Forschung
Forschungsthema
Photosynthese
Photosynthese ist ein hoch koordinierter Prozess in Pflanzen, der die Pflanzenzellen mit Stoffwechselenergie und Kohlenstoffmolekülen versorgt und als Nebenprodukt Sauerstoff erzeugt.
Photosynthese findet in den Chloroplasten statt. Im Inneren der Chloroplasten gibt es ein internes System miteinander verbundener Membranen, die Thylakoide. Auf diesen Thylakoidmembranen sind Lichtsammelkomplexe gebunden, die aus Pigmenten wie Chlorophyll und aus Proteinen der Photosysteme I und II bestehen. Die Pigmente absorbieren das einfallende Licht, dessen Energie einen Elektronentransport durch die Photosysteme antreibt, was die Synthese der energiereichen Moleküle ATP und NADPH induziert. Ein Teil der Energie wird für die Fixierung von Kohlenstoffdioxid (CO2) durch das Enzym Rubisco verwendet; diese Fixierung erfolgt im Stroma und erzeugt Zucker.
Feldversuch mit Weizen. Ziel ist es, Veränderungen in der photosynthetischen Kapazität, der Pigmentzusammensetzung und der Wassernutzungseffizienz aufgrund unterschiedlicher Magnesium-Konzentrationen im Boden zu untersuchen. (Foto: Tränkner)
Die Prozesse der Photosynthese werden von zahlreichen Umweltbedingungen wie Nährstoff- und Wasserverfügbarkeit beeinflusst. Bei ungenügender oder übermäßiger Nährstoff- und Wasserversorgung verringert sich die CO2-Assimilationsrate und die Photosynthesekapazität ist begrenzt. Zum Beispiel ist unter trockenen Bedingungen die Stomataöffnung verkleinert, wodurch die CO2-Diffusion in das Innere des Blattes und damit die CO2-Versorgung der Rubisco eingeschränkt wird.
Messung der Chlorophyll-Fluoreszenz am Blatt einer Sojabohne, die für eine IAPN Studie in Nährlösung kultiviert wurde. (Foto: K+S)
Einer der Forschungsschwerpunkte am IAPN ist es, die Reaktionen in der Photosynthesekapazität auf Umweltstressfaktoren, vor allem auf Mangel an Magnesium (Mg) und Kalium (K) sowie auf Trockenheit, zu verstehen. Um die Photosynthesekapazität beurteilen zu können, werden Messungen des Blattgaswechsels und der Chlorophyllfluoreszenz genutzt. Letztere ist ein Maß für das vom Photosystem II reemittierte Licht, da die in den Chlorophyllmolekülen absorbierte Lichtenergie nicht nur photosynthetische Prozesse antreibt, sondern zum Teil als Fluoreszenz wieder abgegeben wird. Daher geben Messungen der Chlorophyllfluoreszenz wertvolle Informationen zur Effizienz der Photochemie und damit zur Produktivität von Pflanzen.
Messung des Blattgaswechsels zur Beurteilung der Photosynthese von Weizen in einem Versuch am IAPN. (Foto: K+S)
Blattgaswechsel-Messungen erfassen mittels Infrarot-Gasanalysatoren die CO2-Aufnahme aus der Atmosphäre in das Blatt. Beide Techniken – Chlorophyllfluoreszenz- und Blattgaswechsel-Messungen – sind nicht-invasiv. Sie erlauben es daher, an Pflanzen in-vivo-Beobachtungen vorzunehmen, die bei einer Überwachung der Veränderungen in der Photosynthese unter anhaltenden Stresssituationen von Nutzen sind.
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