Im Dunkeln ist zwar gut munkeln, aber mit der Photosynthese sieht es dann eher mau aus: Der chemische Prozess, in dem Landpflanzen und Grünalgen Biomasse aufbauen, benötigt neben Kohlendioxid und Wasser vor allem Sonnenlicht als Energiequelle. Nachts und bei schwachem Licht kommt dieser Prozess zum Stillstand oder arbeitet sehr ineffizient. Würde die Pflanze die komplette biochemische Maschinerie der Photosynthese in vollem Umfang aktiv halten, wäre das eine ziemliche Energieverschwendung. Deshalb haben Pflanzenzellen eine Art Schalter entwickelt, der die Photosynthese abhängig von der Lichtintensität an- oder ausschaltet. Dessen Arbeitsweise hat nun ein Forschungsteam der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf gemeinsam mit einer Gruppe aus Japan im Fachjournal PNAS näher beschrieben.

Den Ausschalter entfernt

Die zentrale Rolle in der Untersuchung spielt dabei das Enzym Malat-Dehydrogenase. Es besitzt wie viele der an der Photosynthese beteiligten Enzyme einen Abschnitt, an dem eine sogenannte Redox-Reaktion erfolgt. Sie schaltet das Enzym lichtabhängig ein oder aus. Für ihre Studie haben die Fachleute nun dieses Enzym in der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) mit Hilfe der Genschere CRISPR/Cas9 gentechnisch so verändert, dass die Malat-Dehydrogenase unabhängig vom Licht jederzeit aktiv ist. Die Zellen der Pflanze können ihr Photosyntheseverhalten damit nicht mehr an die Umweltbedingungen anpassen.

Bedeutung bei schwankenden Lichtverhältnissen

Aus dem Vergleich mit nicht veränderten Pflanzen konnte das Forschungsteam erkennen, dass der entfernte Schalter tatsächlich jenen Mechanismus verkörpert, der das Enzym während der Dunkelphasen abschaltet. Unter bei uns üblichen Bedingungen mit etwa acht Stunden Sonnenlicht am Tag blieb überraschenderweise jedoch weitgehend folgenlos, wenn der Schalter entfernt und das Enzym daueraktiv war. Die Erklärung dafür ist noch offen, doch könnte diese Energieverschwendung in den Dunkelphasen durch eine höhere Enzymaktivität in der Energieerzeugung kompensiert werden, mutmaßen die Fachleute. Schwankten die Lichtbedingungen stark oder war die Tageslichtdauer kurz, wirkte sich das Fehlen des Schalters erwartungsgemäß negativ auf das Wachstum aus.

Anpassung der Pflanzen an Anbauregionen

Der Biochemiker Andreas Weber von der Universität Düsseldorf resümiert daher: „Die Arbeit zeigt die Bedeutung der Redox-Regulation von Enzymaktivitäten in Chloroplasten für eine kontinuierliche Anpassung von Pflanzen an sich dynamisch ändernde Umweltbedingungen, insbesondere die Lichtbedingungen.“ Hierüber könnten möglicherweise in der Folge auch Pflanzen speziell auf unterschiedliche Lichtbedingungen angepasst werden, so dass verschiedene Varianten in unterschiedlichen Anbaugebieten gute Erträge liefern könnten.

bl