Wie Pflanzen die Photosynthese unter wechselnden Lichtverhältnissen optimieren

Für die Forschung werden Pflanzen häufig unter Stallbeleuchtung gezogen, die nicht die natürlichen Bedingungen widerspiegelt. Forscher des Max-Planck-Instituts für Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam-Golm (Deutschland) und des College of Natural Science der Michigan State University (USA) zeigen in einer Reihe von Experimenten mit wechselnden Lichtverhältnissen das natürliche Wechselspiel von Licht und Schatten die Bedeutung zweier Schlüsselproteine ​​für die dynamische Kontrolle der Photosynthese. Die Studie wurde kürzlich in der Fachzeitschrift veröffentlicht Neuer Phytologe.

Pflanzen betreiben Photosynthese, um zu wachsen. Dabei nutzen sie Energie aus Sonnenlicht, setzen Sauerstoff frei und produzieren Kohlenhydrate, die die Nahrungsgrundlage für alle Menschen und fast alle Tiere auf der Erde darstellen. Unter natürlichen Bedingungen kann sich die Lichtverfügbarkeit innerhalb kürzester Zeit schnell ändern.

Einer der Hauptgründe sind Wolken, die Licht und Schatten spenden, wenn sie vor der Sonne vorbeiziehen. Auch Pflanzenblätter und Äste können vorübergehend Schatten spenden, wenn sie vom Wind bewegt werden. Pflanzen können sich nicht von Schatten zu Sonne bewegen, wenn das Licht begrenzt ist, und umgekehrt können sie nicht von Sonne zu Schatten ausweichen, wenn sie zu viel Sonnenlicht ausgesetzt sind. Sie müssen auf andere Weise auf wechselnde Lichtverhältnisse reagieren.

Genau wie für den Menschen ist zu viel Sonnenlicht für Pflanzen schädlich. Insbesondere ein schneller Wechsel zwischen schwachem und intensivem Licht ist problematisch. Wie die Netzhaut in unseren Augen verwenden Pflanzen Moleküle in ihren Blättern, um Lichtteilchen einzufangen. Wenn das Licht schwach ist, sind diese Lichtfallen sehr effizient darin, so viel schwaches Licht wie möglich einzufangen.

Wenn sich die Lichtverhältnisse plötzlich ändern, kann zu viel Lichtenergie die Pflanze erreichen. Diese Energie kann den empfindlichen photosynthetischen Apparat in den Pflanzenzellen überlasten oder schädigen. Dementsprechend müssen Pflanzen ihre photosynthetische Aktivität ständig an ihre Umweltbedingungen anpassen, um einerseits eine maximale Lichtausbeute zu erzielen, andererseits aber nicht durch zu viel Licht geschädigt zu werden.

Bisher werden Pflanzen in Gewächshäusern und Labors fast ausschließlich unter stabilen und gleichmäßigen Lichtbedingungen angebaut. Daher ist unser Verständnis, wie die Anpassung an wechselnde Lichtverhältnisse funktioniert, sehr begrenzt. Das kann im schlimmsten Fall dazu führen, dass Pflanzen, die in Labor und Gewächshaus gut wachsen, in der Freilandkultur plötzlich viel schlechter abschneiden als erwartet.

Regulation der Photosynthese bei wechselnden Lichtverhältnissen

Die Forscher um Dr. Ute Armbruster vom MPI-MP in Potsdam-Golm und David Kramer vom College of Natural Science der Michigan State University (US) haben für ihre Studie die Modellpflanze Arabidopsis thaliana untersucht. Die Pflanzen wurden unter einer Vielzahl von Bedingungen gezüchtet, darunter statisches, fluktuierendes und natürliches Licht.

Die Studie konzentrierte sich auf zwei Ionentransportproteine ​​namens VCCN1 und KEA3, die eine Schlüsselrolle bei der dynamischen Anpassung der photosynthetischen Leistung spielen. Aus früheren Studien ist bekannt, dass VCCN1 den Sonnenschutz aktiviert, wenn das Licht plötzlich zu stark wird. Wenn die Lichtintensität nachlässt, baut das zweite Protein KEA3 diesen Sonnenschutz schnell ab, sodass die Pflanze wieder mehr Licht einfangen kann. Die beiden Proteine ​​VCCN1 und KEA3 wurden jedoch noch nie unter realistischen Lichtbedingungen untersucht.

Die Forscher verwendeten einen innovativen neuen Ansatz zur Messung der Photosynthese in Kombination mit einem gezielten Einsatz von Gen-Knockouts – also Pflanzen, deren Gene für VCCN1 und KEA3 ausgeschaltet wurden. Sie zeigen, dass die Aktivitäten der Proteine ​​VCCN1 und KEA3 von den Lichtverhältnissen abhängen, unter denen die Pflanzen aufgezogen wurden.

Auf Anregung der Leiterin der Infrastrukturgruppe Pflanzenzüchtung, Dr. Karin Köhl, konzentrierten sich die Forscher bei der Analyse auf zwei wachstumsrelevante Lichtfaktoren und konnten zeigen, dass sowohl die Lichtmenge, die eine Pflanze erhält, als auch die Lichtfrequenz Schwankungen haben einen starken Einfluss auf die Funktion der beiden Ionentransporter. Die Schutzfunktion von VCCN1 ist nur bei Pflanzen wichtig, die zuvor unter schwachem Licht angebaut wurden.

Andererseits war KEA3, das den Schutz aufhebt, sogar in Hochlichtperioden aktiv, wenn die Pflanzen unter Bedingungen mit erhöhten Lichtintensitäten gezüchtet wurden. Der Sonnenschutz hängt auch davon ab, wie stark die Pflanzen den Lichtschwankungen ausgesetzt sind. Pflanzen produzieren bei stark wechselnden Lichtverhältnissen den Orangenfarbstoff Zeaxanthin, der auch am Sonnenschutz beteiligt ist. Die Produktion dieses Sonnenschutzmittels wird durch KEA3 auch unter starken Lichtbedingungen unterdrückt.

„Unsere Studie zeigt, dass wir die Wirkung von Wachstumslicht und die schnellen Reaktionen auf Lichtschwankungen nicht getrennt betrachten sollten“, sagt Studienleiterin Thekla von Bismarck. „Die immer komplexer werdende Integration mehrerer Zeitskalen und Stoffwechselebenen wird eine große zukünftige Herausforderung für die Pflanzenforschung sein.