.

Hauptautorin Nadine Töpfer, die dies durchgeführt hatWährend ihrer Amtszeit als Ph.D. Marie-Curie bei der Gruppe von Professor Lee Sweetlowe in Oxford sagte sie: „Simulation ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Erforschung komplexer Systeme und liefert Erkenntnisse, die in der Labor- und Feldforschung hilfreich sein können. Ich glaube, unsere Ergebnisse werden Forschern als Inspiration dienen, die die wassersparenden Eigenschaften von CAM-Pflanzen auf andere Arten übertragen möchten. “

Modellierung mit großer ReichweiteBei den Bedingungen für Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit fragten sich die Autoren der Studie, ob die CAM-Photosynthese oder alternative wassersparende Methoden unter Bedingungen, unter denen normalerweise Pflanzen mit C3-Photosynthese angebaut werden, produktiver sind.

Sie fanden heraus, dass die Vakuumkapazität des Blattesist der Hauptfaktor, der die Effizienz des Wasserverbrauchs während der CAM-Photosynthese begrenzt. Sie fanden auch heraus, dass Umgebungsbedingungen die verschiedenen Phasen des CAM-Zyklus prägen. Die mathematische Modellierung ermöglichte es, einen alternativen CAM-Zyklus zu identifizieren, der mitochondriale Isocitratdehydrogenase als potenziellen Faktor für die anfängliche Kohlenstoffbindung in der Nacht umfasst.

Ihre Ergebnisse zeigten nicht nur dasDas Wassersparpotential der CAM-Photosynthese hängt stark von der Umgebung ab (und die Tagesumgebung ist wichtiger als die Nachtumgebung). Die Forscher stellten auch fest, dass andere alternative Stoffwechselregime als der natürliche CAM-Zyklus unter bestimmten Bedingungen vorteilhaft sein können. Zum Beispiel an kürzeren Tagen mit weniger extremen Temperaturen. Die Ergebnisse der Wissenschaftler werden der Menschheit helfen, sich auf den Anbau von Nahrungspflanzen in einem zunehmend heißen und trockenen Klima vorzubereiten.

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