Gewicht zunehmen durch ausgewogene Ernährung – Keine Ertragssteigerung ohne Mineralstoffe

Wir alle kennen es: Diese eine Pflanze auf der Fensterbank, die den sonnigsten Platz bekommt, regelmäßig gegossen, gehegt und gepflegt wird und trotzdem welkt... bis wir endlich daran denken das kleine bisschen Dünger zum Gießwasser zu geben.

Pflanzen besitzen die bemerkenswerte Gabe die Energie des Sonnenlichts einzufangen und in chemische Energie umzuwandeln, indem sie Kohlenstoffdioxid aus der Luft in Zucker fixieren. Als Zucker kann die Energie gespeichert werden, bis die Pflanze diese z.B. für weiteres Wachstum benötigt. Dieser Prozess heißt Photosynthese.Mit der Herausforderung eine immer größer werdende Weltbevölkerung zu ernähren, wird der Ruf lauter nach produktiveren Nutzpflanzen. Ein Ansatz die Produktivität der Nutzpflanzen zu steigern, ist die Verbesserung ihrer Photosyntheseleistung. Diese Idee ist tatsächlich nicht allzu abwegig: Die Evolution hat bereits in vielen, verschiedenen Pflanzenarten auf unvorteilhafte Umweltbedingungen reagiert, indem sie den Photosynthesevorgang verbessert und so die Leistungsfähigkeit der Pflanzen erhöht hat. Unter Anlehnung an die im Stoffwechsel entstandenen Änderungen wird dieser Mechanismus C4 Photosynthese genannt. Indem wir versuchen den Prozess der Evolution hin zu C4 Photosynthese zu verstehen und anfangen die relevanten Hebel in unseren weniger effizienten Nutzpflanzen zu betätigen, können wir die gewünschte Ertragssteigerung erreichen.

Aber Moment mal... Was hat uns unsere launische Zimmerpflanze beigebracht? Die optimale Nutzung von Sonnenlicht und Kohlenstoffdioxid ist nicht genug um unseren grünen Mitbewohner zufrieden zu stellen. Jedes Lebewesen ist auf ein breites Spektrum an Nährstoffen angewiesen um den Stoffwechsel aufrecht zu erhalten. Die Bedeutung einer ausgewogenen Ernährung für den Menschen ist allgegenwärtig und, in der Tat, das gleiche trifft auch für Pflanzen zu. Pflanzen nehmen den Großteil ihrer Nahrung aus dem Boden auf. Und ein essentieller Bestandteil ihrer Ernährung ist Schwefel. Schwefel ist an vielen wichtigen Aufgaben im Stoffwechsel von Pflanzen und Tieren beteiligt. Als Bestandteil einiger Aminosäuren, den wesentlichen Bausteinen von Proteinen, ist Schwefel an fast allen überlebenswichtigen Prozessen beteiligt. Zusätzlich wird er in andere vorteilhaften Stoffwechselprodukte eingebaut und schützt Pflanzen so z.B. vor Fressfeinden und dem pflanzlichen Äquivalent eines Sonnenbrands. Unterernährung kann also auch für Pflanzen katastrophale Folgen haben.

Bedenkt man die Bedeutung von Photosynthese und Ernährung für das Wohlergehen der Pflanzen,  so ergeben sich einige wichtige Fragen: Welche Rolle spielt die pflanzlichen Versorgung mit Schwefel in der Evolution der C4 Photosynthese? Wie beeinflusst das gesteigerte Wachstum der Pflanzen die Schwefel-Stoffwechselprozesse? Oder beeinflusst die Schwefelernährung sogar die Entwicklung der C4 Photosynthese? Welche Rolle spielt dabei die Umwelt? Und würde eine C4 Pflanze auf der Fensterbank es eher verzeihen, wenn man vergisst eine neue Packung Dünger zu kaufen? Im CEPLAS Forschungsfeld B „C4 Photosynthese“ möchten wir diese Fragen beantworten um so dem Ziel näher zu kommen die vielseitigen Bausteine einer C4 Pflanze zu verstehen.

Silke Weckopp, Botanisches Institut, Universität zu Köln

Planter’s Punch

Unter der Rubrik Planter’s Punch wird jeden Monat ein bestimmter Aspekt des CEPLAS Forschungsprogramms vorgestellt. Alle Beiträge werden von Mitgliedern der Graduiertenschule und des Postdoc Programms erstellt.

Weiterführende Literatur

Hibberd, J. M., Sheehy, J. E. and Langdale, J. A. (2008). "Using C4 photosynthesis to increase the yield of rice-rationale and feasibility." Curr Opin Plant Biol 11(2): 228-231. [Abstract]
Koprivova, A., Melzer, M., von Ballmoos, P., Mandel, T., Brunold, C. and Kopriva, S. (2001). "Assimilatory sulfate reduction in C3, C3-C4, and C4 species of Flaveria." Plant Physiol 127(2): 543-550. [Abstract]
Weckopp, S. C. and Kopriva, S. (2014). "Are changes in sulfate assimilation pathway needed for evolution of C4 photosynthesis?" Front Plant Sci 5: 773. [Abstract]

Heinrich Heine University
University of Cologne
Max Planck Institute for Plant Breeding Research
Forschungszentrum Jülich