"Was macht ein Rennpferd schnell?" Erforschung der Rolle von Photosynthese- und Stoffwechselleistung beim Wachstum photosynthetischer Zellen

• Antragsteller: Professor Zoran Nikoloski, Ph.D.; Professor Dr. Michael Schroda
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 517516852

Die Versorgung der rasch wachsenden Weltbevölkerung erfordert in naher Zukunft eine Steigerung der Nahrungsmittelproduktion. Eine Erhöhung der Photosyntheseleistung von Kulturpflanzen gilt hier als ein vielversprechender Ansatz, da sie noch weit von ihren biologischen Grenzen entfernt ist. Besonders hohe photosynthetische Leistungen kommen oft in Organismen vor, die mit besonderen Stressbedingungen zurechtkommen müssen. So weist Chlorella ohadii, eine grüne Mikroalge, die kürzlich aus einer biologischen Wüstenbodenkruste isoliert wurde, die schnellste jemals für einen photosynthetischen Organismus berichtete Wachstumsrate und höchste Photosyntheserate pro Chlorophyll auf. Es stellt sich die Frage, wodurch die Obergrenze für das Wachstum einer photosynthetischen Zelle definiert wird? Wir konnten bereits zeigen, dass die hohen Wachstumsraten von C. ohadii durch dessen hohe metabolische Flexibilität zustande kommen. Entsprechend ist das Hauptziel dieses Projekts die Entschlüsselung von Engpässen in den Stoffwechselwegen photosynthetischer Zellen, die das Wachstum von Algen und Pflanzen begrenzen. Dieses Ziel soll durch folgende Ansätze erreicht werden: Erstens wollen wir die Stoffwechselraten (Flüsse) im zentralen und photosynthetischen Stoffwechsel von sehr schnell (C. ohadii) und langsamer (C. reinhardtii) wachsenden Mikroalgen unter verschiedenen Bedingungen vergleichend untersuchen, um Reaktionen oder Kombinationen von Reaktionen zu identifizieren, die ursächlich für die unterschiedlichen Wachstumsraten sein könnten ("potenzielle Engpässe"). Zweitens wollen wir die absoluten Konzentrationen von Schlüsselenzymen ermitteln, die die wichtigsten Reaktionen in den zentralen und photosynthetischen Stoffwechselwegen katalysieren. Damit können wir ihre in vivo kcat-Werte bestimmen, um die auf Stoffwechselmodellen basierenden Metabolitflüsse besser abschätzen zu können. Drittens wollen wir durch transgene Ansätze testen, ob und welche der identifizierten Reaktionen das Wachstum der langsamer wachsenden, genetisch zugänglichen Alge C. reinhardtii begrenzen. Hierfür wollen wir C. reinhardtii-Gene durch Orthologe aus der schnell wachsenden Alge C. ohadii ersetzen oder die Expression der nativen C. reinhardtii-Gene verändern. Schließlich wollen wir die Auswirkungen dieser metabolischen Eingriffe auf das Wachstum und die Photosyntheseraten sowie die Metabolitflüsse und Kohlenstoffallokationsmuster im metabolischen Netzwerk der manipulierten Stämme untersuchen. Langfristig sollen die am Mikroalgen-System gewonnenen Erkenntnisse dazu genutzt werden, Nutzpflanzen so zu verändern, dass sie höhere Erträge liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel
• ausländischer Mitantragsteller: Professor Haim Treves, Ph.D.