Frisierte Photosynthese
Indem sie den Stoffwechsel von Pflanzen verbessern, wollen Forscher verheerenden Hungersnöten vorbeugen.
- Katherine Bourzac
In einem ruhigen Gewächshaus mitten in Illinois befeuchten Forscher Erde, schaufeln sie in Töpfe und versehen sie sorgfältig mit kleinen dunkelbraunen Tabaksamen aus einer Glasphiole. In den folgenden Monaten werden die Forscher diese Pflanzen draußen auf einem Feld anpflanzen und beobachten, ob sie größer oder schneller wachsen als gewöhnlich.
Ganz anders als normale Biotech-Pflanzen
Die Pflanzen wurden weit grundlegender verändert als gewöhnliche Biotech-Pflanzen – ihre gesamte Photosynthese wurde optimiert. Wenn Wissenschaftlern dies auch mit Nahrungspflanzen gelingt, ließen sich auf gleicher Fläche mehr Lebensmittel herstellen – oder dieselbe Menge mit weniger Wasser und Dünger.
Dies ist dringend nötig. Um die wachsende Bevölkerung zu ernähren, muss die weltweite Ernte bis 2050 um 50 Prozent steigen, schätzen die Vereinten Nationen. Und darin sind die Folgen des Klimawandels noch nicht einmal berücksichtigt. Mehr Kohlendioxid lässt Pflanzen zwar besser gedeihen, aber Hitze und Dürre senken wiederum den Ertrag. Diese negativen Effekte werden vor allem die Armen betreffen, sagt Steve Long, Direktor des Photosynthese-Projekts mit dem Kürzel RIPE ("Realizing Increased Photosynthetic Efficiency"). Gegründet hat das internationale Konsortium an der University of Illinois in Urbana-Champaign die Bill-und-Melinda-Gates-Stiftung.
Erträge lassen sich nicht beliebig steigern – bislang
Die moderne Landwirtschaft hat die Erträge durch Dünger, Pestizide und traditionelle Züchtung zwar schon enorm steigern können. Aber weitere Fortschritte werden immer schwieriger. Darum konzentriert sich die RIPE-Gruppe nun auf die Ineffizienzen im Pflanzenstoffwechsel. Denn Pflanzen verwandeln weniger als fünf Prozent der Sonnenenergie in Biomasse.
Noch kleiner ist der Anteil, der in die essbaren Teile einer Pflanze wandert: Samen, Knollen, Bohnen. Vor den Forschern liegt allerdings eine große Aufgabe. Die Photosynthese ist eine Abfolge aus 160 biochemischen Schritten. Sie sind zwar gut untersucht, aber eine ganz andere Dimension ist es, ihr Zusammenspiel zu verbessern. Die RIPE-Forscher um Long fangen mit Tabakpflanzen an. Sie sind relativ einfach gentechnisch zu verändern.
20 Prozent mehr Ernte mit drei veränderten Genen
Tatsächlich konnten sie im vergangenen Jahr erstmals zeigen, dass sich Erträge auf diese Weise um 20 Prozent steigern lassen. Dies gelang durch eine erhöhte Expression von drei Genen, die an der Verarbeitung von Licht beteiligt sind. Jetzt versucht das RIPE-Team, den Trick auf kompliziertere Nahrungspflanzen zu übertragen. Denn das eigentliche Ziel sind Maniok, Reis oder Augenbohnen, die in vielen armen Ländern eine wichtige Quelle von Kalorien und Proteinen sind. Amanda De Souza arbeitet an Maniok. Dessen Photosynthese gentechnisch zu optimieren ist ein heikler und langwieriger Prozess.
Die Brasilianerin zeigt eine Petrischale mit Maniok-Keimlingen: hellgelbe, etwa einen Millimeter große Büschel, gezüchtet aus den Knospen erwachsener Pflanzen. Dieser Zellverband, "Hornhaut " genannt, kann mit Bakterien infiziert werden, welche die für die Lichtverarbeitung zuständigen Gene tragen. Einige wenige Zellen übernehmen diese Gene. Sie werden dann einem Botenstoff-Cocktail ausgesetzt, der ihnen Stamm und Wurzeln wachsen lässt.
Versuchsfelder in der Nähe von Chicago
Bei Maniok dauert dies acht bis zehn Monate – wenn alles glatt läuft. Andere wichtige Nahrungspflanzen wie Reis und Augenbohnen sind etwas schneller. De Souza öffnet einen schrankähnlichen Raum, der von künstlichem Sonnenlicht durchflutet wird. Auf Regalen wachsen junge Maniok-Pflanzen in Plastiktöpfen. Ihre Wurzeln sind von einem Nahrungsgel umgeben, das von Hand entfernt wird, bevor die Gewächse eingepflanzt werden.
Die Versuchsfelder sind zehn Autominuten vom Labor entfernt. In diesem Teil des Landes pflanzen die Bauern ĂĽberwiegend Soja und Mais an. David Drag, Leiter der Feldversuche, hat die schwere Aufgabe, auch Maniok oder Reis auf diesem Boden gedeihen zu lassen.
Denn das Klima rund um Champaign, etwa 250 Kilometer südlich von Chicago, ist gerade optimal dafür. 2015 etwa, erinnert sich Drag zerknirscht, ist ein RIPE-Feld nach heftigen Regengüssen abgesoffen, obwohl das Team es noch durch Gräben und Dämme zu retten versucht hat.
Die Arbeit eines ganzen Jahres war verloren – eine zur Bescheidenheit ermahnende Erinnerung daran, dass auch die fortschrittlichste Agrarwissenschaft immer noch auf die Gnade der Natur angewiesen ist.
(bsc)
