Wie Pflanzen Sonnenlicht effizient nutzen

Erneuerbare Energie aus Sonnenlicht – Wissenschaft und Industrie arbeiten intensiv an der effizienten Nutzung dieser schier unerschöpflichen Energiequelle.

Doch noch hapert es an der Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit der Technik: Neben einem möglichst hohen Wirkungsgrad der Solarzellen muss auch deren Ausrichtung stimmen. „Ein Problem, das es auch in der Natur gibt“, wie PD Dr. Thomas Pfannschmidt von der Friedrich-Schiller-Universität Jena weiß.

„Auch für Pflanzen, die mittels Photosynthese Kohlendioxid in Zucker umwandeln und damit die Sonnenenergie für die Biosphäre der Erde erst chemisch nutzbar machen, sind die Lichtverhältnisse meist nicht optimal“, erläutert der Pflanzenphysiologe. Ob im dichten Wald, auf Feldern oder Wiesen – meist bekommen nur die exponierten Pflanzenteile ausreichend Sonnenlicht ab. „Dies ist gerade einmal ein Fünftel der Blattfläche einer Pflanze, der Rest muss mit Licht auskommen, das für eine effiziente Photosynthese eigentlich nicht geeignet ist“, so Pfannschmidt.

Doch bei der Lösung dieses Problems ist die Natur dem Menschen um einiges voraus. Die Pflanzen sind in der Lage, sich den vorherrschenden Umweltbedingungen anzupassen. „Je nach Standort wird ihr Photosynthese-Apparat so umstrukturiert, dass er das vorhandene Licht optimal ausnutzen kann“, weiß Dr. Pfannschmidt. Für seine grundlegenden Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Photosynthese von Pflanzen und ihrer genetischen Regulierungsmechanismen ist der Jenaer Wissenschaftler jetzt mit dem Preis für das beste Paper aus dem Bereich der Grundlagenforschung von der US-amerikanischen Rebeiz Foundation ausgezeichnet worden.

Ziel dieser Stiftung ist es, exzellente Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Biochemie und Molekularbiologie von Chloroplasten auszuzeichnen. Der Preis ist mit 1.000 US-Dollar dotiert und würdigt richtungsweisende Forschungsergebnisse, die im vergangenen Jahr im international renommierten Journal „The Plant Cell“ erschienen sind.

Zusammen mit Arbeitsgruppen aus München, Golm, Heidelberg, Greifswald und Bielefeld konnten Dr. Pfannschmidt und sein Team zeigen, wie die vorherrschenden Lichtverhältnisse die Genexpression in der Modellpflanze ,Arabidopsis thaliana‘ (Acker-Schmalwand) ändern. Dafür stellten die Forscher natürliche Lichtgradienten im Labor nach und analysierten die molekularen Anpassungsreaktionen der Pflanzen mit systembiologischen Methoden auf mehreren Ebenen gleichzeitig.

Die Arbeitsgruppe an der Universität Jena konnte in der nun ausgezeichneten Arbeit erstmals zeigen, dass nicht nur Gene, die den Photosynthese-Apparat der Pflanze regulieren, auf veränderte Lichtbedingungen reagieren, sondern auch Gene, die den Stoffwechsel beeinflussen. Damit kann die Pflanze gezielt ihren Metabolismus umdirigieren und so ihre energetischen Bedürfnisse den Lichtbedingungen anpassen. „Diese Ergebnisse sind insbesondere auch für die expandierende Forschung zur Gewinnung von Energie aus Biomasse von großem Interesse“, unterstreicht Dr. Pfannschmidt.

„Der Preis ist eine große Auszeichnung für das ganze Team“, freut sich der Jenaer Pflanzenphysiologe. „Er zeigt, wie aufmerksam unsere Arbeiten auch international beobachtet werden und bekräftigt uns, in dieser Richtung weiterzumachen. Ein besonderer Dank geht natürlich an unsere exzellenten Kooperationspartner, die durch ihre technische Unterstützung eine solch umfangreiche Studie erst möglich machten. Es freut mich sehr, dass die viele Arbeit meiner Mitarbeiter Katharina Bräutigam und Lars Dietzel letztendlich so erfolgreich war“, sagt Dr. Pfannschmidt.

Eine Fortsetzung der Arbeiten sei auf jeden Fall gesichert. Erst kürzlich wurde die weitere finanzielle Förderung des Projektes mit zwei neuen Doktorandenstellen durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen der Forschergruppe 804 „Retrograde signaling in plants“ genehmigt.

Original-Publikation:
Bräutigam, K. et al (2009). Dynamic plastid redox signals integrate gene expression and metabolism to induce distinct metabolic states in photosynthetic acclimation in Arabidopsis. Plant Cell 21, 2715-2732.
Kontakt:
PD Dr. Thomas Pfannschmidt
Institut für Allgemeine Botanik und Pflanzenphysiologie der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Dornburger Straße 159
07743 Jena
Tel.: 03641 / 949236
E-Mail: thomas.pfannschmidt[at]uni-jena.de