Photosynthetische Abkürzung lässt Weihnachtsbäume im Winter grün bleiben

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Wie können Nadelbäume, die zum Beispiel als Weihnachtsbäume verwendet werden, ihre grünen Nadeln über den borealen Winter hinweg behalten, wenn die meisten Bäume ihre Blätter abwerfen? Die Wissenschaft hat auf diese Frage bisher keine gute Antwort gegeben, aber jetzt hat ein internationales Team von Wissenschaftlern, darunter auch Forscher der Universität Umeå, entschlüsselt, dass eine Abkürzung in der Photosynthesemaschinerie es den Nadeln von Kiefern ermöglicht, grün zu bleiben.

Die Studie wurde in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Im Winter wird die Lichtenergie zwar von den grünen Chlorophyllmolekülen absorbiert, kann aber von den nachgeschalteten Reaktionen in der Photosynthesemaschinerie nicht genutzt werden, da die Temperaturen bei Frost die meisten biochemischen Reaktionen stoppen.

Dies ist besonders im zeitigen Frühjahr ein Problem, wenn die Temperaturen noch sehr niedrig sein können, das Sonnenlicht aber bereits stark ist und die überschüssige Lichtenergie die Proteine der Photosynthesemaschinerie schädigen kann.

Die Forscher zeigten, dass der Photosyntheseapparat auf eine besondere Weise verdrahtet ist, die es den Kiefernnadeln ermöglicht, das ganze Jahr über grün zu bleiben.
Unter normalen Bedingungen sind die beiden Photosysteme, die beiden Funktionseinheiten, in denen Lichtenergie absorbiert und in chemische Energie umgewandelt wird, voneinander getrennt, um einen Kurzschluss zu verhindern und eine effiziente Photosynthese zu ermöglichen.

Im Winter wird die Struktur der Thylakoidmembran, in der sich die beiden Photosysteme befinden, reorganisiert, was die beiden Photosysteme in physischen Kontakt bringt.

Die Forscher zeigten, dass das Photosystem II die Energie direkt an das Photosystem I spendet und dieser Abkürzungsmodus das grüne Chlorophyll und die Nadeln schützt, wenn die Bedingungen rau werden.

“Wir haben mehrere Kiefern, die in Umeå in Nordschweden wachsen, über drei Jahreszeiten hinweg verfolgt”, sagt Pushan Bag, Doktorand an der Universität Umeå, der das ganze Jahr über Proben gesammelt und viele der Analysen durchgeführt hat. “Es war wichtig, dass wir die Nadeln “direkt von draußen” bearbeiten konnten, um zu verhindern, dass sie sich an die höheren Temperaturen in der Laborumgebung anpassen, bevor wir sie zum Beispiel mit der Elektronenmikroskopie analysierten, mit der wir die Struktur der Thylakoidmembran sichtbar machten.”
Alle Pflanzen haben Sicherheitsventile, um mit der überschüssigen Lichtenergie umzugehen, die entweder als Wärme oder als Fluoreszenzlicht abgeleitet wird. Allerdings scheinen nur Nadelbäume so starke Ventile zu haben, dass sie den Photosyntheseapparat über den extremen borealen Winter hinweg intakt halten können.

Das Forscherteam kombinierte Biochemie und ultraschnelle Fluoreszenzanalyse, eine sehr anspruchsvolle Methode, die Chlorophyll-Fluoreszenzlicht auf einer Pikosekunden-Zeitskala auflösen kann. So konnten sie zeigen, wie die Kiefernnadeln mit überschüssiger Lichtenergie umgehen, um ihren empfindlichen photosynthetischen Apparat vor Schäden zu schützen.
“Wir mussten die Ausrüstung anpassen, um Kiefernnadeln bei kalten Temperaturen zu untersuchen, um den einzigartigen Mechanismus einzufangen”, erklärt Volha Chukhutsina von der Vrije Universiteit Amsterdam, die einen Großteil der ultraschnellen Fluoreszenzanalyse durchgeführt hat. “Wir haben es auch mit Fichtennadeln versucht, aber die ließen sich nur schwer in die Geräte einpassen.”
Alfred Holzwarth, der die zeitaufgelösten Fluoreszenzmessungen entwickelt hat, fügt hinzu: “Die Kiefernnadeln gaben uns die Möglichkeit, diesen Abkürzungsmechanismus – auch Spill-over genannt – zu untersuchen, da sie wirklich eine extreme Anpassung zeigen.”
Die Studie wurde mit Kiefern durchgeführt, aber die Forscher glauben, dass der Mechanismus wahrscheinlich auch bei anderen Nadelbaumarten – wie den typischen Weihnachtsbäumen Fichten und Tannen – ähnlich abläuft, da deren photosynthetischer Apparat ähnlich aufgebaut ist.
“Diese bemerkenswerte Anpassung erfreut uns nicht nur in der Weihnachtszeit, sondern ist in der Tat extrem wichtig für die Menschheit”, sagt Professor Stefan Jansson von der Universität Umeå. “Wären Nadelbäume nicht in der Lage gewesen, im extrem harten Winterklima zu überleben, wären weite Gebiete der nördlichen Hemisphäre vielleicht nicht besiedelt worden, da Nadelbäume Feuerholz, Wohnraum und andere Notwendigkeiten lieferten. Noch heute bilden sie die Grundlage der Wirtschaft in einem Großteil der zirkumpolaren Taiga-Region.”
Referenz: “Direct energy transfer from photosystem II to photosystem I confers winter sustainability in Scots Pine” von Pushan Bag, Volha Chukhutsina, Zishan Zhang, Suman Paul, Alexander G.

Ivanov, Tatyana Shutova, Roberta Croce, Alfred R. Holzwarth und Stefan Jansson, 15. Dezember 2020, Nature Communications.DOI: 10.1038/s41467-020-20137-9

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