Im Dezember 2014 hat Max Heeke von detektor.fm das Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie besucht und sich mit unserem Direktor Prof. Mark Stitt über die Photosynthese unterhalten. Dabei ging es vor allem um die sogenannten C3- und C4- Pflanzen und wie deren Erforschung mit der Ernährung der Weltbevölkerung zusammenhängt.
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Die meisten Pflanzen betreiben eine so genannte C3-Fotosynthese. Sie ist die älteste und bei gemäßigten Temperatur- und Lichtverhältnissen auch wirkungsvollere Art der Bindung des Kohlenstoffdioxids, das über die Spaltöffnungen passiv aufgenommen wird.
Wie in den Grundlagen erläutert, ist das Kernstück der lichtunabhängigen Reaktion, auch als Dunkelreaktion bezeichnet, das Enzym RuBisCo, das die Kohlenstoffdioxidfixierung katalysiert.
Es entstehen im ersten Schritt der CO2 -Fixierung im Calvin-Benson-Zyklus mit Hilfe des Enzyms RuBisCo aus einem Molekül Kohlendioxid und Ribulose 1,5-bisphosphat zwei Moleküle 3-Phosphoglycerat (3-PGA). Von dieser Verbindung, die aus drei Kohlenstoffatomen aufgebaut ist, leitet sich der Name C3-Fotosynthese ab und alle Pflanzen, die diese Art der Fotosynthese betreiben werden als C3-Pflanzen bezeichnet. 90 Prozent aller Landpflanzen gehören zu den C3-Pflanzen, wie z.B. Weizen und Reis. Erdgeschichtlich sind diese Pflanzen zuerst entstanden, da die Atmosphäre reich an CO2 war.
Was die Pflanzen nicht vorhergesehen hatten – Fehler im System
Vor ca. 4,6 Milliarden Jahren war in der Erdatmosphäre so gut wie kein Sauerstoff enthalten, dafür war die Kohlenstoffdioxidkonzentration hoch. Man vermutet bis zu ca. 20 Prozent. Durch die Entwicklung von fotosynthetisch aktiven Bakterien, Algen und später auch Pflanzen reicherte sich die Atmosphäre mit Sauerstoff an und Kohlenstoffdioxid nahm ab. Der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre beträgt heute 21 Prozent, der CO2-Anteil liegt bei 0,04 Prozent. Diese Umkehrung der Verhältnisse blieb für die Fotosynthese nicht ohne Folgen.
Das Enzym RuBisCo, das für die CO2-Fixierung zuständig ist, kann nämlich sowohl mit CO2 als auch mit O2 reagieren. Durch die Abnahme des Kohlenstoffdioxids und die Sauerstoffanreicherung in der Atmosphäre, die die Pflanzen selber mit verursacht haben, sinkt die Effektivität der Fotosynthese, da die Wahrscheinlichkeit, dass das Enzym RuBisCo auf ein Sauerstoffatom stößt viel größer ist, als auf ein CO2-Atom zu stoßen.
Verstärkt wird dieses Problem bei Trockenheit bzw. steigenden Temperaturen. Die Spaltöffnungen des Blattes werden dann geschlossen, um Wasserverluste zu verringern. Deshalb gelangt weniger CO2 in die Zellen. Diese Situation führt insgesamt dazu, dass weniger Zucker entsteht, also die Fotosynthese weniger effektiv arbeitet.
