Pflanzen sind unglaublich vielfältig, und das gilt auch für Botaniker! Botany One hat es sich zur Aufgabe gemacht, faszinierende Geschichten über die Pflanzenwelt zu verbreiten und stellt Ihnen auch die Wissenschaftler vor, die hinter diesen großartigen Geschichten stehen.

Heute begrüßen wir Christopher Levine, Doktorand der Agrar- und Umweltbiologie an der Universität Tokio im Labor von Professor Yamori. Er ist spezialisiert auf kontrollierte Umweltlandwirtschaft (CEA) und Pflanzenphotobiologie. Levines Forschungsschwerpunkt liegt auf den physiologischen Funktionen von Fernrotlicht (FR) in Pflanzenproduktionssystemen wie Pflanzenfabriken und Gewächshäusern. Er untersucht, wie FR-Licht die Photosynthese, die Morphologie und die Gesamtproduktivität der Pflanze beeinflusst.

Ein zentrales Ziel seiner Forschung ist die Verbesserung der Energieeffizienz in der Lebensmittelproduktion. Durch die Optimierung abiotischer Faktoren wie Lichtspektren und das Verständnis der Wechselwirkungen von FR-Photonen mit der Pflanzenmorphologie und der Phytochrom-Signalgebung will Levine den Energieaufwand für die Beleuchtung reduzieren und gleichzeitig Ertrag und Qualität der Ernte erhalten oder steigern. Dies soll zu nachhaltigeren, energieärmeren Agrarsystemen beitragen.

Ich habe zuvor meinen Bachelor- und Masterabschluss an der Cornell University im Labor von Professor Mattson erworben, wo ich ein starkes Interesse an CEA entwickelte. Meine Publikationen finden Sie hier: Google Scholar.

Was hat Ihr Interesse an Pflanzen geweckt?

 Mein Interesse an Pflanzen begann ganz praktisch in meinem Garten in Santa Monica. Als Kind versuchte ich, Kürbisse und Mais anzubauen, ohne jegliche landwirtschaftliche Vorkenntnisse oder Fachwissen. Wenig überraschend verliefen viele dieser frühen Versuche nicht besonders gut, und meine Familie hatte keinerlei Erfahrung in der Landwirtschaft. Damals verstand ich nicht, warum die Pflanzen so schlecht wuchsen. Rückblickend ist mir nun klar, dass sie wahrscheinlich unter unzureichender Düngung, unregelmäßiger Bewässerung und suboptimalen Bodenbedingungen litten.

Als ich später die hydroponische Lebensmittelproduktion in Innenräumen entdeckte, war das eine Offenbarung. In einer kontrollierten Umgebung ließen sich Nährstoffe, Wasser und Licht präzise steuern, anstatt dem Zufall zu überlassen. Zum ersten Mal gelang es mir, Salat und Tomaten erfolgreich anzubauen, obwohl sie im Freien nicht gediehen waren. Der erfolgreiche Anbau dieser Pflanzen in Innenräumen weckte meine langjährige Faszination für Pflanzenphysiologie und CEA.

Was hat Sie motiviert, Ihrem aktuellen Forschungsgebiet nachzugehen?

In meiner Schulzeit habe ich aus reiner Neugier und Freude Pflanzen in Innenräumen gezogen, damals allerdings nicht wissenschaftlich. Es war einfach nur Experimentieren und Ausprobieren. Mich faszinierte die Vorstellung, dass Pflanzen drinnen genauso gut und sogar schneller wachsen können als im Freien, wenn Parameter wie Licht, pH-Wert und Düngerkonzentration optimal eingestellt sind.

Als ich mein Bachelorstudium an der Cornell University begann, war ich begeistert, dass ich CEA als Studienfach belegen konnte und nicht einfach irgendetwas studieren musste, was mich nicht gerade begeisterte. Ich erfuhr auch, dass Cornell zu den Pionierinstitutionen auf diesem Gebiet gehört. Professor Louis Albright gründete eines der ältesten CEA-Forschungsprogramme in den Vereinigten Staaten und entwickelte eine kommerzielle Tiefwasserkultur-Anlage für Salat. Damit bewies er, dass hydroponische Produktion sowohl wissenschaftlich fundiert als auch wirtschaftlich rentabel sein kann.

