Germany
December 19, 2019
Researchers from the Potsdam Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology, as part of the international C4 Rice Project, have just been re-funded by a grant to the University of Oxford from the Bill & Melinda Gates Foundation worth $15 million.
Phase IV of the international C4 Rice Project has received the green light for the next 5 years. During this time an international team of scientists* want to develop a rice variety that will deliver up to 50% more yield and withstand harsher environmental conditions. At present, more than 3 billion people in Asia and Africa rely on rice to survive. With current rice yields, 1 hectare of land is sufficient to feed 27 people. Due to the predicted population growth and the trend towards urbanization, this area will have to feed around 43 people by 2050. This means that the yield per hectare must be increased by at least 50%. One way to increase rice yields is to make photosynthesis more effective.
Improvement of the photosynthesis by process optimizing
Rice uses the so-called C3 photosynthetic pathway, which fixes CO2 into an initial product with three C atoms. The enzyme Rubisco (ribulose-1,5-bisphosphate-carboxylase / -oxygenase), which is responsible for CO2 fixation, can bind oxygen instead of CO2 in a side reaction. The high concentration of oxygen in our atmosphere, which has evolved over 2 billion years, impairs the efficiency of the photosynthesis, especially at higher temperatures when the plant closes its stomata to save water so less CO2 gets inside the leaf. For this reason, C3 photosynthesis is less effective as temperatures increase and water becomes more limiting. The plant then produces less sugar for growth and its yields are lower. In C3 plants, the synthesis of sugar and the binding of CO2 take place in one and the same cell type – the mesophyll cells. In contrast, these processes are spatially separated from each other in C4 plants. These “turbo-charged” plants use a "biochemical" pump to actively concentrate CO2 in specialized bundle sheath cells. CO2 is first incorporated in the mesophyll cells into an intermediate with four carbon atoms. This C4 compound migrates into the bundle sheath cells where the Rubisco sits. Here, CO2 is released from the C4 compound. A high concentration of CO2 is created around the Rubisco and so the side reaction with oxygen is suppressed. Thus, photosynthesis can still operate even at higher temperatures and when the stomata are partially closed to conserve water. Several of the globally most important and productive crop species are C4 plants, including maize, sugar cane, millet and sorghum.
The C4 photosynthetic pathway has evolved over 60 times independently in different families of plants around the world, accounting for about a quarter of the planet's primary terrestrial production, even though it is only used by 3% of the species.
Challenges and goals of the project
One of the major challenges of the C4 Rice Project, is the modification of rice leaf anatomy to have bundle sheath cells and mesophyll cells arranged in concentric circles around the leaf veins, as they are in C4 plants. Progress has already been made in the previous phase of the project by harnessing a synthetic approach towards engineering the photosynthetic pathway. Working out which genes need to be modified to achieve this switch will be a major focus of the team’s research over the next five years. Professor Jane Langdale of Oxford University, who leads the consortium, said: "This is an extremely challenging long-term project and we are grateful to the foundation for backing the team for a further five years. The continuation of the project will get us closer to the goal of breeding rice lines that will have positive and real impact for the smallholder farmers". The continuation of the project makes the C4 rice project one of the longest running projects in the foundation's agricultural portfolio.
Professor Julian Hibberd from the University of Cambridge, who is a member of the consortium, said: "We are excited to be able to build on the significant progress made so far, and move closer to our ultimate goal of generating a higher yielding rice." The Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology was already a partner in the previous phase of the project, but will play a much greater role in the newly funded phase IV, helping to identify which of the rice plants are fixing CO2 by the C4 pathway. Prof. Dr. Mark Stitt and Dr. John Lunn, together with their international colleagues from the consortium, hope that experimental field trials can be conducted in Taiwan by the end of the next phase of research in 2024. By 2039 the rice could be in farmer’s fields. Professor Langdale emphasized: "This is about being custodians of something that’s bigger than our individual scientific interests."
