Wie Pflanzen schlechten Lichtbedingungen trotzen

Mit Licht vollbringen Pflanzen wahre Wunder. Sie nutzen das klimaschädliche Kohlendioxid, um lebenswichtigen Sauerstoff und Glucose herzustellen und garantieren damit das Leben auf der Erde. Und das, obwohl die Lichtbedingungen für Pflanzen in der Regel alles andere als optimal sind.

Wälder, Felder, Wiesen - überall wachsen sie eng beieinander und nehmen sich dadurch gegenseitig das Licht weg. Doch selbst unter extremsten Bedingungen sind Pflanzen in der Lage Photosynthese zu betreiben. Sie sind Meister im Anpassen an spezifische Umweltbedingungen.

Welche Reaktionen dabei in der Pflanze ablaufen und wie sie ihren Photosyntheseapparat umstrukturiert, um das Licht besser auszunutzen, ist bisher nur in Grundzügen bekannt. Pflanzenphysiologen der Universität Jena haben jetzt einige der Mechanismen genauer untersucht. Dabei haben sie sich besonders auf die Regulation der Gene konzentriert.

Wie schnell und umfangreich sich verändernde Lichtverhältnisse auf die Genexpression auswirken, sollte untersucht werden. Dazu wurden im Labor unterschiedliche natürliche Lichtverhältnisse nachgestellt und die Veränderungen in der Pflanze untersucht. Pflanzen geben Kurz- wie auch Langzeitantworten auf veränderte Lichtqualität, so das Ergebnis der Studie. Es stellte sich heraus, dass die Regulation der Gene wesentlich komplexer und schneller ist als bisher angenommen wurde. So haben die Wissenschaftler bereits innerhalb von 30 Minuten Veränderungen in der Expression einiger hundert Gene beobachten können. Das Überraschende dabei ist, dass neben Photosynthese-Genen auch viele Metabolismus-Gene betroffen sind. Dies spiegelte sich auch in Veränderungen des Stoffwechsels wider.

Einer der veränderten Parameter war Stärke, konstant blieb dagegen die Produktion des Transportzuckers Sucrose. Die Forscher deuten diese Ressourcen-Verschiebung als eine Taktik der Pflanze, um die Konzentration an Transportzucker trotz veränderter Bedingungen weitgehend konstant zu halten.

Damit konnten die Pflanzenforscher an der Universität Jena erstmals zeigen, dass nicht nur der Photosynthese-Apparat der Pflanze umgebaut, sondern auch ihr metabolischer Zustand entsprechend angepasst wird. Damit wird deutlich, dass die Photosynthese nicht einfach nur einen passiven, Energie fixierenden Prozess darstellt, sondern das diese Reaktion gleichzeitig als Umweltsensor wirkt. Wenn nötig, reguliert sie die Expression ihrer eigenen Gene und passt die gekoppelten Stoffwechselprozesse an ihren jeweiligen Funktionszustand an.

Zukünftig wollen die Jenaer Forscher die einzelnen Vorgänge noch detaillierter untersuchen und an landwirtschaftlich relevanten Arten wie Mais und Raps weiterführen. Ziel ist es, durch ein vertiefendes Verständnis der Anpassungsprozesse gezielt solche Pflanzen zu erzeugen, die mit den speziellen Lichtbedingungen auf Feldern besser zurechtkommen. Dann könnten die Erträge von Nutzpflanzen als Nahrungsmittel und Energieträger in Zukunft vielleicht erheblich gesteigert werden.