Ich besuchte Professor Neil Mattsons Kurs über hydroponische Lebensmittelproduktion, den er erst kürzlich eingeführt hatte, und dieser bestärkte mein Interesse an CEA (Certified Environmental Agriculture). Unter seiner Betreuung führte ich außerdem eigenständige Forschungsarbeiten durch, und als meine studentische Arbeit zum ersten Mal in einer Fachzeitschrift mit Peer-Review-Verfahren veröffentlicht wurde, war das ein Wendepunkt. Zu sehen, wie meine Forschung zur wissenschaftlichen Literatur beitrug, motivierte mich, die Pflanzenwissenschaften auf einem tieferen und technischeren Niveau weiter zu verfolgen.

Ich absolvierte außerdem ein Praktikum bei AeroFarms, damals ein weltweit führendes Unternehmen im Bereich der vertikalen Indoor-Landwirtschaft. Dort arbeitete ich unter der Leitung von Dr. Shardendu Singh, Roger Buelow und Matt Gellert an der Erdbeerproduktion unter kontrollierten Bedingungen. Die Kombination aus Spitzenforschung, kommerzieller Anwendung und einem angenehmen Arbeitsklima bestärkte mich in meinem Interesse, die Forschung im Bereich der kontrollierten Umweltanbausysteme (CEA) voranzutreiben.

Welcher Teil Ihrer Arbeit im Zusammenhang mit Pflanzen gefällt Ihnen am besten?

 Am meisten Freude bereitet mir an meiner Arbeit die Suche nach neuen Wegen zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von CEA, insbesondere durch die Senkung der Energiekosten. Da Beleuchtung und Klimatisierung einen Großteil der Kosten in der Indoor-Farming-Branche ausmachen, empfinde ich es als sehr befriedigend, wenn physiologische Erkenntnisse, wie beispielsweise die Reaktionen von Pflanzen auf Fernrotlicht, zu energieeffizienteren und wirtschaftlich skalierbaren Produktionsstrategien führen.

 Ich schätze den kollaborativen und internationalen Charakter der Pflanzenwissenschaft sehr. Konferenzen wie NCERA-101 und Tagungen der International Society for Horticultural Science (ISHS) sind intellektuell anregend und machen gleichzeitig richtig Spaß. Sie bieten die Möglichkeit, zu erfahren, woran andere Forscher weltweit arbeiten, Ideen auszutauschen und dauerhafte Kooperationen aufzubauen. Viele meiner Freunde und Kollegen besuchen diese Veranstaltungen, daher sind sie nicht nur beruflich wertvoll, sondern auch persönlich bedeutsam.

Gibt es bestimmte Pflanzen oder Arten, die Ihre Forschung fasziniert oder inspiriert haben? Wenn ja, was sind sie und warum?

Erdbeeren haben meine Forschung definitiv inspiriert. Sie sind sehr lecker, was die Arbeit mit ihnen spannend macht und auch andere begeistert. Allerdings stellen sie in kontrollierten Umgebungen aufgrund langer Produktionszyklen, komplexer Blühphysiologie und hartnäckiger Probleme mit Schädlingen und Krankheiten eine große Herausforderung dar. Experimente können sich über Monate hinziehen, im Gegensatz zu Blattgemüse, dessen Produktionszyklen mitunter nur einen Monat betragen.

Die Arbeit mit Erdbeeren während meines Masterstudiums an der Cornell University unter der Leitung von Professor Neil Mattson war anspruchsvoll und hat mich hervorragend auf mein Promotionsstudium vorbereitet. Die technischen Anforderungen bei der Durchführung von Langzeitexperimenten, der Optimierung von Nährstoff- und Lichtverhältnissen sowie der Erhaltung der Pflanzengesundheit in intensiven Produktionssystemen haben mich bestens auf die Herausforderungen der Forschung auf Doktorandenebene vorbereitet.

Die Arbeit mit Erdbeeren lehrte mich auch, dass Forschung selten exakt nach Plan verläuft. Diese Erfahrung lehrte mich, wie wichtig es ist, fokussierte und erreichbare Forschungsziele zu setzen, anstatt Ziele so weit zu fassen, dass sie innerhalb eines angemessenen Zeitraums unrealistisch zu erreichen sind. Komplexe Probleme in klar definierte, überprüfbare Fragen zu unterteilen, ermöglichte stetige und sinnvolle Fortschritte, anstatt durch überambitionierte Ziele ausgebremst zu werden. Diese Disziplin, den Umfang zu definieren und Ergebnisse schrittweise zu erzielen, war eine der wertvollsten Lektionen meiner frühen Forschungsausbildung und prägt bis heute meine Herangehensweise an wissenschaftliche Fragestellungen.