A condition of Gates Foundation funding for the project is a Global Access Commitment to ensure that the knowledge and advancements made will be made available and accessible at an affordable price to people most in need in developing countries.
*The C4 Rice Project is an international collaboration between 10 Research Groups, from 7 Institutions in 5 Countries:
Reis für die Welt
Wissenschaftler des Potsdamer Max-Planck-Instituts für Molekulare Pflanzenphysiologie sind Teil des internationalen C4-Reisprojekts und erhalten erneut Forschungsgelder aus einer Förderung, die die Universität Oxford, als Koordinator des Projekts, in Höhe von 15 Millionen Dollar von der Bill & Melinda Gates Stiftung erhalten hat.
Die Phase IV des internationalen C4-Reisprojekts hat für die nächsten 5 Jahre grünes Licht erhalten. Während dieser Zeit möchte ein international zusammengesetztes Wissenschaftlerteam* eine Reissorte entwickeln, die bis zu 50% mehr Ertrag bringen soll und härtere Umweltbedingungen aushält. Gegenwärtig sind mehr als 3 Milliarden Menschen in Asien und Afrika auf Reis angewiesen um zu überleben. Derzeit reicht der Reisertrag, der auf 1 ha Fläche geerntet wird, für 27 Menschen. Aufgrund des prognostizierten Bevölkerungswachstums und der Tendenz zur Verstädterung wird diese Fläche bis zum Jahr 2050 ca. 43 Menschen ernähren müssen. Das bedeutet, der Ertrag pro Flächeneinheit muss um fast 60% gesteigert werden. Eine Möglichkeit die Reiserträge zu steigern, besteht darin die Fotosynthese effektiver zu gestalten.
Verbesserung der Fotosynthese durch Prozessoptimierung
Reis verwendet den sogenannten C3-Photosyntheseweg, bei dem am Anfang der CO2-Fixierung aus der Luft ein Zwischenprodukt entsteht, das 3 C-Atome besitzt. Das Enzym Rubisco (Ribulose-1,5-bisphosphat-carboxylase-/-oxygenase), das für die CO2-Fixierung zuständig ist, kann allerdings in einer Nebenreaktion statt CO2 auch Sauerstoff binden, von dem sehr viel mehr in unserer Atmungsluft ist als CO2. Die hohen Sauerstoffkonzentrationen in der Luft, die sich über mehr als zwei Milliarden Jahre entwickelt haben, beeinträchtigen die Wirkungskraft der Fotosynthese. Wenn bei höheren Temperaturen die Pflanze dann auch noch ihre Spaltöffnungen schließt, um Wasser zu sparen, gelangt weniger CO2 ins Innere des Blattes. Bei steigenden Temperaturen und Trockenheit arbeitet die C3-Fotosynthese daher weniger wirkungsvoll. Die Pflanze bildet dann weniger Zucker und ihre Erträge sind geringer. Bei C3-Pflanzen verläuft die Zuckerbildung und die Bindung von CO2 in ein und demselben Zelltyp: den Mesophyllzellen. Demgegenüber sind bei C4-Pflanzen diese Abläufe räumlich voneinander getrennt in Mesophyll- und Bündelscheidenzellen. Die C4-Pflanzen nutzen eine „biochemische“ Pumpe, um CO2 aktiv in spezialisierten Bündelscheidenzellen anzureichern. Dazu wird CO2 zunächst in den Mesophyllzellen in ein Zwischenprodukt mit vier Kohlenstoffatomen eingebaut. Diese C4-Verbindung wandert dann in die Bündelscheidenzellen, wo die Rubisco sitzt. Hier wird CO2 aus dem C4-Körper freigesetzt. Um die Rubisco herum entsteht auf diese Weise eine hohe CO2-Konzentration und die Nebenreaktion mit Sauerstoff wird unterdrückt. So kann auch bei höheren Temperaturen und geschlossenen Spaltöffnungen Fotosynthese betrieben werden.
