Die meisten von uns haben gelernt, dass die Photosynthese in den Blättern stattfindet. Das trifft auf die allermeisten ausgewachsenen Pflanzen zu, ist aber nicht die ganze Wahrheit. Bei einigen Arten enthalten auch junge Samen funktionsfähige Chloroplasten, jene winzigen Strukturen, die Lichtenergie nutzen, um das Pflanzenwachstum anzutreiben.

Diese Chloroplasten in Samen verhalten sich nicht genau wie die in Blättern. Anstatt herkömmliche Photosynthese zu betreiben, tragen sie möglicherweise zur Regulierung der Sauerstoffversorgung, des chemischen Gleichgewichts und der Stresssignale im Inneren des sich entwickelnden Samens bei. Bei Getreidearten wie Gerste ist dies besonders interessant, da das photosynthetische Gewebe nicht im gesamten Samen verteilt ist. Es bildet eine sehr dünne grüne Schicht, das sogenannte Chlorenchym, das die Chloroplasten umhüllt. Endosperm.

Das Endosperm ist der Nährstoffspeicher des Samens, gefüllt mit Reserven, die den jungen Keimling später versorgen. Während seiner Entwicklung benötigt dieses Gewebe Sauerstoff für die Zellatmung – den Prozess, mit dem Zellen nutzbare Energie freisetzen. Man geht davon aus, dass das Chlorenchym diesen Sauerstoff liefert und gleichzeitig einen Teil des vom Endosperm freigesetzten Kohlendioxids wiederverwendet. Sollte dies zutreffen, könnte die Photosynthese im Samen eine wichtige Rolle für das Wachstum und die Qualität des Korns spielen.

Gerste (Hordeum vulgare) Feld. Foto von Txllxt TxllxT (Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0).

Die Photosynthese in Samen ist jedoch nach wie vor wenig erforscht, da sie schwer zu messen ist. Die Messung der Photosynthese in Blättern ist relativ einfach: Blätter sind flach, dünn und lassen sich leicht in Standardinstrumente einsetzen. Bei Gerstensamen hingegen ist dies nicht der Fall. Sie sind voluminös, und der größte Teil des Samens ist mit Endosperm gefüllt, das das Licht streut und die Messungen beeinträchtigt.

In einer neuen Studie veröffentlicht in Saatgutwissenschaftliche ForschungMelvin Rodriguez Heredia und Guy Hanke, Forscher an der Queen Mary University of London, haben eine Methode entwickelt, um zu messen, wie das Chlorenchym während der Photosynthese Elektronen transportiert. Ihre Methode ermöglicht es Forschern, diese verborgene grüne Schicht genauer zu untersuchen und ihre Funktion im Inneren eines sich entwickelnden Samens zu erforschen.

Das Team konzentrierte sich auf Gerstensamen, die zehn Tage nach der Blüte geerntet wurden. Zu diesem Zeitpunkt ist das Chlorenchym grün genug, um ein starkes Signal zu liefern, aber noch leicht vom restlichen Korn zu trennen. Mithilfe eines Skalpells schnitten die Forscher den Samen entlang, trennten den dorsalen Teil des Chlorenchyms ab und entfernten vorsichtig das Endosperm. Die dünnen, grünen Abschnitte wurden anschließend in einen flüssigen Puffer zwischen Objektträger gelegt, wobei die photosynthetisch aktive Seite dem Detektor eines Geräts zugewandt war, das üblicherweise zur Messung der Photosynthese in Blättern verwendet wird. Durch diese sorgfältige Präparation wurde ein voluminöser Samen in eine dünne, auswertbare Probe verwandelt.

Probenpräparation zur Messung der Photosynthese im Chlorenchym von Gerstensamen. A) Seitenansicht mit gestrichelter Linie, die die Exzision der dorsalen Abschnitte zeigt. B) Unteransicht eines isolierten dorsalen Abschnitts vor der Endospermentfernung. C) Unter- und D) Draufsicht eines dorsalen Abschnitts nach der Endospermentfernung. F) Querschnitt eines Gerstensamens. E) Platzierung der präparierten Chlorenchymproben zwischen Objektträgern. Abbildung modifiziert nach Rodríguez Heredia und Hanke (2026).

