Was ist Photomorphogenese? Sie ist ein Geschwisterchen der Photosynthese

Photomorphogenese Einführung

Die Photosynthese steht oft im Mittelpunkt, wenn es um Pflanzen und Licht geht, aber es steckt mehr dahinter. In diesem Artikel laden wir Sie ein, die weniger bekannte Hälfte der Erzählung zu erkunden – die Photomorphogenese – „Photo“ steht für Licht und „Morphogenese“ für Veränderung und Wachstum.

In einem früheren Artikel(hier) haben wir uns mit den Grundlagen der Photosynthese befasst und erörtert, wie Pflanzen die Lichtenergie nutzen, um Zucker für den weiteren Stoffwechsel, z. B. für das Wachstum, zu erzeugen.

Doch was setzt dieses Wachstum in Gang? Aber was ist Photomorphogenese und welche Rolle spielt sie bei der Entwicklung von Pflanzen?

Die Antwort liegt in einer anderen Facette des Einflusses von Licht: Die Photomorphogenese. Wir geben Ihnen einen Überblick aus der Vogelperspektive mit genügend Details, um das Was, Wo, Wie und Warum der Photomorphogenese zu verstehen.

1. Was ist Photomorphogenese?
2. Warum Pflanzen wachsen und sich verändern müssen
3. Photomorphogenese bei Pflanzen
4. Der Photorezeptor – Empfang von Licht für Wachstum
5. Wo befinden sich diese Photorezeptoren?
6. Wie Pflanzen saisonale Veränderungen wahrnehmen – Die Rolle der Phytochrome
7. Stammeswachstum ist Zellteilung
8. Pflanzen wissen, wann sie aufhören müssen zu wachsen: Kryptochrome
9. Beziehung zwischen Photosynthese und Photomorphogenese
10. Praktische Anwendungen zum Verständnis der Photomorphogenese

Was ist Photomorphogenese?

Um die Photomorphogenese vollständig zu verstehen, ist es wichtig, sie klar zu definieren. Die Definition der Photomorphogenese bezieht sich auf den Prozess, bei dem Pflanzen Licht nutzen, um Entwicklungsveränderungen auszulösen und ihr Wachstum und ihre Struktur zu formen.

Im Gegensatz zur Photosynthese, die sich auf die Energieproduktion konzentriert, befasst sich die Photomorphogenese damit, wie Lichtsignale die Morphologie der Pflanzen beeinflussen – sie lenken die Wachstumsmuster und beeinflussen die Entwicklungsergebnisse.

Warum Pflanzen wachsen und sich verändern müssen

Pflanzenwachstum oder morphologische Veränderungen sind für das Überleben unerlässlich. Dafür gibt es vor allem zwei Gründe:

• Überleben: Pflanzen müssen wachsen und sich ausdehnen, um das lebenswichtige Licht für die Photosynthese einzufangen, die die Produktion des für ihre Existenz notwendigen Zuckers ermöglicht.
• Fortpflanzung: Blüte und Fruchtbildung sichern das Überleben der Pflanzenart, ein Prozess, der eng mit der Verfügbarkeit von Licht verbunden ist.

Diese beiden Grundbedürfnisse hängen von der Rolle des Lichts als kritischem Faktor ab.

Photomorphogenese bei Pflanzen

Bei der Photomorphogenese von Pflanzen geht es um die komplizierte Art und Weise, wie Licht das Wachstum, die Form und die Entwicklung von Pflanzen beeinflusst. Pflanzen sind auf verschiedene Lichtsignale angewiesen, wie z.B. rote, blaue und fernrote Wellenlängen, um Prozesse wie die Keimung von Samen, das Wachstum von Blättern und die Blüte zu regulieren.

Die Fähigkeit der Pflanze, Licht zu spüren und darauf zu reagieren, sichert ihr Überleben und ihren Fortpflanzungserfolg. Das Verständnis der Photomorphogenese bietet wichtige Einblicke in die Optimierung des Pflanzenwachstums, sei es in natürlicher Umgebung oder in kontrollierten Umgebungen wie Indoor-Farmen und Gewächshäusern.

Der Photorezeptor – Empfang von Licht für Wachstum

Pflanzenzellen besitzen ein einzigartiges Molekül, den so genannten Photorezeptor, der für den Empfang von Lichtenergie verantwortlich ist, die Wachstum und morphologische Veränderungen in Gang setzt. Sehen wir uns die drei Haupttypen von Fotorezeptoren an:

• Phytochrome: Diese Photorezeptoren lösen die jahreszeitlichen Übergänge der Pflanzen aus und beeinflussen die Keimung der Samen, das Wachstum, die Blüte und die Fruchtbildung.

• Kryptochrome: Diese Photorezeptoren sind für die Wachstumsregulierung zuständig und sorgen dafür, dass sich die Pflanzen nicht übermäßig ausbreiten und eine effiziente Überlebensform beibehalten.

