Modelle zum Blattstoffwechsel für einen effizienteren Wasserverbrauch bei Anbaupflanzen
Eine Möglichkeit, die Landwirtschaft weltweit für die Herausforderungen des 21. Jahrhunderts zu rüsten, bietet hier die Methode des Metabolic Engineering, bei der es um Eingriffe in den Stoffwechsel von Nahrungspflanzen geht. Die Modellierung des Blattstoffwechsels bildet für diesen Ansatz die Grundlage. Blätter sind der Dreh- und Angelpunkt für die Photosynthese, also der Ort, an dem Kohlenstoffdioxid aus der Umgebung für die Synthese und Instandhaltung von Zellbestandteilen assimiliert (oder „fixiert“) wird. Pflanzen haben verschiedene Mechanismen zur Kohlenstoffdioxid-Fixierung entwickelt: die Photosynthese des Typs C3 und C4 sowie den Crassulaceen-Säurestoffwechsel (Crassulacean Acid Metabolism, CAM). Die C3-Photosynthese ist die am weitesten verbreitete Variante, jedoch erweisen sich die beiden anderen Formen bei höheren Temperaturen und Trockenheit als wirksamer. Gängigen großskaligen Stoffwechselmodellen mangelt es an einer mathematischen Beschreibung der Prozesse, die an der Schnittstelle zwischen Umgebung und Blatt stattfinden. Genau hier setzte das Projekt Re-Leaf an, das mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen durchgeführt wurde. Es nahm sich zum Ziel, die bestehende Wissenslücke zu schließen, und konzipierte dazu einen rechnergestützten Ansatz, bei dem Stoffwechselmodelle im Genommaßstab mit der Umgebung verknüpft werden, und zwar durch eine explizite Modellierung des Gas-Wasser-Austauschs. Re-Leaf verwendete ein bereits veröffentlichtes, großskaliges stöchiometrisches Modell zur Simulation des Blattstoffwechsels bei Tag und Nacht und erweiterte es auf die Darstellung des Stoffwechsels in 24 über den Tag verteilten Zeitintervallen.
Antworten auf grundlegende Fragen
Dieses zeitaufgelöste Modell wurde über den gemeinsamen Parameter des CO2-Flusses mit einem biophysikalischen Gasaustauschmodell kombiniert. „So konnten wir den Wasserverlust durch die Spaltöffnungen in Abhängigkeit vom CO2-Bedarf des Stoffwechselsystems, der Temperatur und der relativen Luftfeuchtigkeit modellieren“, erläutert Nadine Töpfer, Forschungsstipendiatin im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen. Ein Forschungsteam konstruierte und analysierte Flussbilanz-Modelle großskaliger (bis zum Genommaßstab reichender) Stoffwechselnetzwerke von Pflanzen. „Insbesondere möchten wir mithilfe dieses Ansatzes vorhersagen, inwieweit das Stoffwechselnetzwerk von Blättern modifiziert werden muss, um wirksamere photosynthetische Verfahren wie die C4-Photosynthese und den Crassulaceen-Säurestoffwechsel zu ermöglichen“, erklärt Lee Sweetlove von der Universität Oxford. „Wir beginnen jetzt auch damit, diese Stoffwechselmodelle in Modellierungsrahmen für ganze Pflanzen zu integrieren.“ Diese mehrschichtigen Modelle versetzten das Forschungsteam in die Lage, grundlegende Fragen zur Funktionsweise der C4-Photosynthese sowie des Crassulaceen-Säurestoffwechsels zu beantworten. Erstens konnten bei den CO2-Wasseraustauschmodellen die sich während des 24-Stunden-Zyklus verändernden Umgebungsbedingungen, wie etwa Temperatur- und Luftfeuchtigkeitszyklen, mit dem Verhalten der Stoffwechselmodelle verknüpft werden. Zweitens wurden anhand der erweiterten 24-Stunden-Modelle Strategien des Metabolic Engineering zur Steigerung der Produktivität bei hohen Temperaturen untersucht. Dadurch erlangte man letztlich ein besseres Verständnis des Kompromisses zwischen Produktivität und effizientem Wasserverbrauch bei C3- und CAM-Pflanzen. Mithilfe der Modelle konnte das Forschungsteam darüber hinaus testen, welche Änderungen erforderlich sind, um eine wassersparende CAM- oder CAM-ähnliche Photosynthese in einem C3-Stoffwechselnetzwerk herbeizuführen.
Eine interessante Entdeckung
Bei der Simulation der Bilanz zwischen Produktivität und Wasserersparnis in ihrem Modell entdeckten die Forschenden Stoffwechselrouten, die im Kontext des Crassulaceen-Säurestoffwechsels bislang noch nicht beschrieben worden waren. Töpfer dazu: „Für uns war es spannend zu sehen, dass unser Modell alternative Stoffwechsel-Flusswege vorhersagte, an denen vom bekannten CAM-Zyklus abweichende Enzyme und Metaboliten beteiligt waren.“ Die identifizierten Enzyme sind bereits in C3-Pflanzen vorhanden. Damit bietet sich ein interessanter Angriffspunkt für Metabolic Engineering, um eine Verbesserung des Flusses durch bereits bestehende Routen zu erreichen und Anbaupflanzen mit effizienterem Wasserverbrauch zu erzeugen. „Unser neuer Modellierungsansatz ist auch auf modellhafte zeitaufgelöste und diffusionsbegrenzte Prozesse in großskaligen Stoffwechselmodellen in anderen Zusammenhängen anwendbar“, so Töpfer abschließend.
Schlüsselbegriffe
Re-Leaf, CAM, Photosynthese, C3, effizienter Wasserverbrauch, Metabolic Engineering, Pathwaydesign, Blattstoffwechsel, C4, Crassulaceen-Säurestoffwechsel