Anschließend nutzten sie lichtbasierte Instrumente, um die Vorgänge im Inneren der Photosyntheseapparatur zu verfolgen, insbesondere die beiden FotosystemeDie Proteinkomplexe wandeln Lichtenergie in chemische Energie um. Eine Methode maß die Chlorophyllfluoreszenz, das schwache Licht, das Chlorophyll abgibt, wenn absorbierte Lichtenergie nicht für die Photosynthese im Photosystem II genutzt wird. Gleichzeitig maßen sie Veränderungen in P700, einem Chlorophyllmolekül, das mit Photosystem I verbunden ist. Diese Messungen ermöglichten es ihnen, beide Photosysteme parallel zu verfolgen. Das Team adaptierte außerdem eine zweite Methode namens die elektrochrome Bandverschiebung, das schätzt, wie schnell Elektronen durch die photosynthetische Kette fließen – die Abfolge von Proteinen, die während der Photosynthese Elektronen weitergeben.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Methode funktionierte. Obwohl das Signal des Chlorenchyms im Gerstenkorn schwächer und verrauschter war als das Signal der Blätter, erfassten die Instrumente dennoch die erwarteten Photosynthesemuster. Anders ausgedrückt: Das Team konnte die Aktivität beider Photosysteme in einer dünnen grünen Samenschicht zuverlässig messen, die zuvor nur schwer detailliert zu untersuchen war.

Die Messungen zeigten aber auch, dass die Photosynthese im Samen nicht einfach eine verkleinerte Form der Blattphotosynthese ist. In Gerstenblättern passten sich die beiden Photosysteme dem Licht an und wiesen eine relativ hohe Aktivität auf. Im Chlorenchym des Samens arbeiteten beide Systeme hingegen deutlich schwächer. Ein weiterer auffälliger Unterschied betraf den Photoprotektionsmechanismus, mit dem Pflanzen Schäden durch zu viel Sonnenlicht vermeiden. Blätter geben normalerweise überschüssige Lichtenergie in Form von Wärme ab, doch im Chlorenchym des Samens wurde dieser Schutzmechanismus kaum aktiviert. Dies deutet darauf hin, dass die grüne Samenschicht möglicherweise nicht so beschaffen ist, dass sie Licht auf dieselbe Weise verarbeiten kann wie ein Blatt.

Gerstenfeld. Foto von Daniel Villafruela (Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0).

Die elektrochromen Verschiebungsmessungen bestätigten dieses Bild. Der Elektronentransport in den Blättern erreichte etwa 50 bis 60 Elektronen pro Photosystem und Sekunde, während die Werte im Chlorenchym deutlich niedriger lagen, etwa 10 bis 20. Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse, dass die Photosynthese im Gerstenkorn real, messbar und von der Blattphotosynthese verschieden ist. Sie legen zudem nahe, dass diese verborgene grüne Schicht eine spezielle Rolle in der Kornentwicklung spielen könnte, anstatt lediglich als kleines inneres Blatt zu fungieren.

Die von Rodriguez Heredia und Hanke entwickelte Methode bietet somit nicht nur eine zuverlässige Möglichkeit, den photosynthetischen Elektronentransport in sich entwickelnden Samen zu messen, sondern eröffnet auch spannende neue Forschungsmöglichkeiten in der Getreidebiologie. Indem sie diesen bisher verborgenen Prozess leichter erforschbar macht, kann die Arbeit Forschern helfen, die Entwicklung von Getreidekörnern, die einen Großteil der Welt ernähren, besser zu verstehen.

DER ARTIKEL::

Rodriguez Heredia M, Hanke G. 2025. Messung des photosynthetischen Elektronentransports in grünen, sich entwickelnden Samen. Saatgutwissenschaftliche Forschung 35: 236-245. https://doi.org/10.1017/s0960258526100105

Titelbild: Gerstenkörner von Davidbena (Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0).