Forscher der University of Illinois hat die Kartoffel so verändert, dass sie widerstandsfähiger gegen die globale Erwärmung ist. Die Knollenmasse nimmt unter Hitzewellenbedingungen um 30 % zu. Diese Anpassung könnte die Ernährungssicherheit von Familien, die von Kartoffeln abhängig sind, verbessern, da es sich häufig um dieselben Gebiete handelt, in denen der Klimawandel bereits mehrere Erntesaisons beeinflusst hat, so die Universität.
„Wir müssen Pflanzen anbauen, die häufigeren und intensiveren Hitzewellen standhalten, wenn wir den Nahrungsmittelbedarf der Bevölkerung in den Regionen decken wollen, die am stärksten von Ertragseinbußen aufgrund der globalen Erwärmung bedroht sind“, sagte Katherine Meacham-Hensold, wissenschaftliche Projektleiterin für Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) in Illinois. „Die in unseren Feldversuchen beobachtete Zunahme der Knollenmasse um 30 % zeigt, wie vielversprechend die Verbesserung der Photosynthese ist, um klimaverträgliche Nutzpflanzen zu ermöglichen.“
Meacham-Hensold leitete diese Arbeit für RIPE, ein internationales Forschungsprojekt, das darauf abzielt, den Zugang zu Nahrungsmitteln weltweit zu verbessern, indem Nahrungsmittelpflanzen entwickelt werden, die die Energie der Sonne effizienter in Nahrung umwandeln.
Photorespiration ist ein photosynthetischer Prozess, der den Ertrag von Sojabohnen, Reis und Gemüsepflanzen nachweislich um bis zu 40 % verringert. Photorespiration tritt auf, wenn Rubisco mit einem Sauerstoffmolekül statt mit CO2 reagiert, was unter idealen Bedingungen in etwa 25 % der Fälle geschieht, bei hohen Temperaturen jedoch häufiger. Die Pflanzen müssen dann sehr viel Energie aufwenden, um das giftige Nebenprodukt der Photorespiration (Glykolat) zu verstoffwechseln. Energie, die für ein größeres Wachstum hätte verwendet werden können.
„Die Photorespiration ist ein großer Energieaufwand für die Pflanze“, so Meacham-Hensold. „Sie geht zu Lasten der Nahrungsproduktion, da Energie für die Verstoffwechselung des Toxins abgezweigt wird. Unser Ziel war es, die Menge an verschwendeter Energie zu reduzieren, indem wir den ursprünglichen Photorespirationsweg der Pflanze umgehen.“
Frühere Mitglieder des RIPE-Teams hatten gezeigt, dass sie durch Hinzufügen von zwei neuen Genen, Glykolatdehydrogenase und Malatsynthase, zu den Stoffwechselwegen von Modellpflanzen die photosynthetische Effizienz verbessern konnten. Die neue Genetik würde das Toxin (Glykolat) im Chloroplasten, dem für die Photosynthese verantwortlichen Blattkompartiment, verstoffwechseln, anstatt es durch andere Regionen der Zelle zu transportieren.
Diese Energieeinsparungen führten zu Wachstumssteigerungen bei der Modellpflanze, von denen sich das Team erhoffte, dass sie sich in einer größeren Masse ihrer Nahrungspflanzen niederschlagen würden. Sie konnten nicht nur einen Unterschied feststellen, sondern der Nutzen, der kürzlich in Global Change Biology veröffentlicht wurde, verdreifachte sich unter den Bedingungen von Hitzewellen, die immer häufiger vorkommen.
Drei Wochen nach Beginn der Feldsaison 2022, als sich die Kartoffeln noch in der frühen vegetativen Wachstumsphase befanden, hielt eine Hitzewelle die Temperaturen vier Tage lang über 35 °C und überschritt zweimal die 38 °C. Anstatt in der Hitze zu verkümmern, wuchsen bei den modifizierten Kartoffeln 30 % mehr Knollen als bei den Kartoffeln der Kontrollgruppe, wobei sie ihre erhöhte Thermotoleranz und photosynthetische Effizienz voll ausnutzten.
„Ein weiteres wichtiges Merkmal dieser Studie war der Nachweis, dass unsere gentechnische Veränderung der Photosynthese, die zu diesen Ertragssteigerungen führte, keine Auswirkungen auf die Ernährungsqualität der Kartoffel hatte“, so Don Ort, Robert Emerson Professor für Pflanzenbiologie und Nutzpflanzenwissenschaften und stellvertretender Direktor des RIPE-Projekts. „Bei der Ernährungssicherheit geht es nicht nur um die Menge an Kalorien, die produziert werden kann, sondern auch um die Qualität der Lebensmittel.
Um die Ergebnisse des Teams in unterschiedlichen Umgebungen zu bestätigen, seien Feldversuche an mehreren Standorten erforderlich. Ermutigende Ergebnisse bei Kartoffeln könnten jedoch bedeuten, dass ähnliche Ergebnisse auch bei anderen Wurzelknollenpflanzen wie Maniok erzielt werden könnten, einem Grundnahrungsmittel in afrikanischen Ländern südlich der Sahara, die voraussichtlich stark von den steigenden globalen Temperaturen betroffen sein werden.
