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Fotosynthese

agrarheute erklärt: Wie funktionieren eigentlich C4-Pflanzen?

Mais im 4-Blatt-Stadium
am Freitag, 17.04.2020 - 08:42 (Jetzt kommentieren)

C4-Pflanzen - das ist vor allem Mais, so viel wissen wir noch. Irgendwas war da mit dem enormen Biomasseaufbau. Wir erklären es.

Pflanzen sind faszinierende Kraftwerke. Ihre Turbinenhalle ist die Fotosynthese. Mithilfe von Sonnen­energie und Wasser wandeln sie dort Kohlendioxid (CO2) in pure Energie um: Zucker. Mit dem versorgen sie sich und auch das Bodenleben.

Unter den Kraftwerken sind C4-Pflanzen die effizientesten. Die für uns wichtigste C4-Art ist der Mais. Aber auch Amarant, Hirse, Zuckerrohr und einige Zweikeimblättrige wie Winden, Nelkenartige und manche Korbblütler nutzen diesen Mechanismus.

Mehr Biomasse als C3-Pflanzen

Sie können in kürzerer Zeit mehr Biomasse aufbauen als C3-Pflanzen – ausreichend Strahlung und hohe Temperatur vorausgesetzt. Deshalb sind C4-Pflanzen auch vorwiegend in subtropischen und tropischen Regionen zu finden. Eine Reihe an Kulturen sind aber auch an unser Klima angepasst. 

Pflanzen schließen üblicherweise bei hohen Temperaturen ihre Spaltöffnungen (Stomata). Damit verhindern sie Wasserverluste durch Transpiration, bremsen als unerwünschten Nebeneffekt aber auch ihr Kraftwerk aus. Die Aufnahme von CO2 wird erschwert und weniger Zucker produziert.

Wie ein Turbolader fürs CO2

C4-Pflanzen haben dagegen einen Mechanismus entwickelt. Sie können auch bei fast geschlossenen Stomata geringste CO2-Mengen nutzen. Ihr Name C4 kommt vom ersten Zwischenprodukt der Fotosynthese, Oxalacetat, das aus vier Kohlenstoffatomen besteht. So binden die Pflanzen das CO2 sehr wirkungsvoll wie in einer Art Turbolader.

In C4-Pflanzen ist die Fotosynthese damit besonders effizient organisiert. Sie läuft arbeitsteilig in zwei verschiedenen Zelltypen ab: Im Mesophyll, den normalen Blattzellen, wird das CO2 wie beschrieben aufgenommen und als Oxalacetat vorfixiert.

Pumpen transportieren es in die kranzförmig benachbarten Bündelscheidenzellen. Dort wird aus Oxalacetat wieder CO2.

Die Zellwände der Bündelscheidenzellen sind verkorkt. Damit können im Zellinneren zehnmal höhere CO2-Konzentrationen als in der Außenluft entstehen. So wird RuBisCO, das zentrale Enzym der Fotosynthese, beständig mit ausreichend CO2 versorgt. Die Zuckerproduktion läuft auf Hochtouren.

Mehr Energie fürs Wachstum

C3-Arten, die meisten unserer Pflanzen, brauchen die Hälfte ihrer Energie, um RuBisCO zu produzieren. Dagegen können C4-Pflanzen mit viel weniger RuBisCO genau so viel CO2 aus der Luft binden wie C3-Pflanzen.

So bleibt ihnen mehr Energie zum Wachsen, mehr Biomasse kann entstehen. Das erklärt auch die ökologische Leistung von C4-Pflanzen:

Nur rund 3 Prozent der Pflanzenarten betreiben C4-Fotosynthese. Sie produzieren weltweit etwa 5 Prozent der Biomasse. Aber sie sind für ein Viertel der gesamten Fotosyntheseleistung und für 23 Prozent der CO2-Fixierung verantwortlich.

Das Interesse der Züchter ist daher groß, die C4-Fotosynthese auch in C3-Kulturen hinein zu züchten. Diese Versuche, etwa mit Reis, waren bislang allerdings wenig erfolgversprechend.

Biogas aus Maisstroh

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