Germany
May 13, 2016
Green algae, as well as plants, carry out photosynthesis. But, in comparison to most plants, this process is improved by algae. They are able to increase the efficiency of photosynthesis with the help of specialized microstructures, so called pyrenoids. An international research team including Prof. Mark Stitt of the Max Planck Institute in Potsdam-Golm, has investigated how pyrenoids are formed. Together with his cooperation partner Dr. Martin Jonikas from Stanford, the team analyzed the photosynthesis process of algae and discovered a new protein that is vital for the formation and function of pyrenoids. This knowledge could provide future possibilities to improve the photosynthesis of crop plants combined with increases in yield.
Photosynthesis is the most important biochemical process on our planet, supporting nearly all life on earth. Atmospheric carbon dioxide (CO2) gets “fixed” by plants into carbon-based sugar, an energy-rich compound, using sunlight as a source of energy. All other life forms including animals and humans are ultimately dependent on plants as a source of food and energy. Further, photosynthesis releases oxygen. Over the last three billion years this has generated our present atmosphere, allowing us to breath. But how does photosynthesis work in plants and other photosynthetic organisms and what determines how efficient it is? A question that many researchers try to investigate worldwide.
During evolution, different possibilities have been developed to improve photosynthesis. The basic mechanism of the photosynthesis is always the same, but the process has been adapted or even improved in different groups of photosynthetic organisms. The research team including Prof. Mark Stitt of the Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology and scientists from Stanford, Cambridge, Missouri and Bayreuth, analysed how green algae have adapted their photosynthesis to become more efficient.
It all starts with the world’s most abundant enzyme, Rubisco. This protein fixes the atmospheric CO2. But there is a problem, which reduces the photosynthesis efficiency dramatically: Rubisco not only reacts with CO2, but also with oxygen. Photosynthesis first evolved about 3 billion years ago, a time when the Earth’s atmosphere had more abundant CO2 than today, while oxygen was just a trace gas. In these conditions, the reaction with oxygen was negligible. However, as photosynthetic organisms became more and more populous in the ancient Earth, they changed the atmosphere's composition. Nowadays, CO2 makes up only about 0.04 percent of molecules in the atmosphere and oxygen about 21%. The low level of CO2 and the side-reaction with oxygen decreases the rate of photosynthesis and the growth rates of plants, including crops. Oxygen not only competes with CO2, it also leads to the formation of toxic compounds whose elimination requires energy. To avoid this inhibitory effect of oxygen decrease in photosynthetic efficiency, several groups of organisms have evolved mechanisms to accumulate CO2. This excludes oxygen from the binding site of Rubisco and increases photosynthetic efficiency.
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The algal pyrenoid could be the key to increasing crop yields. A pyrenoid (blue) is seen in a cross-section of an algal cell by false-colored electron microscopy. The pyrenoid sits inside the chloroplast (green), which harvests light energy to drive carbon fixation.- © Moritz Meyer
Pyrenoide aus Grünalgen könnten der Schlüssel zur Ertragssteigerung von Nutzpflanzen sein. Das Pyrenoid (blau) ist hier im Querschnitt einer Algenzelle durch Falschfarben-Elektronenmikroskopie sichtbar. Das Pyrenoid sitzt innerhalb des Chloroplasten (grün), welcher Lichtenergie sammelt, um die CO2-Fixierung zu ermöglichen.
In addition to some plants like corn and sugar cane, green algae belong to these photosynthetic organisms that accumulate CO2. While this process can be quite complex in plants, it seems that algae found a relatively easy way. They evolved a microstructure, called the pyrenoid, which contains Rubisco and in which CO2 is concentrated. A pyrenoid provides such a tremendous growth advantage that nearly all algae in the oceans have them. About a third of the planet's carbon fixation is thought to happen in pyrenoids, yet we know almost nothing about how these structures are formed at a molecular level. The international research team analyzed these mechanisms in the model organism Chlamydomonas reinhardtii, a fresh water alga. They wanted to understand how the protein Rubisco gets packed into the pyrenoid and how it gets into contact with the accumulated CO2. The research team in Potsdam developed a method to isolate and analyze pyrenoids and determined which proteins it contained. They found Rubisco, as expected, and a protein that helps Rubisco to fold into its active structure. In addition, a third, so far unknown, protein was identified as present in large amounts in pyrenoids.
