Eine Möglichkeit, die Ernteerträge zu verbessern, besteht darin, die Photosynthese zu verbessern, aber wie können Wissenschaftler dies tun? Rezension von Alexandrina Stirbet und Kollegen mathematische Modellierung als Werkzeug zum Studium der Photosynthese, im Rahmen eines Sonderhefts zur funktional-strukturellen Anlagenmodellierung in Annals of Botany.

„Sauerstoffphotosynthese ist ein sehr wichtiger Prozess, nicht nur, weil sie die Quelle unserer Nahrung, Ballaststoffe und vieler nützlicher Substanzen ist, sondern auch, weil fast alles Leben auf der Erde direkt oder indirekt davon abhängt“, schreiben Stirbet und Kollegen. „Pflanzen, Algen und Cyanobakterien sind sauerstoffhaltige Photosynthetisierer, die Lichtenergie nutzen, um organische Moleküle zu erzeugen [zB Glucose (C₆H₁₂O₆), Zucker, Stärke] aus Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H.₂O) und setzen molekularen Sauerstoff frei (O₂) in die Atmosphäre.“

Die Autoren verfolgen den photosynthetischen Prozess vom Licht, das die Energie liefert, um Wasserstoff aus Wasser zu entfernen und Kohlendioxid hinzuzufügen, bis zur Produktion von Metaboliten. In der Übersicht geben sie Beispiele dafür, wie die Modellierung dazu beigetragen hat, Informationen darüber zu liefern, wie sich Pflanzen an sich verändernde Umgebungen anpassen.

„Aus den in diesem Aufsatz diskutierten Beispielen geht hervor, dass richtig vereinfachte, aber vollständige dynamische Modelle der Photosynthese gut geeignet sind, um Informationen darüber zu erhalten, wie photosynthetische Organismen mit variablen Umweltbedingungen zurechtkommen“, schreiben die Autoren. „Modellierung ist in der Tat eine sehr effiziente Methode, um wichtige morphologische und physiologische Parameter eines biologischen Systems zu identifizieren und ihre optimalen Werte zu finden. Darüber hinaus können die Simulationen durch die Verwendung einer größeren Vielfalt experimenteller Daten zur Überprüfung solcher Modelle zu viel aussagekräftigeren Informationen über die Organisationsprinzipien des photosynthetischen Apparats führen, die auch originelle Wege und Mittel zur Verbesserung der photosynthetischen Effizienz von Pflanzen aufzeigen können …, abgesehen davon, dass es von theoretischem Interesse ist. Darüber hinaus sind Multiskalen-Pflanzenmodelle (auch als Pflanzensystemmodelle bekannt), die physikalische, biochemische und physiologische Prozesse auf verschiedenen Organisationsebenen (z. B. Molekül, Zelle, Organ, Pflanze, Population oder Ökosystem) quantitativ integrieren, in der Lage, physiologische Vorhersagen zu treffen und Wachstumseigenschaften von Pflanzen jenseits des photosynthetischen Stoffwechsels, und sie stellen die zukünftige Herausforderung in der Pflanzenmodellierung dar.“