• Phototropine:Diese Photorezeptoren lenken das Wachstum der Pflanzenstängel auf verfügbare Lichtquellen.

Wie Pflanzen saisonale Veränderungen wahrnehmen – Die Rolle der Phytochrome

Wenn sich die Jahreszeiten ändern, werden Sie feststellen, dass das Leben in der Stadt wieder auflebt, vor allem zwischen Winter und Frühling. Samen keimen, Sprossen entstehen, Stängel wachsen, Blätter entfalten sich, und reife Pflanzen blühen und tragen Früchte. Aber wie synchronisieren die Pflanzen ihr Verhalten mit den Jahreszeiten? Die Antwort liegt in den Phytochromen.

Das Phytochrom-Molekül

Phytochrome sind einfach Moleküle, Gruppen von Atomen, die zu einer 3D-Molekularstruktur zusammengesetzt sind. Sie existieren in zwei Zuständen: Pr und Pfr. Bei der Bestrahlung mit rotem Licht (620-750 nm) geht ein Phytochrom von einem Pr-Zustand in einen Pfr-Zustand über. Wenn ein Phytochrom im Pfr-Zustand fernrotes Licht (700-800nm) absorbiert, kehrt es in seinen Pr-Zustand zurück.

Wie Phytochrom die Jahreszeiten wahrnimmt.

Bei Tageslicht ist mehr rotes Licht vorhanden, was die Umwandlung von Pr in Pfr bewirkt. Bei Einbruch der Dunkelheit zerfallen die Pfr-Phytochrome auf natürliche Weise wieder in Pr. Folglich schwankt das Verhältnis von Pr zu Pfr während eines 24-Stunden-Tages und kehrt nach Einbruch der Dunkelheit ins Gleichgewicht zurück.

Im Frühjahr und Sommer jedoch führen die längeren Tageslichtstunden zu einem niedrigeren Pr-zu-Pfr-Verhältnis, das über mehrere Tage anhält und einen Schwellenwert erreicht, der die Photomorphogenese auslöst.

In den Wintermonaten, wenn die Tage kürzer sind, gibt es weniger rotes Licht, und das Verhältnis von Pr zu Pfr steigt, was die Photomorphogenese hemmt.

Dieses Verhältnis wird in der Regel als Prozentsatz angegeben (Abb. 6), wir bezeichnen es jedoch als das Verhältnis von Pr zu Pfr.

Einen weiteren Artikel über PSS (Phytochrome Photostationary state) finden Sie hier.

Stammeswachstum ist Zellteilung

Die Verlängerung des Stängels, das Wachstum der Blätter, die Blüte und die Entwicklung der Früchte erfolgen durch Zellteilung, die letztlich durch das genetische DNA-Material im Zellkern der Pflanzenzelle gesteuert wird.

Der Zellkern empfängt routinemäßig Hinweise aus der Umwelt und Signalereignisse (z. B. Phytochromaktivität), um festzustellen, ob eine Aktion, wie z. B. eine Zellteilung, erforderlich ist. Wenn er spürt, dass die Bedingungen für eine Zellteilung reif sind, löst der Zellkern den„Zellzyklus“ aus, d. h. den Prozess der Zellteilung.

Neben dem Phytochrom-Zustand müssen auch andere Umweltbedingungen erfüllt sein, bevor die Zellteilung stattfindet:

• Temperatur
• Luftfeuchtigkeit
• Nährstoff- und Wasserverfügbarkeit
• Hormonelle Aktivität (ja, auch Pflanzen haben Hormone)
• Enzymaktivität (im Zusammenhang mit der hormonellen Aktivität)
• Zusammenspiel mit anderen Photorezeptoren

Das bedeutet, dass die Phytochromaktivität zwar die Zellteilung begünstigt, aber die Photomorphogenese nicht auslöst, weil es zum Beispiel extrem kalt ist. Es handelt sich um einen hochgradig orchestrierten und streng kontrollierten Prozess.

Zusammenfassung

Wir sind gerade die Grundlagen der Photomorphogenese durchgegangen, vom Licht zur Aktivierung der Phytochrome im Zytoplasma, zur Zellteilung im Zellkern und schließlich zum Wachstum und zur Veränderung der Pflanze – das ist Photomorphogenese.

Es ist jedoch zu beachten, dass die eigentlichen Lichtsignalwege, chemischen Reaktionen, hormonellen und enzymatischen Aktivitäten und die genetische Expression immer noch sehr kompliziert und komplex miteinander verflochten sind.

Außerdem ist zu beachten, dass Pflanzenarten unterschiedlich sind und ihre evolutionären Eigenheiten haben.

Aber wir hofften, den Landwirten mit einem Blick aus der Vogelperspektive auf diesen faszinierenden evolutionären Aspekt der Biomechanik der Pflanzen einen Schritt nach vorne zu bringen und sie zu neuen Lichtstrategien zu ermutigen, um die Qualität und Aktualität ihrer Produkte zu verbessern.