Die Evolution „rettet“ ihre Kinder – Entstehung von C4– und CAM-Pflanzen
Bei den Pflanzen, die einen C3-Stoffwechsel betreiben, gelangt das Kohlenstoffdioxid passiv durch die Spaltöffnungen in die Zellen, um dann im Zuge des Calvin-Benson-Zyklus fixiert zu werden. Man nimmt heute an, dass der vor ca. 30 Millionen Jahren, während des Oligozäns, einsetzende Kohlenstoffdioxidrückgang die Grundvoraussetzung war für die Entwicklung bestimmter Pflanzen, deren Fotosynthese anders verläuft, als die der C3 Pflanzen. Nach einem ersten Evolutionsschub haben weiter sinkende CO2 Konzentrationen bei gleichzeitigem Anstieg der Sauerstoffkonzentrationen in der Atmosphäre und lokalen Faktoren, wie hohe Temperaturen, geringe Niederschlagsmengen und Trockenheit, sowie hoher Lichteinfall bei der Entstehung dieser Art von Pflanzen eine Rolle gespielt. Pflanzen des C4 Typs sind in 19 Pflanzenfamilien bis zu 61 Mal unabhängig voneinander entstanden. Es gibt sechs globale Zentren, die als Keimzelle für diese Pflanzen gelten: Nord- und Südamerika, Südafrika, Nordostafrika und Arabien, sowie Zentralasien und Australien.
Während in C3 Pflanzen die CO2-Fixierung und der sich daran anschließende Stoffwechsel, der zur Bildung von Zuckern führt in ein und demselben Zelltyp abläuft, sind bei C4 – bzw. CAM-Pflanzen diese Abläufe entweder räumlich oder zeitlich voneinander getrennt.
Einerseits nehmen C4 Pflanzen im Unterschied zu den C3 Pflanzen CO2 aktiv unter Energieverbrauch auf, das dann in den sogenannten Mesophyllzellen fixiert wird. Hierbei entsteht statt einer Verbindung, die aus 3 C-Atomen besteht (Phosphoglycerinsäure), eine Verbindung, die über 4 C-Atome verfügt (Oxalacetat). Das in Form der 4-C Verbindung gebundene CO2 wird über besondere Verbindungen in die angrenzenden Bündelscheidenzellen transportiert und wird dort freigesetzt. Es sammelt sich in diesen Zellen an, so dass hohe CO2 Konzentrationen entstehen, die ca. 10-mal höher sind als in der Außenluft und die so für die RuBisCo zur Verfügung stehen, die dort wie bei den C3 Pflanzen für die weitere Umsetzung sorgt aber mit starker Unterdrückung der verschwenderischen Nebenreaktion mit Sauerstoff. Durch den Trick der aktiven Aufnahme und der räumlichen Trennung der Stoffwechselwege ist die Fotosynthese dieser Pflanzen effizienter als in C3 Pflanzen, vor allem bei höheren Temperaturen. Das Temperaturoptimum dieser Pflanzen liegt bei 30 bis 47 Grad Celsius, während es bei C3 Pflanzen bei 15 bis 25 Grad Celsius liegt.
Bei zunehmender Trockenheit und höheren Temperaturen sind diese C4 Pflanzen unseren C3 Pflanzen überlegen. Die Pflanzen erreichen hohe Biomasseerträge. Zu den C4 Pflanzen gehören u.a. Mais, Zuckerrohr, Amarant und Hirse.
Aufnahme von Kohlenstoffdioxid während der Nacht – CAM-Pflanzen
Bei anderen Pflanzen, wie beispielsweise Kakteen geht es nicht um die räumliche Trennung dieser Abläufe, sondern um die zeitliche Trennung. So öffnen Wüstenpflanzen nachts ihre Spaltöffnungen, um Kohlenstoffdioxid aufzunehmen. Auch hier entsteht in einem ersten Schritt zunächst eine Verbindung mit 4 C-Atomen (Äpfelsäure). Diese wird nach einem weiteren Umbau in den Vakuolen der Zelle gespeichert. Tagsüber, wenn die Spaltöffnungen geschlossen sind um Wasser zu sparen, wird CO2 aus der in der Vakuole gespeicherten Äpfelsäure freigesetzt und kann dann für die Fotosynthese genutzt werden. Man nennt diese Pflanzen, zu denen beispielsweise Kakteen und Ananasgewächse gehören auch CAM-Pflanzen, wobei CAM für Crassulaceen-Säurestoffwechsel (engl. Crassulacean acid metabolism) steht.
Wenn Ihr mehr über die Fotosynthese lernen möchtet, schaut doch mal unter „pimp your brain“ Filme zur Fotosynthese auf unserem YouTube Kanal.