Könnten Sie ein Erlebnis oder eine Anekdote aus Ihrer Arbeit erzählen, die Ihre Karriere geprägt und Ihre Faszination für Pflanzen bestätigt hat?

Ein Erlebnis, das meine Karriere nachhaltig prägte, war der Besuch eines riesigen Gewächshauses in Venlo, einem niederländischen Gewächshaus, in dem auf fast 30 Hektar Kirschtomaten angebaut wurden. Am meisten beeindruckte mich die Fahrt mit dem Hubwagen zwischen den Reihen. Die Tomatenpflanzen wuchsen vertikal und schienen sich endlos in die Höhe zu erstrecken, bildeten hoch aufragende, grüne Korridore voller Früchte. Zwischen den mit leuchtenden Kirschtomaten behängten Ranken hindurchzufahren, machte die Verbindung von Pflanzenphysiologie, Ingenieurwesen und Wirtschaftlichkeit greifbar und real.

Zu sehen, wie sorgfältig gesteuerte Ressourcen eine solche Fülle hervorbringen können, bestärkte mich in meiner Faszination für Pflanzen und festigte meine Überzeugung, dass die Optimierung dieser Systeme eine wichtige Rolle für die Zukunft einer nachhaltigen Lebensmittelproduktion spielen kann.

Welchen Rat würden Sie jungen Wissenschaftlern geben, die eine Karriere in der Pflanzenbiologie anstreben? 

Einer der wichtigsten Ratschläge, die ich jungen Wissenschaftlern geben würde, die eine Karriere in der Pflanzenbiologie anstreben, ist, sich einen Mentor oder Professor zu suchen, der sie wirklich inspiriert und herausfordert. Da ich die Möglichkeit hatte, in verschiedenen Phasen meiner Ausbildung bei mehreren Professoren zu studieren, beruht dieser Rat direkt auf meiner Erfahrung. Die Qualität der Betreuung kann nicht nur Ihre fachliche Entwicklung, sondern auch Ihre Interessen und Ihre langfristige wissenschaftliche Ausrichtung maßgeblich prägen.

Ein guter Mentor hilft Ihnen, präzisere Fragen zu stellen, Ihr Versuchsdesign zu verfeinern und motiviert zu bleiben, wenn die Forschung schwierig wird. In der Forschung wird es unweigerlich viele Rückschläge geben, und die Ergebnisse werden nicht immer den Erwartungen entsprechen. Auch der Peer-Review-Prozess einer Fachzeitschrift kann zeitaufwendig und mühsam sein. Daher ist es wichtig, einen Mentor zu finden, der Sie für Ihr Fachgebiet begeistert und inspiriert.

Was machen die Leute normalerweise falsch über Pflanzen?

Viele Menschen gehen davon aus, dass Pflanzen zum Wachsen lediglich Sonnenlicht, Wasser und Dünger benötigen. Obwohl diese Faktoren unerlässlich sind, ist die Realität weitaus komplexer, da zahlreiche abiotische Faktoren gleichzeitig und manchmal auf noch nicht vollständig verstandene Weise interagieren.

 Variablen wie Wurzelzonentemperatur, Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, CO₂-Konzentration, Windgeschwindigkeit sowie Lichtintensität und -spektralzusammensetzung beeinflussen die Pflanzenphysiologie. Eine Änderung eines Faktors kann die Reaktion einer Pflanze auf einen anderen Faktor verändern. So kann beispielsweise die Wurzelzonentemperatur die optimale Lufttemperatur für die Photosynthese bei Salat beeinflussen. Bei Basilikum wiederum kann die gesamte photosynthetische Hintergrundstrahlung die ideale Photonenflussdichte im fernroten Bereich verändern. Selbst geringfügige Verschiebungen einer bestimmten Wellenlänge des Lichts können somit die Morphologie und die Photosyntheseeffizienz beeinflussen. 

Da diese Variablen ständig interagieren, ist die Pflanzenforschung selten einfach. Um Pflanzen zu verstehen, muss man wissen, dass es sich um dynamische biologische Systeme handelt, die fortwährend auf ihre Umwelt reagieren.