Engineering of the photorespiratory carbon-cycle in C3-plants

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Ribulose-1,5-bisphosphat Carboxylase/Oxygenase (RubisCO) ist ein bifunktionales Enzym, das sowohl die Carboxylierung als auch die Oxygenierung von Ribulose-1,5-bisphosphat katalysiert. Die Carboxylierung führt zur Bildung von 3-Phosphoglycerat, Endprodukte der Oxygenierung sind jedoch je ein Molekül 3-Phosphoglycerat sowie ein Molekül 2-Phosphoglykolat, welches im Calvin-Zyklus nicht metabolisiert werden kann. Die Rückführung in den Calvin-Zyklus erfolgt über den photorespiratorischen Reaktionsweg. Die Photorespiration ist demzufolge die lichtabhängige Entwicklung von CO2, eine unvermeidbare Begleiterscheinung der Photosynthese von C3-Pflanzen entsteht hieraus ein Nachteil gegenüber C4 und CAM-Pflanzen, die Konsequenz ist eine niedrigere Photosynthese-Kapazität, langsameres Wachstum und eine geringere Effizienz der Wasser- und Stickstoff-Nutzung. Versuche, mittels gerichteten Mutagenese die OxygenaseReaktion der RubisCO zu unterdrücken waren bislang wenig erfolgreich. Ein alternativer Ansatz wäre eine Erhöhung der CO2-Konzentration in der Umgebung von RubisCO, ähnlich wie in C4-Pflanzen. Um diese in C3-Pflanzen zu erreichen, schlagen wir vor, transgene Pflanzen herzustellen, welche Glykolat vollständig innerhalb der Plastiden oxidieren. Wir planen, für diese Studie Arabidopsis thaliana (Wildtyp und eine photorespiratorische Mutante) als Modellsystem zu nutzen. Die erhaltenen Transformanden sollen vollständig auf der Ebene des Phänotyps, sowie auf genetischer, biochemischer und physiologischer Ebene charakterisiert werden. Wir erwarten, dass dieser Ansatz auch neue Erkenntnisse zur Kontrolle und Regulation des C- und N-Stoffwechsels erbringen wird.