Wie Pflanzen per Photosynthese die Umwelt "erspüren"

Biologe der Universität Jena beweist: Photosynthese stellt einen empfindlichen Umweltsensor dar

Leben ist auf der Erde nicht denkbar ohne Photosynthese. Ob Nahrungsmittel, fossile oder biologische Brennstoffe, sie entstammen diesem fundamentalen biologischen Prozess, bei dem Pflanzen das Sonnenlicht in Energie umwandeln. Seit gut 200 Jahren erforschen Wissenschaftler die Photosynthese. Doch erst seit kurzem beginnen die Experten zu verstehen, dass dieser Prozess nicht alleine die Energie für das pflanzliche Wachstum liefert. Die Photosynthese leistet weit mehr, wie PD Dr. Thomas Pfannschmidt vom Institut für Allgemeine Botanik und Pflanzenphysiologie der Universität Jena in seiner jüngst abgeschlossenen Habilitation zeigen konnte. Der Jenaer Biologe und seine Kollegen sind sich sicher, dass die Photosynthese einen empfindlichen Umweltsensor darstellt, der präzise auf das Wasserangebot, die Lichtqualität, den CO2-Gehalt der Atmosphäre und die Versorgung mit Nährstoffen reagiert.

Wie verarbeitet die Photosynthese Informationen über ihre Umwelt und wie schafft sie es, auf Veränderungen quasi „intelligent“ zu reagieren? „Die Photosynthese findet in einer hoch spezialisierten und von der übrigen Zelle räumlich getrennten Minifabrik statt“, erläutert Pfannschmidt. Diese von Biologen als Chloroplast bezeichnete Fabrik besitzt ein ungewöhnliches Merkmal: eigene Gene. Üblicherweise befindet sich die genetische Information der Zelle im so genannten Zellkern, die Gene für die Photosynthese sind jedoch kurioserweise auf Chloroplast und Zellkern verteilt. Um die Photosyntheseprozesse sinnvoll zu koordinieren, tauschen Kern und Chloroplast immense Datenmengen aus. Lange standen die Photosyntheseforscher vor der Frage, warum ein solch aufwändiges System im Lauf der Evolution erhalten blieb.

1999 brachte Pfannschmidt erstes Licht ins Dunkel der Vermutungen. In einer Versuchsreihe zeigte er mit Kollegen von der Universität Lund, wie sich der Zustand bestimmter Photosynthesekomponenten im Chloroplasten bei extremer Belichtung und Überlastung des Photosyntheseapparates veränderte. Diese so genannten Redox-aktiven Komponenten „erspüren“ die Veränderung in der Umwelt und senden Signale direkt an die Chloroplasten-eigenen Photosynthesegene: Während sie einen Teil dieser Gene aktivieren, werden andere gleichzeitig inaktiviert. Weil die Wissenschaftler parallel auch die Leistung der Photosynthese gemessen hatten, konnten sie demonstrieren, wie die regulierte Genaktivität auch die Photosyntheseleistung veränderte und den Lichtverhältnissen angepasst hatte. Damit war bewiesen, dass die Gene des Chloroplasten eine wichtige Rolle für die Verwirklichung von Rückkopplungsschleifen und die Selbstkontrolle der Photosynthese spielen. In weiteren Arbeiten zeigte Pfannschmidt mit seinen Jenaer Mitarbeitern, dass diese Signale auch die Aktivität der Gene im Zellkern beeinflussen und dass damit die Photosynthese eine zentrale Regulatorfunktion in den Zellen von Pflanzen einnimmt.

Was die Photosyntheseexperten fasziniert, besitzt auch einen erheblichen praktischen Nutzen. Rückkopplungsschleifen können die Photosynthese hemmen und vermindern die Produktivität und den Ertrag von Nutzpflanzen. Im Licht globaler Klimaveränderungen mit zunehmendem Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre, steigenden Temperaturen und häufigeren Dürren in heute fruchtbaren Regionen erhält die Idee von der Photosynthese als Umweltsensor sogar eine globale Dimension: Um zu verstehen wie Pflanzen auf die künftigen Umweltveränderungen reagieren werden, können die Jenaer Biologen mit ihrer Arbeit dem Puzzle der Photosyntheseregulation eine Vielzahl neuer Bausteine hinzufügen.

Die Photosynthese:

Unter Verbrauch von Wasser (H20) und Kohlendioxid (CO2) aus der Atmosphäre verwandeln Pflanzen dabei die Energie des Sonnenlichts in eine für Organismen nutzbare Form, in Zucker. Ganz nebenbei entsteht auch noch Sauerstoff (O2), den fast alle Arten für die Atmungsprozesse nutzen. Pflanzen tragen mit dieser photosynthetischen Aufnahme von CO2 und der Abgabe von O2 zum Aufbau der Erdatmosphäre bei und prägen das globale Klima.

Kontakt:

PD Dr. Thomas Pfannschmidt
Institut für Botanik und Pflanzenphysiologie
der Universität Jena
Dornburger Straße 159, 07743 Jena
Tel.: 03641 – 949236
Fax: 03641 – 949232
E-Mail: Thomas.Pfannschmidt@uni-jena.de