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Forschungsgebiet Photosynthese

Pflanzen wandeln in der Photosynthese die Energie des Sonnenlichts in chemische Verbindungen um, die zur Fixierung von CO2 aus der Atmosphäre genutzt werden. Wir interessieren uns für verschiedene Aspekte dieser Reaktionen. Der Schwerpunkt unserre Arbeiten liegt auf der Analyse der photosynthetischen Leistungskraft unter Stressbedingungen:

1. Der Einfluß von Salzstress auf die Photosynthese

Derzeit werden etwa 40% der Lebensmittel auf künstlich bewässerten Flächen erzeugt. Der Ertrag auf 30% dieser Flächen wird allerdings durch Versalzung des Bodens stark einge-schränkt. Nach Schützungen übersteigen die Ertragseinbußen durch Versalzung und Trocken-heit weltweit diejenigen, die durch Ernteschädlinge hervorgerufen werden. Nutzpflanzen reagieren auf Salzstress mit verminderter Photosyntheseleistung, was zu verzögertem Wachstum und geringeren Ernteerträgen führt. Andererseits lassen sich bei subletalem Stress keine erhöhten Salzkonzentrationen in Chloroplasten nachweisen. Man muß also von kom-plexen Wirkketten ausgehen. Diese Vermutung steht im Einklang mit der Beobachtung, dass in allen Pflanzen eine Vielzahl von Genen die Stress-Empfindlichkeit beeinflussen und dass die Wirkung dieser Gene in der Regel nicht additiv ist. - Wir suchen mit biochemischen und physiologischen Methoden nach Indikatoren, die eine Quantifizierung von Stress erlauben. In der Regel stellen diese Indikatoren begrenzende Faktoren für die jeweilige Pflanzenart dar. Unsere Untersuchungen stehen daher in engem Zusammenhang mit den nachfolgend aufgeführten Themen.

2. Alternative photorespiratorische Wege in höheren Pflanzen

Photorespiration ist ein energieverbrauchender Prozess, der die Leistungsfähigkeit von Pflanzen insbesondere unter warmen und trockenen Wuchsbedingungen begrenzt. Wir entwickeln verschiedene Ansätze zur Reduktion der Photorespiration und damit zur Erhöhung der Produktivität von Nutzpflanzen. Durch Umleitung der Photorespiration im Chloroplasten transgener Arabidopsis-Pflanzen konnten wir die Biomasse-Produktion deutlich erhöhen. Dieser Ansatz wird zurzeit in den wichtigen Nutzpflanzen Raps und Reis getestet. Unsere Arbeiten im Bereich der "synthetischen Biologie" werden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und Bayer Cropscience gefördert.

3. Transgene Ansätze zur Verbesserung der photosynthetischen Leistungsfähigkeit

Das CO2-fixierende Enzym RUBISCO akzeptiert auch O2 als Substrat. Hierbei entsteht die toxische Verbindung Phosphoglycolat, welche im Rahmen der Photorespiration recycelt wird. Dieser Stoffwechselweg ist trotz der damit verbundenen erhblichen Verluste an Energie sowie zuvor fixiertem Kohlenstoff und Stickstoff essentiell für Pflanzen. Wir interessieren uns für die Anpassungsfähigkeit der Photorespiration und untersuchen insbesondere die Bedeutung der mitochondrialen und plastidären Glycolatoxidation in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Dieses Projekt wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt.

4. Die epigenetische Kontrolle photosynthetischer Genexpression in C4-Pflanzen

C4 Pflanzen haben Mechanismen zur Reduktion der Photorespiration durch Konzentrierung von CO2 in der Umgebung von RUBISCO entwickelt. Das Prinzip entstand in mehreren evolutionären Linien als eine Anpassung an Trockenheit und Hitze. Wir untersuchen die komplexe Kontrolle der beteiligten Gene im Mais. Unser Schwerpunkt liegt auf dem Beitrag epigenetischer Prozesse zur Integration von Umweltreizen und metabolischen Signalen in einer Promotorantwort. Die entwickelten Verfahren nutzen wir auch in einem Projekt zur Analyse der Expression Pathogen-induzierter Gene in Arabidopsis. Beide Projekte werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.