Prof. em. Dr. Mark Stitt erklärt die CAM-Fotosynthese, die z.B. von Kakteen genutzt wird. Unter extremen Umweltbedingungen – wie in der Wüste – müssen sich Pflanzen eines Tricks bedienen, um Fotosynthese betreiben und somit wachsen zu können, was sie im wahrsten Sinne des Wortes ziemlich sauer macht.
Pflanzen: sie sind grün und kommen in den verschiedensten Formen vor. Sie bilden die unterschiedlichsten Lebensräume und liefern so die Voraussetzung für die Artenvielfalt. Sie beeinflussen aufgrund ihrer Fotosynthese die Luftzusammensetzung und haben zusammen mit Bakterien menschliches und tierisches
Neben dem „Primärstoffwechsel“ gibt es den sogenannten „Sekundärstoffwechsel“, in dem Inhaltsstoffe gebildet werden, die nicht zur Energieversorgung bzw. zur Synthese universaler Baubestandteile der Zelle beitragen. Primär- und Sekundärstoffwechsel lassen sich nicht immer einfach voneinander abgrenzen, da es viele Querverbindungen gibt und Zwischenprodukte des Primärstoffwechsels in den Sekundärstoffwechsel einfließen.
Nahrungspflanzen werden zur Ernährung von Menschen genutzt. Wobei je nach Pflanzenart unterschiedliche Pflanzenteile wie Stängel, Wurzeln, Blätter, Blüten, Früchte oder Samen der Ernährung dienen. Auf unseren Webseiten könnt Ihr Bekanntschaft mit einigen ihrer wichtigsten Vertreter machen. So stellen wir Euch verschiedene Getreidearten, sowie Mais und Kartoffeln vor, und Ihr könnt auch einige Gemüse kennenlernen. Über jede dieser Kulturpflanzenarten gibt es interessante Geschichten zu ihrer Herkunft, Züchtung und ihren Anbau.
Der wichtigste biochemische Prozess auf der Erde ist die Fotosynthese. Da in der Fotosynthese die für das Wachstum und die Entwicklung der Pflanzen notwendigen Stoffe gebildet werden, bezeichnet man den Prozess auch als Grund- oder Primärstoffwechsel bzw. mittlerweile meist als Zentralstoffwechsel.
Nutzpflanzen sind Kulturpflanzen und vom Menschen genutzte Wildpflanzen. Sie können als Nahrungs- und Futterpflanzen, zur Energiegewinnung oder als Rohstoffquelle für die Industrie genutzt werden. Kulturpflanzen sind durch Auslese und bewusste Züchtungsarbeit aus Wildarten entstanden und unterscheiden sich durch genetische und morphologische Merkmale von ihren Wildformen und werden vom Menschen gezielt angebaut.
Wenn man Pflanzen kreuzt, werden die neuen Merkmale oft erst an den ausgewachsenen Pflanzen sichtbar. Möchte man vorher wissen ob ein Keimling die gewünschte Kombination von Eigenschaften erhalten hat, kann man im Labor seine DNA vervielfältigen und untersuchen.
Die Erbinformation ist sehr wertvoll und darf unter keinerlei Umständen beschädigt werden. Deswegen verbleibt die DNA immer im Zellkern. Da die Proteinsynthese aber im Zellplasma stattfindet, wird als Transportform die mRNA genutzt. Diese kann nach Bedarf auf- und abgebaut werden. Der Gehalt an mRNA korreliert mit der Menge an gebildetem Protein. Zerstört man eine bestimmte mRNA, kann auch das von ihr kodierende Protein nicht mehr gebildet werden.
Pflanzen ernähren sich nur von Luft, Licht und Wasser? Falsch. Sie sind auf eine ganze Reihe Nährstoffe angewiesen. Man unterscheidet dabei zwischen Makro- und Mikronährstoffen. Von den Mikronährstoffen brauchen Pflanzen nur wenig, dazu gehören Eisen, Zink, Kupfer und Nickel. Die Makronährstoffe Stickstoff, Phosphor und Schwefel muss die Pflanze hingegen in großen Mengen aufnehmen.
