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Molekulares Tuning: Evolution im Zeitraffer

19.04.2021

Biologen um Dario Leister wollen der Photosynthese nachhelfen und pflanzliche Erträge steigern. Dafür beschleunigen sie genetisch die Anpassung der Pflanzen an veränderte Umweltbedingungen.

Lichtdusche für Blaualgen. Foto: LMU | © LMU

Es ist dieses intensive grüne Leuchten, das einen in den Laboren von Dario Leister erwartet. Auf dem Boden stehen Rüttler, die blassgrüne Flüssigkeiten in bauchigen Glaskolben schwenken, darüber liegen in beleuchteten Regalen Dutzende Petrischalen mit dunkelgrünen Mustern. Manche bilden gleichsam quadratische Figuren, manche runde, andere erinnern an kleine Tannenbäume, so wie Kinder sie zeichnen. In einem Gerät am Ende des länglichen Laborraums in Martinsried flutet das Licht in regelmäßigen Abständen ebenfalls grüne Flüssigkeiten in großen Kolben. Das schafft Farbeffekte wie eine ganze Batterie dicker Buntstifte in allen Grüntönen. „Hier wachsen Blaualgen“, sagt Leister.

Dario Leister, Inhaber des Lehrstuhls für Molekularbiologie der Pflanzen, testet in seinen Laboren in Martinsried, wie Blaualgen und andere Modellsysteme auf unterschiedliche Licht- und Temperaturbedingungen reagieren. Dahinter steckt ein größerer, ambitionierter Plan. Weltweit versuchen Biologen, den molekularen Apparat, der Pflanzen diese Photosynthese ermöglicht, effizienter zu machen. Die Herausforderung ist gewaltig, doch die Notwendigkeit ist ebenso groß. Die menschliche Bevölkerung wächst, im Jahr 2050 könnten bereits 9,7 Milliarden Menschen die Erde bevölkern. Um sie zu ernähren, muss die landwirtschaftliche Produktivität gesteigert werden. Um mehr als 50 Prozent, sagt Dario Leister. Doch mit dem Klimawandel geht immer mehr Ackerland verloren. Die Böden sind vielerorts aufgrund intensiver Nutzung erschöpft, gleichzeitig steigt der Bedarf an Biokraftstoffen und an Nahrungsmitteln tierischen Ursprungs, was die Situation zusätzlich verschärft.

Leisters Team will daher Pflanzen dazu bringen, sich besser und schneller an den Klimawandel anzupassen. Dabei ist die Photosynthese ein zentraler Prozess, der nicht nur effizienter gemacht werden soll, sondern auch robuster gegenüber Umweltveränderungen. Bei der Photosynthese spalten Algen und Pflanzen mithilfe des Sonnenlichts Wasser und binden Kohlendioxid; sie produzieren so energiereiche Kohlenstoffverbindungen und nebenbei auch Sauerstoff. Die Photosynthese ist die Grundlage des Lebens auf der Erde, sie liefert Energie, die Biosysteme und Organismen brauchen. Pflanzen und Algen nehmen dafür Sonnenlicht sozusagen über molekulare Solaranlagen auf, die sogenannten Photosysteme. Sie besitzen zwei Varianten dieser Energiewandler. „Die sind so etwas wie der Motor der Pflanzen“, sagt Leister.

Der Molekularbiologe nutzt gerne den Vergleich mit dem Auto. „Photosynthese ist ein extrem komplexer Prozess, es nützt nichts, nur die Motorleistung zu erhöhen, es geht um das richtige Zusammenspiel aller Komponenten“, erklärt Leister. Auch wenn einige Elemente der photosynthetischen Lichtreaktionen möglicherweise ideal erscheinen, sei die Gesamteffizienz der Umwandlung von Licht in Biomasse im Laufe der Evolution nicht optimiert worden. „Wozu auch?“ fragt Leister. „Evolution bedeutet überleben, also fitte Nachkommen zu erzeugen, und das ist nicht gleichbedeutend damit, viel Biomasse zu produzieren.“ Genau hier setzt seine Forschung an.