Der C4-Photosyntheseweg hat sich in dem letzte 30 Millionen Jahren über 60 Mal unabhängig voneinander an verschiedenen Orten auf der Welt entwickelt und macht rund ein Viertel der terrestrischen Primärproduktion auf unserem Planeten aus, obwohl er nur von 3 % der Arten genutzt wird. Zu den C4-Pflanzen gehören viele tropische und subtropische Gräser und manche wichtigen Nutzpflanzen, u.a. Mais, Zuckerrohr, Hirse und Sorghum.
Herausforderungen und Ziele des Projekts
Eine der größten Herausforderungen des C4-Reisprojektes, ist die Umstellung der Reisblattanatomie. In der vorangegangenen Phase des Projekts wurden bereits Fortschritte erzielt, indem ein synthetischer Ansatz für die Entwicklung des Fotosynthesewegs genutzt wurde. Ein Schwerpunkt der Forschung wird in den nächsten fünf Jahren darin bestehen, herauszufinden, welche Gene modifiziert werden müssen, um den Wechsel in der Blattanatomie zu erreichen. Professor Jane Langdale von der Universität Oxford, die das Projekt leitet, sagte: „Dies ist ein äußerst herausforderndes Projekt und wir sind der Stiftung dankbar, dass sie das Team für weitere fünf Jahre unterstützt. Die Weiterführung des Projekts bringt uns dem Ziel näher, Reissorten zu züchten, die positive und praktische Auswirkungen auf die Kleinbauern haben werden.“ Die Fortführung des Projekts macht das C4-Reis Projekt zu einem der am längsten laufenden Projekte im Landwirtschaftsportfolio der Stiftung.
Professor Julian Hibberd von der Universität Cambridge, Mitglied des Konsortiums sagte: „Wir freuen uns sehr, auf den bisherigen bedeutenden Fortschritten aufbauen zu können und dem Ziel näher zu kommen einen ertragreicheren Reis zu erzeugen.“ Das Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie war bereits in der vorangegangenen Projektphase Partner und wird nun in der neu finanzierten Phase IV noch eine weitaus größere Rolle spielen und dabei helfen, herauszufinden, welche Reispflanzen über den C4-Weg CO2 binden. Prof. Dr. Mark Stitt und Dr. John Lunn hoffen gemeinsam mit ihren internationalen Kollegen aus dem Konsortium, dass bis zum Ende der nächsten Forschungsphase im Jahr 2024 in Taiwan experimentelle Feldversuche durchgeführt werden können. Im Jahr 2039 könnte der Reis dann von den Bauern genutzt werden. Professor Langdale betonte: „Hier geht es darum, Hüter von etwas zu sein, das größer ist als unser individuelles wissenschaftliches Interesse.“
Voraussetzung für die Finanzierung des Projekts durch die Gates Foundation ist ein Global Access Commitment. Hierbei soll sichergestellt werden, dass das Wissen und die Fortschritte denjenigen zu einem bezahlbaren Preis zur Verfügung gestellt und zugänglich gemacht werden, die dies in den Entwicklungsländern am dringendsten benötigen.
*Bei dem C4-Reis-Projekt handelt es sich um eine internationale Zusammenarbeit, an der 10 Forschergruppen, von 7 Institutionen in 5 verschiedenen Ländern beteiligt sind:
- Professor Robert Furbank, Professor Susanne von Caemmerer & Dr Caitlin Byrt; Australian National University, Canberra
- Professor Julian Hibberd; University of Cambridge
- Dr Steve Kelly & Professor Jane Langdale; University of Oxford
- Professor Asaph Cousins & Professor Gerry Edwards; Washington State University, Pullman
- Professor Su-May Yu; Academia Sinica Institute of Molecular Biology, Taipei
- Professor Alain Tissier; Leibniz Institute of Biochemistry, Halle
- Dr John Lunn & Professor Mark Stitt; Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology, Potsdam-Golm
Weitere Informationen:
https://c4rice.com/
http://www.mpimp-golm.mpg.de
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