The new protein was studied in detail. “When we reduced the level of CO2 in our experiments, the unknown protein was strongly accumulated. Moreover, the size of the pyrenoid increased”, explains Tabea Mettler-Altmann, a former PhD student in this project. To determine the function of this protein, the international team used a mutant of Chlamydomonas reinhardtii, which is not able to produce this protein. “This mutant had strong deficiencies. The pyrenoids were smaller and Rubisco was not assembled into them”, describes Prof. Mark Stitt. The mutants were also severely impaired in their ability to carry out photosynthesis in low CO2. In this way, the research team demonstrated the important structural role of the unknown protein in the pyrenoid biosynthesis. Due to that they called it EPYC1, for Essential Pyrenoid Component 1.
What’s more, proteins similar to EPYC1 are found in most pyrenoid-containing algae, but are not found in algae that lack these microstructures. This suggests a parallel development of the mechanism at several time points of evolution. The question rises whether this simple process could be engineered into crop plants. Should this be possible, it is expected to enhance crop yields by as much as 60 percent. This could improve future yields of different crop plants as rice, wheat or potato by just improving the photosynthesis efficiency. This is good news, in a growing world with a declining area of land that can be used for agriculture. By engineering crop plants with more efficient mechanisms of algae, we could grow more food in less time using less water and less nitrogen fertilizer.
Vorbildliche Photosynthese - Wie Grünalgen unsere Nutzpflanzen verbessern könnten
Grünalgen betreiben Photosynthese, genau wie Pflanzen. Im Unterschied zu den meisten Pflanzen haben die Algen diesen Prozess allerdings verbessert. Mit Hilfe von speziellen Mikrostrukturen, den Pyrenoiden, sind sie in der Lage die Photosynthese-Effizienz zu steigern. Wie genau das funktioniert, interessierte ein internationales Wissenschaftsteam, dem unter anderem die Forscher und Forscherinnen rund um Prof. Mark Stitt vom Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam-Golm angehören. Zusammen mit seinem Kooperationspartner Dr. Martin Jonikas aus Stanford untersuchten sie die Algenphotosynthese und fanden heraus, wie Grünalgen es anstellen effektiver Photosynthese zu betreiben als unsere Nutzpflanzen. Die neuen Erkenntnisse könnten Möglichkeiten bieten die Photosynthese von Pflanzen zu verbessern und damit die Erträge zu erhöhen.
Die Photosynthese ist der biochemisch wichtigste Prozess auf der Erde, da er nahezu alles Leben ermöglicht. Kohlenstoffdioxid wird hierbei aus der Atmosphäre aufgenommen und mit Hilfe der Energie des Sonnenlichts und unter Verbrauch von Wasser zu Zucker, einem Energieträger, umgebaut. Ein einzigartiger Prozess auf den Menschen und Tiere gleichermaßen angewiesen sind.
Als Nebenprodukt entsteht Sauerstoff, der zurück in die Umgebung entlassen wird. Über Milliarden von Jahren bildete sich so unsere heutige Atmosphäre, die wir zum Atmen benötigen. Wie aber laufen Photosyntheseprozesse in Pflanzen und anderen photosynthetisch-aktiven Organismen ab? Mit dieser Frage beschäftigen sich Pflanzenforscher weltweit.
Im Laufe der Evolution haben sich verschiedenste Möglichkeiten herausgebildet, um Photosynthese zu betreiben. Die Grundstruktur des Prozesses ist dabei immer gleich, aber der Ablauf wurde in verschiedenen Lebewesen unterschiedlich angepasst und sogar verbessert. Ein Forschungsteam um Prof. Mark Stitt am Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie untersuchte deshalb zusammen mit Kooperationspartnern aus Stanford, Cambridge, Missouri und Bayreuth, wie es Grünalgen gelungen ist die Photosynthese effizienter zu machen.
Das wichtigste Protein im Photosynthese-Prozess ist die sogenannte Rubisco. Dieses Protein bindet das Kohlendioxid aus der Luft. Es gibt allerdings ein Problem, das die Effizienz der Photosynthese erheblich beeinträchtigt: Rubisco kann nämlich nicht nur mit Kohlendioxid (CO2), sondern auch mit Sauerstoff reagieren. Vor 3 Billionen Jahre, also noch bevor die Photosynthese überhaupt entstand, war C02 das dominierende Element in der Erdatmosphäre, während Sauerstoff nahezu gar nicht vorkam. Eine Konkurrenz um das Protein gab es damals nicht. Aufgrund der Entstehung von Organismen mit der Fähigkeit Photosynthese zu betreiben, änderte sich die Zusammensetzung der Atmosphäre über die Zeit aber dramatisch. Heute kommen beide Stoffe in unserer Atmosphäre vor, wobei die Sauerstoffkonzentration mit 21% deutlich über dem CO2-Vorkommen von 0,04% liegt. Die beiden Elemente stehen nun um die Bindung an Rubisco in Konkurrenz zueinander.