Leister verfolgt dabei zwei Ansätze: Bei der sogenannten synthetischen Biologie bauen Forscher die grundsätzlichen Prozesse der Photosynthese nach und versuchen dabei, den Prozess in seinem Wirkungsgrad zu verbessern. Bei diesem Ansatz muss man gleichzeitig den Organismus robuster machen, damit er auch eine verbesserte Photosynthese „vertragen“ kann. Oder um beim Bild mit dem Auto zu bleiben: „Ein Motor mit mehr PS braucht dann auch ein entsprechend stabiles Chassis.“ Dazu nutzen die Forscher die Evolution im Labor, indem sie Organismen sich an hohe Lichtintensitäten anpassen lassen. Leister nutzt für die Kombination aus synthetischer Biologie und Laborevolution unterschiedliche Modellsysteme, vor allem aber Blaualgen, die zu den Bakterien gehören und aus denen die Chloroplasten von Grünalgen und Pflanzen hervorgegangen sind. Um die gewonnenen Erkenntnisse dann für Kulturpflanzen nutzbar zu machen, verwenden die Forscher Pflanzen wie die Ackerschmalwand, die Molekularbiologen gern mal ihr „Arbeitspferd“ nennen, und neuerdings auch Leindotter als einfachen Vertreter der wichtigen Kulturpflanzen.

Ein ganzheitlicher Ansatz

Prof. Dr. Dario Leister steht vor einigen Pfalnzen in einem Gewächshaus.

Prof. Dario Leister im Gewächshaus in Martinsried. | © LMU

Leister bremst dabei allzu hohe Erwartungen. „Die Vorgänge in Pflanzen sind kompliziert und einfache Lösungen gibt es nicht“, mahnt er. Als Beispiel nennt er in diesem Zusammenhang eine viel beachtete Arbeit amerikanischer Kollegen, die eine vermeintlich einfache Lösung präsentierten, um den Wirkungsgrad der Photosynthese zu verbessern. Die Forscher hatten in einem renommierten Fachmagazin über genetische Modifikationen an Tabakpflanzen, die diese robuster gegenüber natürlichen Schwankungen in der empfangenen Menge an Sonnenlicht machen sollten, berichtet. Die US-Wissenschaftler hatten dabei drei Proteine in Tabakpflanzen, die bei der Lichtanpassung eine Rolle spielen, gezielt überexprimiert, sodass die Pflanzen mehr davon produzierten. In der Folge wuchsen diese sogenannten VPZ-Linien unter Feldbedingungen schneller, was dann als universelle Lösung reklamiert wurde, um den Ertrag von Kulturpflanzen zu verbessern.

„Uns kam das zu einfach gestrickt vor“, erinnert sich Leister. „Wenn besseres Wachstum mit mehr Nachkommen einhergeht, hätte das die Evolution auch schon von alleine hervorgebracht.“ Er beschloss, den Versuch im Modellsystem Ackerschmalwand selbst nachzuvollziehen. Die jüngst im Magazin Nature Plants veröffentlichten Ergebnisse zeigten, dass es einfache und universell gültige Lösungen, um Pflanzen wie Tabak oder eben die Ackerschmalwand robuster gegenüber Stressbedingungen zu machen, tatsächlich nicht gibt. Zwar erhöhten die drei Schlüsselproteine wie beim Tabak-Experiment aus den USA die Flexibilität der Photosynthese, die Pflanzen konnten sich also auch rascher an sich schnell verändernde Lichtverhältnisse anpassen, aber sie wuchsen nicht schneller – im Gegenteil. „Die einfachste Erklärung für das unterschiedliche Verhalten der genmodifizierten Tabak- und Ackerschmalwand-Pflanzen ist, dass Letztere mit dem höheren Wirkungsgrad der Photosynthese nicht zurechtkommen und bei der Ackerschmalwand daher auch andere Komponenten verändert werden müssen, damit am Ende ein Mehrwert herauskommt“, sagt Leister. „Die harte Konkurrenz um Forschungs- und Stiftungsgelder verleitet dazu, scheinbare Sensationen vorschnell zu veröffentlichen, bevor alle notwendigen Kontrollen gemacht worden sind; in diesem Falle den Ansatz direkt in Kulturpflanzen zu testen“, betont er. „Wir sollten als Forscher aber keine falschen Erwartungen schüren, sondern vermitteln, dass komplexe Probleme leider meistens auch komplexe Lösungen erfordern.“

Leister sieht seine Arbeit als Hinweis darauf, wie komplex der Anpassungsprozess von Pflanzen an sich ändernde Klimabedingungen ist. Es reiche eben nicht, nur an einer einzigen Stellschraube zu drehen, um Pflanzen fit zu machen gegen zunehmende Trockenheit oder schwankende Lichtintensitäten. Solche Versuche lieferten unvorhersehbare Ergebnisse, sagt Leister. In seiner Forschungsgruppe arbeitet der LMU-Biologe daher systembiologisch, gewissermaßen „ganzheitlich“, wie er es nennt. „Wir müssen lernen, diese komplexen Netzwerke zu verstehen.“

Schritt für Schritt lernen die Forscher mehr über die Schlüsselkomponenten und entwickeln Modelle, um die zentralen Bausteine für die Anpassung zu identifizieren. So haben sie beispielsweise unlängst herausgefunden, dass die Leistungsfähigkeit eines kleinen Proteins, das Elektronen zwischen den beiden Photosystemen einer Pflanze transportiert, entscheidend von der konkreten Architektur der Systeme abhängt. Doch wie sie am besten auszusehen hat, versuchen die Forscher nun herauszubekommen, indem sie wie in einem Baukasten einzelne Komponenten variieren. Aus solchen Experimenten tatsächlich ein größeres Bild abzuleiten, funktioniert allerdings nur im Verbund mit anderen Forschergruppen. So sind Leisters Arbeiten etwa auch in den von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Sonderforschungsbereich TRR 175 eingebettet, dessen Sprecher er ist.

