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International rice researchers take on world hunger - Maize could help to improve rice yield
Reisforscher sagen dem Welthunger den Kampf an - Mais soll helfen den Reisertrag zu steigern


Germany
December 3, 2015

The growth of the world’s population in combination with a reduction of arable land area will require increased crop yields to meet future food needs. Additional problems will be caused by climate change. Due to this, plants are needed that cope better with these new conditions. The long-term C4 Rice Project marks another step on the road to meet these goals. This international project is now entering its third phase. Led by scientists at the University of Oxford, researchers from 12 different institutions in eight countries aim to increase rice yield with the help of new methods. Among them are Professor Mark Stitt and his research group at the Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology in Potsdam.

Rice is the staple food for more than half of the world’s population. Thus, it is one of the most important crops in the world. Rice uses the C3 photosynthetic pathway, which is the more effective way of CO2 fixation in temperate climates. However, in hot dry environments it is not as efficient, and this is the very scenario which is expected to occur in many regions due to global climate change. Other plants, such as maize and sorghum, use the so called C4 pathway, which works more efficiently in adverse conditions.  The researchers of the C4 Rice Project, led by Professor Jane Langdale of University of Oxford, believe that a switch from C3 to C4 could increase rice productivity by 50%.

A change in the photosynthesis strategy would first of all increase the photosynthetic efficiency in rice, resulting in improved energy gain which can be directly used for reproduction and with that for seed production. Moreover, the introduction of C4 is predicted to improve nitrogen use efficiency, double water use efficiency, and increase tolerance to high temperatures. This would make the rice plant well-adapted for future needs.

The principal investigator, Professor Jane Langdale, explained: “Land that currently provides enough rice to feed 27 people will need to support 43 people by 2050. In this context, rice yields need to increase by 50% over the next 35 years. Given that traditional breeding programs have hit a yield barrier, this goal does not seem achievable by traditional methods.”

In addition, rice yield is limited by its natural metabolic capacity. The reason for this is the inherent inefficiency of C3 photosynthesis. Notably, evolution surmounted this inefficiency through the establishment of the C4 photosynthetic pathway, and importantly it did so on multiple occasions in different plant species. This is the reason why researchers consider a switch from C3 to C4 in rice is a realistic goal.

Phases I and II of the programme were focused on identifying new components of the C4 pathway – both biochemical and morphological – as well as validating the functionality of known C4 enzymes in rice. The new Phase III of the project will refine the genetic toolkit that has been assembled and will focus both on understanding the regulatory mechanisms that establish the pathway in C4 plants and on engineering the pathway in rice.

In particular, the researchers at the MPI-MP will work with rice plants which already contain different enzymes of the C4 pathway. Professor Mark Stitt and his team will analyze plant compounds of both natural rice plants and engineered C4 rice plants. This comparison will be the first test for a successful integration of the C4 photosynthesis into rice and its use by the plant. “The engineered plants with new enzymes will use different compounds for photosynthesis, resulting in changed concentrations of these compounds in comparison to the control plants”, explains Dr. John Lunn, senior scientist at the MPI-MP.

Additionally, the researchers will examine the CO2 uptake rates of those plants and its fate. “This test allows us to check whether the new enzymes work in the rice plant and the C4 pathway is operational, and to what extent it replaces the endogenous C3”, describes Dr. John Lunn.

The C4 Rice Project was initiated in 2008 with funding from the Bill & Melinda Gates Foundation, following discussions led by IRRI. Phase III of the project is a collaboration between 12 institutions: Oxford University, IRRI, Cambridge University, Australian National University, Donald Danforth Plant Science Center, Washington State University, University of Minnesota, University of Toronto, Heinrich Heine University, Max Planck Institute of Plant Physiology, Academica Sinica, and the Chinese Academy of Sciences-Max Planck Partner Institute for Computational Biology. This phase has been funded by a grant of over 6.4 million Euros from the Bill & Melinda Gates Foundation.


Reisforscher sagen dem Welthunger den Kampf an - Mais soll helfen den Reisertrag zu steigern

Die wachsende Weltbevölkerung, gepaart mit einer Abnahme der landwirtschaftlich nutzbaren Flächen, wird zukünftig höhere Erträge notwendig machen, um den Nahrungsmittelbedarf zu decken. Verschärfend kommt der Klimawandel hinzu, der an die neuen Bedingungen angepasste Pflanzen erfordert. Einen Schritt in die richtige Richtung stellt das international aufgestellte C4-Reisprojekt dar, das nun in die dritte Forschungsphase startet. Unter Leitung der Oxford Universität arbeiten Forscher aus 12 Einrichtungen in 8 Ländern, darunter Prof. Mark Stitt und seine Gruppe am Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie (MPI-MP), an dem Ziel Reiserträge mit Hilfe neuer Methoden zu steigern.