Die Reaktion von Rubisco mit Sauerstoff führt zur Produktion von giftigen Stoffen im Organismus. Um Schaden abzuwenden müssen diese Stoffe dann mit hohem Energieaufwand abgebaut werden. Aber nicht nur das, denn gleichzeitig kann auch weniger CO2 gebunden werden, was den Energieverlust weiter in die Höhe treibt. Damit es nicht zu diesen Energieverlusten kommt, haben einige Organismen Mechanismen entwickelt CO2 anzureichern, um so den Sauerstoff zu verdrängen und diese ungewollten Reaktionen zu umgehen. Dies steigert die Photosynthese-Effizienz.
Neben Pflanzen wie Mais und Zuckerrohr, gehören auch verschiedene Grünalgen zu den Organismen, die CO2 anreichern können. Während der Prozess in Pflanzen komplex ist, gelang es den Algen auf recht einfachem Weg die Photosynthese zu verbessern. Sie haben hierfür eine ganz besondere Mikrostruktur, das sogenannte Pyrenoid. Diese Struktur ist in nahezu allen ozeanischen Lebewesen mit Zellkern, die Photosynthese betreiben, vorhanden. So auch in dem Modellorganismus Chlamydomonas reinhardtii, eine im Süßwasser vorkommende Grünalge, die weltweit verbreitet ist. Die Pyrenoide dieses Modelorganismus untersuchte das Wissenschaftsteam genauer. Denn wie genau das Protein Rubisco eigentlich im Pyrenoid verpackt wird, um mit dem hochkonzentrierten CO2 in Kontakt zu kommen, war bisher unklar. Das Potsdamer Forschungsteam entwickelte hierfür ein Verfahren zur Analyse des Pyrenoids und bestimmte die dort vorhandene Proteinzusammensetzung. Hier fanden sie wie erwartet die Rubisco, aber auch ein Hilfsprotein, welches bei der Strukturanpassung der Rubisco hilft, und ein weiteres, bisher unbekanntes Protein.
Das neue Protein wurde eingehend untersucht. „Wir stellten fest, dass dieses bisher unbekannte Protein bei einer Verringerung der CO2-Konzentration stark angereichert wird. Und auch das Pyrenoid selbst wurde unter diesen, für die Alge schlechten, Bedingungen größer“, erklärt Tabea Mettler-Altmann, ehemalige Doktorandin in diesem Projekt. Um die Funktion des Proteins genauer zu bestimmen, nutzte das internationale Team auch eine Mutante von Chlamydomonas, die dieses neue Protein nicht bildete. „Diese Mutante zeigte eindeutige Defekte. Ihre Pyrenoide waren kleiner und die Rubisco konnte nicht mehr in diesen Organellen verpackt werden“, beschreibt Prof. Mark Stitt die Untersuchungen. Außerdem war die Mutante stark darin eingeschränkt überhaupt Photosynthese in einer Umgebung mit geringen CO2-Konzentrationen zu betreiben. Das Forschungsteam zeigte somit, dass dieses bisher unbekannte Protein eine wichtige strukturelle Rolle in der Pyrenoid-Biosynthese spielt. Deshalb schlugen sie den Namen „Essential Pyrenoid Component 1“, kurz EPYC 1 vor, also eine für den Pyrenoidaufbau notwendige Verbindung.
Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass auch andere Algen mit Pyrenoiden EPYC1-ähnliche Proteine besitzen. Dies weist darauf hin, dass dieser recht einfach Mechanismus mehrfach im Laufe der Evolution parallel entstanden ist. Es stellt sich nun die Frage, ob dieser simple Prozess auch in Nutzpflanzen übertragbar ist? Sollte dies möglich sein, könnte eine erhebliche Effizienzsteigerung der pflanzlichen Photosyntheseleistung und damit höhere Erträge erzielt werden. Auf diese Weise könnten zukünftig evtl. die Erträge von Nutzpflanzen wie Reis, Weizen oder Kartoffeln um bis zu 60% gesteigert werden, was im Hinblick auf die wachsende Weltbevölkerung und einer schwindenden Agrarfläche eine gute Nachricht wäre.
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