Kapazität und Effizienz von Photosynthese und photoprotektiven Mechanismen unter Magnesiummangel in Nutzpflanzen

Magnesium (Mg) wird oft als das „vergessene Element“ bezeichnet, da es in vielen Regionen der Welt in der Pflanzenernährung vernachlässigt wird. Es spielt verschiedene wichtige Rollen in der Pflanzenphysiologie während des Wachstums und der Entwicklung. Da Mg das Zentralatom des Chlorophyllmoleküls ist, verursacht Mg-Mangel Chlorophyllabbau. Mg agiert als Kofaktor für das wichtige Enzym in der Photosynthese: Ribulose-1,5-bisphosphat-carboxylase/-oxygenase, Rubisco. Es ist bekannt, dass unter Mg-Mangel die Aktivität von Rubisco reduziert ist. Da Mg ein wichtiges Element im Photosyntheseapparat ist, wirkt sich sein Mangel auf die Assimilation von Kohlenstoffdioxid (CO₂) und dadurch auf die stomatäre Leitfähigkeit aus.

Bei Mg-Mangel nimmt die Kapazität zur CO₂-Fixierung ab, wodurch nur ein kleiner Teil der Lichtenergie in biochemische Energie umgewandelt wird. Die überschüssige Energie in der Pflanze begünstigt die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS). Diese sind giftig, schädigen das photosynthetische System und verursachen Zellschäden.

Um mit der überschüssigen Energie zurechtzukommen, haben Pflanzen sogenannte photoprotektive Mechanismen entwickelt. Einer dieser Mechanismen ist die ROS-Detoxifikation mittels verschiedener Enzyme. Ein anderer Mechanismus ist die Dissipation der exzessiven Energie in Wärme, er wird als nicht-photochemisches Quenchen (NPQ) bezeichnet und beinhaltet den Xanthophyll-Zyklus. Wenn im Photosyntheseapparat die Absorption von Licht zunimmt, verringert sich der pH-Wert im Thylakoid-Lumen (Membran zwischen Lumen und Stroma). Dadurch wird das Enzym Violaxanthin-Deepoxidase aktiviert. Dieses Enzym wandelt das Pigment Violaxanthin in Zeaxanthin um und initiiert dabei den Mechanismus des NPQ. Wenn die Lichtabsorption abnimmt, erhöht sich der pH-Wert und Zeaxanthin wird wieder zu Violaxanthin umgewandelt.

Der NPQ-Mechanismus ist noch nicht vollständig entschlüsselt und die Wirkung von Mg-Ernährung auf die Regulierung von NPQ kaum erforscht. Daher zielt das Promotionsprojekt von Setareh Jamali Jaghdani darauf ab, die Veränderungen in der Photoprotektion und in photosynthetischen Prozessen unter unterschiedlichen Mg-Versorgungsgraden zu verstehen. Der vollständige Titel des Projektes lautet: "Capacity and efficiency of photosynthesis and photoprotective mechanisms under magnesium deficiency in crop plants – linking plant physiology with plant genomic and proteomic reactions".

Im ersten Jahr ihrer Doktorarbeit führte Setareh Jamali Jaghdani Versuche mit verschiedenen Mg-Konzentrationen in unterschiedlichen Nutzpflanzen wie Weizen, Sonnenblume und Gerste durch. Ziel war es, herauszufinden, wie hoch die Mg-Versorgung mindestens sein muss, um einen unmittelbaren Effekt auf die Photosyntheserate und die photosynthetische Effizienz zu haben. Die Ergebnisse wurden in Zusammenarbeit mit Juniorprofessorin Dr. Merle Tränkner im Herbst 2019 in der Fachzeitschrift Plant Physiology and Biochemistry veröffentlicht.

Im zweiten Jahr führte sie Versuche an Gerstenpflanzen durch, die unter verschiedenen Mg-Versorgungsgraden angezogen wurden. Ziel war es zum einen, die Photosyntheseeffizienz und CO₂-Assimilation zu beurteilen. Zum anderen sollte die Stärke des oxidativen Stresses untersucht werden. Zu diesem Zweck wurde die Expression von Genen analysiert, die mit Enzymen in Verbindung stehen, die für die ROS-Detoxifikation verantwortlich sind, wie zum Beispiel Superoxiddismutase (SOD), Ascorbat-Peroxidase (APX) and Glutathion-Reduktase (GR) und Katalase (CAT). Um die Messungen von NPQ zu vervollständigen, extrahierte Setareh Jamali Jaghdani die Pigmente, die am Xanthophyll-Zyklus beteiligt sind, einschließlich Violaxanthin und Zeaxanthin, um sie zu quantifizieren. Ende 2020 wurden die Ergebnisse in der Fachzeitschrift Plant Science veröffentlicht. Mitautoren sind Merle Tränkner und Professor Dr. Peter Jahns vom Institut für Biochemie der Pflanzen an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf.

Finanziert wurde das Promotionsprojekt von K+S Minerals and Agriculture GmbH.