Forschungsziele

Zu den Schlüsselzielen der Integrativen Pflanzen Wissenschaft gehört die umfassende Analyse der Photosynthese und die Anpassung ihrer Abläufe an sich ändernde Umweltbedingen. Die dazu notwendigen Untersuchungen werden mithilfe einer modellierten Grünalge durchgeführt. Die anhand der Arbeit mit einem solchen einfachen Organismus gewonnenen Erkenntnisse sollen später auf höhere Pflanzen, insbesondere auf Nutzpflanzen, angewendet werden und die Grundlage der weiteren Forschung bilden. Die Photosynthese spielt für das schnelle Wachstum der Pflanzen und eine ertragreiche Ernte eine wesentliche Rolle. Doch noch wichtiger ist, dass sie einen entscheidenden Einfluss auf die Erhaltung der Artenvielfalt und des ökologischen Gleichgewichts hat. Deshalb ist die Photosynthese ein bedeutender Faktor für die Qualität der Biosphäre der Erde, die wiederum die Beschaffenheit der Atmosphäre beeinflusst, mit allen Folgen, die das für das globale Klima und den Treibhauseffekt hat. Die Kraft der Photosynthese kann die Biosphäre und die Atmosphäre positiv beeinflussen.

Die Photosynthese ist ein Prozess, der nur in einzelligen Algen und komplexeren mehrzelligen Grünpflanzen stattfindet. Sie kann deshalb nicht anhand von Modellen anderer Bio-Organismen simuliert werden. Ein Organismus, der sich vorzüglich zur Modellierung aller mit der Photosynthese verbundenen Vorgänge eignet, ist die Grünalge Chlamydomonas reinhardtii. Die Forschungsarbeiten mit diesem Einzeller beantworten nicht nur die Frage, wie ein solcher Organismus auf Licht reagiert, sondern es wird auch ergründet, wie sich Veränderungen der Mineralzusammensetzung des Wassers oder des Bodens auf ihn auswirken.

Es gibt zwei Hauptgründe, aus denen die Integrative Pflanzen Wissenschaft sich der Klärung dieser Fragen mithilfe einer einzelligen Alge nähert, und nicht die Stoffwechselvorgänge einer komplexer strukturierten Nutzpflanze modelliert: Erstens sind die zentralen Prozesse der Photosynthese der Algen, trotz der Evolution, im Wesentlichen immer noch die selben, die auch während der Photosynthese der höheren Kulturpflanzen ablaufen. Zweitens lassen sich an einem Einzeller die grundlegenden Prozesse des Wachstums und des Zellstoffwechsels viel klarer analysieren, als an einem komplizierteren, multifunktionelleren Organismus. Bei der Grünalge können genau die Prozesse beobachtet werden, die die wesentliche Grundlage der Photosynthese sind. Von ihnen ausgehend ist es möglich, die Funktionen der höheren Pflanzen genauer zu analysieren.

Die weiteren Forschungsarbeiten finden in zwei Phasen statt: In der ersten Phase werden aus den, während der Arbeit mit der Grünalge gesammelten, Informationen diejenigen herausgefiltert, die Zusammenhänge zwischen Umweltfaktoren und organischen Stoffwechselprozessen verdeutlichen, die auf die gleiche Weise bei der Photosynthese der höheren Kulturpflanzen vorhanden sind. Dazu gehören zum Beispiel die Wechselwirkung zwischen Lichtstärke, Temperatur und Wachstum sowie die Wechselwirkung zwischen Lichtaufnahme und Freisetzung von Sauerstoff.

In der zweiten Phase soll die Übertragbarkeit der Ergebnisse der Forschungsarbeit an der Grünalge auf höhere Kultur- oder Wildpflanzen getestet werden. Das geschieht durch die Analyse des Verhaltens dieser Pflanzen unter vergleichbaren Umweltbedingungen. Dabei gilt dem molekularen Mechanismen der Kultur- oder Wildpflanzen besondere Aufmerksamkeit. In dieser Phase wird getestet, inwiefern die Pflanzen bestimmte natürliche Gegebenheiten für sich nutzen können. Dabei kann durch Erstellung von Modellpflanzen, die grundverschiedene Eigenschaften haben, beobachtet werden, wie solche Pflanzentypen auf veränderte Umweltbedingungen reagieren.

Verwendet werden die Ackerschmalwand, ein robustes Wildkraut, und die Tomate, eine empfindliche Kulturpflanze. Beide haben sich auf natürliche Weise während einer langen Evolutionszeit ihren jeweiligen Lebensbedingungen angepasst. Dabei konnten sie auf verschiedene Art ihre Gene weiterentwickeln. Das ist entweder durch eine Verschmelzung von ursprünglichen Genen zu neuen oder durch Genmutation geschehen. Die Modellierung der heutigen Gene dieser beiden Pflanzen gibt Aufschluss darüber, welche Eigenschaften für sie zur Sicherstellung des photosynthetischen Prozesses, unter den Bedingungen ihrer jeweiligen Lebensräume, essentiell sind. Das Ziel dieser Forschungen besteht darin, Pflanzen zu züchten, die auf vorhandenen Böden und unter den zukünftigen klimatischen Verhältnissen gut gedeihen können.