Vom Molekül zum System
Pflanzen sind auf unserem Planeten die einzigen mengenmäßig relevanten Primärproduzenten: sie bilden die Grundlage für alles Leben auf der Erde. Mit Hilfe der Energie des Sonnenlichts wandeln sie das anorganische Kohlendioxid (CO2) in organische Verbindungen um. Dabei bilden die höheren Pflanzen komplexe Systeme, die arbeitsteilig organisiert sind und differenziert auf Veränderungen ihrer Umwelt reagieren können. Wir wollen verstehen, wie ein komplexer Organismus, der ohne ein zentrales Steuerorgan auskommt, die Herausforderungen seiner Umwelt meistert.
Unsere Forschung setzt auf der Ebene einzelner, photosynthetisch aktiver Zellen an, die in viele Reaktionsräume aufgeteilt sind. Diese subzelluläre Kompartimentierung erlaubt es, unterschiedliche "Mikroklimate" in einer Zelle zu erzeugen, in denen biochemische Reaktionen ablaufen, die sich gegenseitig stören würden. Aber sie macht auch zahlreiche Transportvorgänge nötig, damit die Kompartimente miteinander interagieren können. Wie diese Interaktion organisiert ist, ist ein Gegenstand unserer Forschung. Dabei setzen wir die Methode der "nicht-wässrige Fraktionierung" von Kompartimenten ein (s. Abb. links).
Zellen bilden Gewebe und diese wiederum Organe, die unterschiedliche Aufgaben haben: die grünen Blätter versorgen die Wurzeln und Blüten mit Energie und Bausteinen für den Zellaufbau; die Wurzel liefert Wasser und mineralische Nährstoffe. Grüne Organe werden als "sources" - Quellen organischer Verbindungen - bezeichnet; deren Empfänger als "sinks". Die Beziehungen zwischen sinks und sources sind sehr kompliziert. Tags wird in den grünen Blättern CO2 fixiert (s. Abb. links: CO2 Aufnahme in nmol/h *g Gewebe) - aber nachts müssen die Blätter Reservestoffe abbauen, um die sinks zu beliefern und dabei auch ihren eigenen Energiebedarf decken.
In den gemäßigten Klimaten stellt auch der Wechsel der Jahreszeiten die Pflanzen vor Herausforderungen: Im Frühjahr gilt es, sich gegen Konkorrenten durchzusetzen. Im Sommer kann es zu Wassermangel kommen. Und im Winter erfordern niedrige Temperaturen einen Schutz vor Schädigung durch Frost (s. Abb links). Wie Pflanzen auf ihre Umwelt reagieren, ist einer der Schwerpunkte unserer Forschung.
In allen Arbeitsgebieten setzen wir mathematische Modellierung ein, um mit komplexen Zusammenhängen und großen Datenmengen besser umgehen zu können. Unser Ziel ist es, pflanzlichen Stoffwechsel am Computer simulieren zu können (s. Abb links) - damit wir berechnen können, wie sich eine Pflanze verhält, wenn sich ihre Umwelt ändert.