Können Algen die Geheimnisse der Photosynthese lüften?

Palo Alto, Kalifornien— Ein Team unter der Leitung von derzeitigen und ehemaligen Carnegie-Pflanzenbiologen hat die bisher größte funktionelle Genomstudie eines photosynthetischen Organismus durchgeführt. Ihre Arbeit, veröffentlicht in Natürliche Genetikkönnten Strategien zur Verbesserung der landwirtschaftlichen Erträge und zur Eindämmung des Klimawandels informieren.

Photosynthese ist der biochemische Prozess, durch den Pflanzen, Algen und bestimmte Bakterien Sonnenenergie in chemische Energie in Form von Kohlenhydraten umwandeln können.

“Es ist die Grundlage, auf der das Leben, wie wir es kennen, existieren kann”, sagte Arthur Grossman von Carnegie, Co-Autor der Abhandlung. „Es macht unsere Atmosphäre sauerstoffreich und bindet gleichzeitig einen Prozentsatz der für den Klimawandel verantwortlichen Treibhausgase, hauptsächlich CO₂die durch menschliche Aktivitäten in die Atmosphäre geschleudert werden, und es ist die Hauptstütze unserer Nahrungsversorgung.

Doch trotz ihrer fundamentalen Bedeutung bleiben viele Gene, die mit der Photosynthese in Verbindung stehen, uncharakterisiert. Glücklicherweise stellen Algen ein zugängliches Vehikel dar, um die diesem lebenswichtigen Prozess zugrunde liegenden genetischen Informationen aufzuklären.

Ein Katalog von Mutanten der einzelligen photosynthetischen Grünalge Chlamydomonas reinhardtii das von Martin Jonikas von der Princeton University während seiner Zeit als Staff Associate an der Carnegie initiiert wurde, ermöglichte es einem Team von Pflanzenwissenschaftlern, die Funktionen von Tausenden von Genen in photosynthetischen Organismen zu verstehen.

Chlamydomonas repräsentiert eine Gruppe photosynthetischer Algen, die weltweit in Süß- und Salzwasser, feuchten Böden und sogar auf der Schneeoberfläche vorkommen. Sie wachsen leicht im Labor, selbst im Dunkeln, wenn sie die richtigen Nährstoffe erhalten. Das macht Chlamydomonas ein hervorragendes Forschungswerkzeug für Pflanzenbiologen, insbesondere diejenigen, die sich für die Genetik des photosynthetischen Apparats sowie für viele andere Aspekte der Pflanzenbiochemie, wie Reaktionen auf Licht und Stress, interessieren .

„Wir begannen mit einer Sammlung von 58.000 Chlamydomonas Mutanten und setzten sie einer Vielzahl von chemischen Bedingungen und Stressoren aus“, erklärte Jonikas. „Durch die Quantifizierung des Wachstums einer einzelnen Mutante konnten wir sehen, welche Gene in jeder Umgebung zum Erfolg beitragen, und damit beginnen, viele dieser Gene mit adaptiven Merkmalen zu verknüpfen.“

Diese Studie repräsentierte 78 % der Chlamydomonas Gene – fast 14.000 -, die einen Rahmen für die Priorisierung von Genen bieten, die gute Kandidaten für die weitere Forschung sind, und es Wissenschaftlern ermöglichen, Hypothesen über die möglichen Funktionen von kaum verstandenen Genen in photosynthetischen Organismen aufzustellen.

„Wir gehen davon aus, dass unsere Arbeit die funktionelle Charakterisierung von Genen durch den Baum des Lebens leiten wird“, sagte Grossman.

“Wir sind sehr gespannt, wie die von Carnegie-Wissenschaftlern generierten Ressourcen die Forschungsgemeinschaft stärken und das Gebiet in einem so großen Maßstab voranbringen”, fügte Zhiyong Wang, amtierender Direktor der Abteilung für Pflanzenbiologie von Carnegie, hinzu.

Das Wissen aus dieser Forschung könnte Strategien zur Verbesserung der Erträge wichtiger Nahrungspflanzen und Biokraftstoffe in einer sich erwärmenden Welt sowie Programme zur Abscheidung und Speicherung der Kohlenstoffverschmutzung aus der Atmosphäre beeinflussen.

Zu den Co-Autoren des Papiers gehörten Friedrich Fauser, Josep Vilarrasa-Blasi, José Dinneny, Rick Kim und Robert Jinkerson von Carnegie sowie Mitarbeiter der Stanford University, der University of California Riverside, der Duke University, der University of California San Francisco, UCLA , UC Berkeley und Lawrence Berkeley National Laboratory.

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Dieses Projekt wurde von den US National Institutes of Health, der US National Science Foundation, der Simons Foundation, dem Howard Hughes Medical Institute, einem Forschungsstipendium des Deutschen Akademischen Austauschdienstes, der Life Sciences Research Foundation und einem Schweizer National Science Foundation Advanced unterstützt Postdoc. Mobilitätsstipendium.

Die Arbeit im Labor von Merchant wird durch eine Kooperationsvereinbarung mit dem Office of Science, Office of Biological and Environmental Research Program des US-Energieministeriums unterstützt.