Reis ist das Hauptnahrungsmittel für mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung und ist somit eine der wichtigsten Nutzpflanzen der Erde. Reis nutzt den sogenannten C3-Weg der Photosynthese. Bei gemäßigten Temperatur- und Lichtverhältnissen ist dies die effektivste Art der CO2-Fixierung. In heißer und trockener Umgebung - ein Szenario, dass im Zuge des Klimawandels viele Regionen immer häufiger betreffen wird – ist sie jedoch leider nicht effektiv genug. Andere Pflanzen, wie Mais und Hirse zum Beispiel, nutzen den C4-Weg. Dieser arbeitet deutlich besser unter solch nachteiligen Bedingungen. Die Wissenschaftler des C4-Reisprojekts, unter der Leitung von Prof. Jane Langdale von der Oxford Universität, glauben, dass ein Wechsel in Reis von C3 zu C4 eine Ertragssteigerung um bis zu 50% bewirken könnte.

Ein Wechsel der Photosynthesestrategie würde zum einen die Effizienz der Photosynthese selbst steigern, was einen höheren Energiegewinn für die Pflanzen bedeutet, der direkt für Wachstum oder Fortpflanzung und somit für die Samenproduktion genutzt werden kann. Darüber hinaus ist im C4 Weg die Effizienz der Stickstoffnutzung gesteigert, die Effizienz der Wassernutzung verdoppelt und die Toleranz gegenüber hohen Temperaturen erhöht. Die Reispflanze wäre somit deutlich besser aufgestellt, als bisher.

Die Projektleiterin Prof. Jane Langdale verdeutlicht: „Land das aktuell genug Reis für 27 Menschen zur Verfügung stellt, muss in 2050 etwa 43 Menschen ernähren. Das bedeutet, dass innerhalb von 35 Jahren eine Ertragssteigerung von 50% benötigt wird. Dieses Ziel scheint durch traditionelle Züchtung nicht erreichbar, da hier bereits ein oberes Ertragslimit erreicht ist.“

Hinzu kommt, dass der Reisertrag auf natürliche Weise limitiert ist. Schuld daran ist die Ineffizienz der C3-Photosynthese. Diese allerdings wurde im Laufe der Evolution durch die Entwicklung der C4-Photosynthese überwunden. Bemerkenswerterweise hat dieser Prozess sogar mehrmals und unabhängig von einander in verschiedenen Pflanzen stattgefunden. Das ist auch der Grund, warum die Forscher glauben, dass ein Wechsel von C3 zu C4 Reis durchaus möglich erscheint.
Im Zuge der ersten beiden Phasen des C4-Reisprojekts haben die Forscher biochemische und morphologische Strukturen des C4-Stoffwechsels identifiziert und die verantwortlichen Enzyme, die in diesem Prozess arbeiten, analysiert und auf ihre Funktionalität in Reis hin überprüft.

In der nun beginnenden dritten Phase des Projekts sollen die bereits vorhandenen genetischen Werkzeuge weiterentwickelt werden. Außerdem wollen die Forscher ein besseres Verständnis über die regulatorischen Mechanismen der Etablierung des C4-Weges erlangen. Final soll dann der C4-Weg in die Reispflanze eingebaut werden.

Dies bedeutet für die Forscher am MPI-MP im Speziellen, dass sie mit Reispflanzen arbeiten, die bereits mehrere Enzyme des C4-Weges besitzen. Prof. Mark Stitt und sein Team untersuchen die Inhaltsstoffe der Pflanzen und vergleichen diese Daten mit herkömmlichen Reispflanzen. Dies soll Aufschluss darüber geben, ob die Integration der C4-Photosynthese funktioniert hat und in der Pflanze genutzt wird. „Die Pflanzen mit den neuen Enzymen nutzen andere Inhaltsstoffe im Photosyntheseprozess, die nun in veränderter Konzentration vorliegen sollten, als in den Vergleichspflanzen“, erklärt Dr. John Lunn, Senior-Wissenschaftler am MPI-MP.

Darüber hinaus untersuchen die Wissenschaftler, wie viel CO2 die Pflanzen aufnehmen und wofür sie dieses verwenden. „So können wir testen, ob die neuen Enzyme arbeiten und der C4-Weg funktionstüchtig ist und in welchem Maße der ursprüngliche C3-Weg tatsächlich ersetzt wird“, beschreibt Dr. John Lunn.

Das C4-Reisprojekt wurde auf Grundlage von Diskussionsrunden am Internationalen Reisforschungsinstitut (IRRI) im Jahre 2008 initiiert und wird durch die Bill & Melinda Gates Stiftung finanziert. In der dritten Phase des Projekts arbeiten Wissenschaftler aus 12 Einrichtungen zusammen: Oxford Universität, IRRI, Cambridge Universität, Australian National Universität, Donald Danforth Plant Science Center, Washington State Universität, Universität von Minnesota, Universität von Toronto, Heinrich Heine Universität, Max-Planck-Institutes für Molekulare Pflanzenphysiologie Academica Sinica, und Chinesischen Akademie der Wissenschaften (Max-Planck-Partnerinstitut für Computational Biology). In Summe wird die Phase III mit über 6.4 Mio. Euro von der Bill & Melinda Gates Stiftung gefördert.

Weiter Informationen:

http://C4Rice.com

http://www.mpimp-golm.mpg.de/2032893/C4-Reisprojekt



More solutions from: Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology


Website: http://www.mpimp-golm.mpg.de

Published: December 3, 2015


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