Een team onder leiding van huidige en voormalige Carnegie-plantbiologen heeft de grootste functionele genomische studie ooit van een fotosynthetisch organisme uitgevoerd. Hun werk, gepubliceerd in Nature Genetics , zou kunnen bijdragen aan strategieën voor het verbeteren van landbouwopbrengsten en het verminderen van klimaatverandering.

Fotosynthese is het biochemische proces waarmee planten, algen en bepaalde bacteriën de energie van de zon kunnen omzetten in chemische energie in de vorm van koolhydraten.

"Het is de basis waarop het leven zoals we het kennen kan bestaan", zegt Arthur Grossman van Carnegie, een co-auteur van de krant. "Het maakt onze atmosfeer zuurstofrijk en vangt een percentage van de broeikasgassen die klimaatverandering veroorzaken op, voornamelijk CO₂ , die door menselijke activiteit in de atmosfeer worden uitgespuwd, en het is de steunpilaar van onze voedselvoorziening."

Maar ondanks het fundamentele belang ervan, blijven veel van de genen die verband houden met fotosynthese niet gekarakteriseerd. Gelukkig vormen algen een toegankelijk voertuig voor het ophelderen van de genetische informatie die aan dit vitale proces ten grondslag ligt.

Een catalogus van mutanten van de eencellige fotosynthetische groene alg Chlamydomonas reinhardtii die werd geïnitieerd door Martin Jonikas van Princeton University tijdens zijn ambtstermijn als medewerker van Carnegie, stelde een samenwerkend team van plantwetenschappers in staat om de functies van duizenden aanwezige genen te begrijpen in fotosynthetische organismen.

Chlamydomonas vertegenwoordigt een groep fotosynthetische algen die over de hele wereld worden aangetroffen in zoet en zout water, vochtige bodems en zelfs op het oppervlak van sneeuw. Ze groeien gemakkelijk in het laboratorium, zelfs in het donker als ze de juiste voedingsstoffen krijgen. Dit maakt Chlamydomonas een uitstekend onderzoeksinstrument voor plantenbiologen, vooral voor diegenen die geïnteresseerd zijn in de genetica van het fotosynthetische apparaat, evenals in vele andere aspecten van plantenbiochemie, zoals reacties op licht en stress.

"We begonnen met een verzameling van 58.000 Chlamydomonas-mutanten en stelden ze bloot aan een grote verscheidenheid aan omstandigheden en chemische stressoren", legt Jonikas uit. "Door de groei van een individuele mutant te kwantificeren, konden we zien welke genen bijdragen aan succes in elke omgeving en konden we veel van deze genen gaan koppelen aan adaptieve eigenschappen."

Deze studie vertegenwoordigde 78% van de Chlamydomonas-genen - bijna 14.000 - en biedt een kader voor het prioriteren van welke genen goede kandidaten zijn voor verder onderzoek en stelt wetenschappers in staat om hypothesen te beginnen over de mogelijke functies van slecht begrepen genen in fotosynthetische organismen.

"We verwachten dat ons werk de functionele karakterisering van genen in de levensboom zal leiden", zei Grossman.

"We zijn erg blij om te zien hoe de door Carnegie-wetenschappers gegenereerde middelen de onderzoeksgemeenschap mogelijk maken en het veld op zo'n brede schaal vooruit helpen", voegt Zhiyong Wang, de waarnemend directeur van Carnegie's Department of Plant Biology, toe.

De kennis die uit dit onderzoek wordt verkregen, zou strategieën kunnen ondersteunen voor het verbeteren van de opbrengsten van belangrijke voedsel- en biobrandstofgewassen in een opwarmende wereld, evenals programma's om koolstofvervuiling uit de atmosfeer op te vangen en op te slaan.