Sink-Source Interaktion

Abteilung Pflanzen-Biotechnologie

Wie arbeiten Organe einer Pflanze zusammen?

Regulation des Primärstoffwechsels: sink / source Interaktionen

Pflanzen sind die auf unserem Planeten bei weitem bedeutendsten Primärproduzenten - d.h. sie liefern die stoffliche Grundlage für das Leben auf unserem Planeten. Allerdings produzieren sie nur tagsüber, wenn Licht zur Verfügung steht. Nachts sind sie selbst Verbraucher von energiereichen Kohlenstoff-verbindungen. Die nebenstehende Abbildung zeigt die Aufnahme von CO2 [nmol/g Frischgewicht*h] durch zwei verschiedene Arabidopsis-Pflanzen über einen ganzen Tag mit einer Lichtphase von morgens 8:00 Uhr (480 min) bis abends 16:00 Uhr (960 min). In der Nacht ist die Bilanz negativ, d.h. die Pflanze atmet. Die Wurzel atmet während des gesamten Tag-Nacht Wechsels. Wurzelatmung ist nicht leicht zu messen: Wenn Pflanzen in Erde wacchsen, sind die Wurzeln mit Mikroorganismen assoziiert, die einen erheblichen Beitrag zur CO2-Freisetzung liefern. Zieht man die Pflanzen in hydroponischen Kulturen an, ist es methodisch schwierig, die CO2-Abgabe an das Medium zu messen. Wir haben ein Verfahren entwickelt, bei dem wir Wurzelatmung in aeroponischer Kultur messen koennen. Dieses Verfahren erlaubt es, den Kohlenstoff-Austausch einer ganzen Pflanze mit ihrer Umgebung zu bilanzieren.
Während der Lichtphase erzeugt die Pflanze Kohlenhydrate, die dem Aufbau der Biomasse dienen – aber auch zur Deckung des Energiebedarfs verbraucht werden. Tagsüber bilden die grünen Blätter viel mehr Kohlenhydrate als sie selbst benötigen. Einen Teil davon speichern sie für die Nacht, den Rest geben sie an andere Organe ab: die jungen, noch wachsenden Blätter, die Wurzel, die dafür Wasser und Mineralien liefert, oder die Blüte, die die Fortpflanzung sicherstellt.
Blätter, die mehr Kohlenhydrate bilden, als sie verbrauchen, werden als "Quellen" (sources) bezeichnet. Organe, die mehr importieren als exportieren, werden "Senken" (sinks) genannt. In der Pflanze arbeiten sources und sinks in enger Abstimmung miteinander: verbraucht werden kann nur, was auch vorhanden ist – aber wie viel produziert wird, hängt auch von der Nachfrage ab. Wir gehen der Frage nach, wie die Abgabe geregelt wird: bestimmen die Blätter, wie viel sie "hergeben" - oder müssen sie liefern, was die Verbraucher benötigen?
Bei den Beziehungen zwischen sources und sinks spielen neben den Transportvorgängen im Phloem die Speicherkohlenhydrate eine wichtige Rolle. Wir  gehen der Frage nach, ob eine effizientere "Einlagerung" von Zuckern in Pflanzenzellen die Photosyntheseleistung steigern kann. Für die Speicherung der Zucker ist von großer Bedeutung, in welchem Zellkompartiment sie abgelegt werden: während die Vakuole ein nahezu unbegrenztes Reservoir darstellt, kann die Anhäufung von Stärke in Plastiden die Photosyntheseleistung drosseln. Dennoch ist Stärke bei den meisten Pflanzen das wichtigste Speicherkohlenhydrat. Wir untersuchen, wie die Pflanze ermittelt, welche Menge an Stärke sie einlagert, um ihr Wachstum im Tag-Nacht Wechsel zu optimieren.
Da Kohlenhydrate nicht nur transportiert werden, sondern in den sources auch als Speicher für die Nacht dienen, ergibt sich eine komplexe Dynamik der Zucker pools, die wir mit Hilfe von Methoden der mathematischen Modellierung untersuchen. Die Situation wird noch komplizierter durch den Umstand, dass Zucker auch in die Osmoregulation der Zelle involviert sind und bei der Akklimatisierung an ungünstige Umweltbedingungen als Zellschutz-Moleküle anghäuft werden. Auch dieser Umwelt-Interaktion gehen wir nach.

Publikationen zum Thema

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