Ein erster wichtiger Schritt beim systembiologischen Ansatz der Forscher ist, systematisch auf der Ebene aller in einer Pflanze identifizierbaren Moleküle und ihrer Konzentrationen zu erfassen, wie Pflanzen reagieren, wenn sich Licht und Temperatur ändern oder sie plötzlich mit weniger Wasser auskommen müssen. Dazu laufen in Leisters Laboren Versuche mit der Ackerschmalwand. Die Forscher simulieren gezielt Veränderungen, schnelle oder langsame, mal variieren sie die Lichteinstrahlung, mal die Wasserversorgung, mal die Temperatur.

Danach analysieren sie auf molekularer Ebene, welche Proteine und Metaboliten sich in ihren Konzentrationen unter bestimmten Änderungen verändert haben oder ihre Position in der Zelle geändert haben. So kann man dann Faktoren bestimmen, die die Pflanze robuster machen könnten gegenüber hoher Lichteinstrahlung, Kälte oder Hitze. „Bei diesen Datenmengen spielt die Bioinformatik eine wichtige Rolle und Ansätze der künstlichen Intelligenz werden systembiologische Arbeiten enorm voranbringen“, führt Leister aus.


Anpassung auf Genebene

Anpassung an intensives Licht:

Blaualgen in bauchigen Glaskolben. | © LMU

Leister sieht aber auch eine grundsätzliche Einschränkung beim systembiologischen Ansatz. „Wenn wir also Proteine oder Metaboliten finden, die sich unter Stress anreichern oder weniger werden, und dann Pflanzen verbessern wollen, indem wir einfach mehr oder weniger davon produzieren, laufen wir Gefahr, in die gleiche Situation zu geraten wie die Tabakforscher aus den USA“, erklärt er. „Zudem ignorierten wir dabei einen wesentlichen Aspekt der Evolution und der Pflanzenzüchtung, nämlich dass nicht nur die Quantität eines Biomoleküls entscheidend sein kann, sondern auch seine Qualität, bei Proteinen also die Veränderung der Aminosäuresequenz.“

In München arbeitet Leister daher auch an einer Anpassung auf Genebene. Er nutzt dazu vor allem Blaualgen und Grünalgen, weil man mit diesen Organismen sowohl systembiologisch Anpassungsvorgänge untersuchen kann, die auf Stoffwechselebene in wenigen Stunden und Tagen stattfinden, als auch Genveränderungen innerhalb von Wochen und Monaten erzeugen kann, die diese Organismen dann dauerhaft an veränderte Umweltbedingungen wie hohe Lichtmengen, Kälte oder Hitze anpassen. Blaualgen und Grünalgen sind deshalb so attraktiv, weil sie sich wegen ihrer kurzen Generationszeit sehr schnell anpassen können. „Wir lassen die Natur die Arbeit machen. Das ist Evolution im Zeitraffer.“

Der Molekularbiologe deutet auf die bauchigen Glaskolben in den Rüttlern und die Batterien von Petrischalen im Kellerlabor. „Wir konnten innerhalb weniger Monate Blaualgen herstellen, die das Vielfache der Lichtmenge vertrugen, die für sie normalerweise tödlich ist“, erklärt Leister. Es ist heutzutage ein Kinderspiel, die zugrundeliegenden Genveränderungen zu finden. Wenn zudem die gleichen Gene in Pflanzen vorhanden sind, ist es möglich, die veränderten Gene in Pflanzen wie Ackerschmalwand oder Leindotter zu übertragen, um dort die Robustheit gegenüber Lichtstress zu verbessern.

Dass die LMU-Forscher die Ergebnisse ihrer Laborevolution mit Algen nun im Leindotter testen wollen, ist nur folgerichtig. Denn schließlich ist ja noch zu untersuchen, was eine Steigerung der Photosynthese im Einzelfall bei den für die Ernährung wichtigen Gewächsen bedeutet. Eine bessere Photosynthese sorgt im Prinzip für mehr Energie und mehr Stoffwechselprodukte. Doch solcher Zuwachs an Biomasse muss eben nicht unbedingt gleichbedeutend mit einer Ertragssteigerung sein, wenn beispielsweise wie beim Leindotter hauptsächlich die Samen verwertet werden. In was also steckt die Pflanze den Energiegewinn aus der effizienteren Photosynthese? „Auch beim Leindotter als Modell für eine typische Kulturpflanze zählt am Ende das Gesamtsystem“, sagt Leister. Gewissheit bekommen die Forscher letztendlich erst bei ihren Versuchen im Gewächshaus.

„Zu Kulturpflanzen mit verbessertem Ertrag durch wirkungsvollere Photosynthese oder mehr Robustheit gegenüber Umweltveränderungen ist es allerdings noch ein weiter Weg“, sagt Leister. „Erst wenn wir die Anpassung der Pflanzen an veränderte Umweltbedingungen systematisch angehen, besteht die realistische Aussicht, dass wir nachhaltige Lösungen anbieten können“, so Leister. Eine wichtige Ergänzung ist dabei die Evolution im Zeitraffer, die sich aber nur bei Blau- und Grünalgen gut untersuchen lässt. „Natürlich sind Algen, insbesondere Blaualgen, nicht mit Kulturpflanzen gleichzusetzen, aber sie sind doch so eng verwandt, dass grundlegende Stoffwechselprozesse sehr ähnlich sind.“ Das Potenzial, dass Genveränderungen, die Algen robuster gegenüber bestimmten Umweltveränderungen machen, auch einen ähnlichen Effekt in Kulturpflanzen haben könnten, liegt klar auf der Hand. Wie werden die so manipulierten Pflanzen auf Hitze, Wassermangel oder stark wechselndes Licht reagieren? Das wollen die LMU-Forscher in Experimenten herausbekommen und dabei sowohl Grünalgen verwenden, die enger als Blaualgen mit Pflanzen verwandt sind, als auch Kombinationen von Umweltstressoren nutzen, wie sie in der Natur am häufigsten vorkommen.

Algen mit ihrer kurzen Generationszeit und guten genetischen Manipulierbarkeit sind also Studienobjekte, die universell in system- und evolutionsbiologischen Untersuchungen einsetzbar sind und so eine Brücke zur synthetischen Biologie schlagen. Ideal sei es, wenn sich beide Bereiche ergänzten. „Wenn wir die wichtigsten Komponenten und ihr Verhalten kennen, können wir auch anfangen, künstliche Systeme zu bauen“, sagt Leister. Hier stehe die Forschung noch am Anfang. Im vergangenen Jahr bekam Leister für das Projekt „PhotoRedesign: Redesigning the Photosynthetic Light Reactions“ einen hochdotierten Synergy Grant des Europäischen Forschungsrats.

Gemeinsam mit Spezialisten aus Großbritannien und Tschechien will er Konzepte entwickeln, wie sich das Sonnenlicht photochemisch noch besser nutzen lässt. „Den Photosynthese-Apparat kennen wir bis ins Detail, jedes Gen, jedes Protein, die genaue Struktur“, sagt Leister und schließt in der Sprache der Autoschrauber an: „Wir könnten nun drei unterschiedliche Motoren auseinanderbauen und versuchen, damit einen neuen, besseren zu bauen, indem wir die Bauteile neu kombinieren.“ Ganz verrückte Kombinationen seien hier denkbar, Wege, die die Natur nie gegangen ist oder im Lauf der Evolution nicht weiterverfolgt hat. Diese Systeme will Leister zunächst in Blaualgen einbauen und schauen, was passiert. „Wenn wir die Photosynthese bei Blaualgen frisieren können, dann werden wir das auch auf Pflanzen übertragen, um deren Ertrag zu verbessern.“

Text: Hubert Filser

Prof. Dr. Dario Leister ist Inhaber des Lehrstuhls für Molekularbiologie der Pflanzen an der LMU. Leister, Jahrgang 1967, studierte Biochemie an der Universität Tübingen und wurde am Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung in Köln promoviert. Er war Postdoc am John Innes Center, The Sainsbury Laboratory, Norwich, Großbritannien und am MPI für Züchtungsforschung, wo er eine unabhängige Nachwuchsgruppe leitete. Er habilitierte sich im Fach Genetik an der Universität Tübingen, 2005 wurde er nach München berufen. Leister ist Sprecher des Transregio-Sonderforschungsbereiches „Der Chloroplast als zentraler Knotenpunkt der Akklimation bei Pflanzen“ (TRR 175). Im vergangenen Jahr zeichnete der Europäische Forschungsrat (ERC) ihn mit einem länderübergreifenden Synergy Grant aus.

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