Die klassische Ansicht, dass Kohlenstoffspeicherung ein passiver Prozess ist, wo eine Akkumulation nur auftritt, wenn das Angebot aus der Photosynthese den metabolischen Bedarf von Sink-Organen übersteigt, wurde mehrfach in Frage gestellt. Tatsächlich ist die Kohlenstoffspeicherung ein dynamischer und aktiver Prozess, der mit der metabolischen Nachfrage nach Kohlenhydraten als Reaktion auf Umweltbelastungen konkurriert. Ein neues Papier veranschaulicht, warum Pflanzenmodellierer Aktivkohlepools in ihre Simulationen einbeziehen sollten, und schlägt einen genaueren Modellierungsrahmen vor.

Pflanzen sind einer sich ständig verändernden Umgebung ausgesetzt, die ihr Wachstum beeinflusst. Zum Beispiel erleben sie den ganzen Tag über plötzliche Temperatur- und Lichtänderungen, wenn eine Wolke über sie hinwegzieht. Tagsüber und nachts laufen unterschiedliche Prozesse ab. Über einen längeren Zeitraum sind Pflanzen im Sommer langen hellen Tagen und im Winter kurzen dunklen Tagen ausgesetzt.

Um mit diesen Veränderungen fertig zu werden, verwalten Pflanzen aktiv die Kohlenstoffspeicherung, um ihr Wachstum zu optimieren. Trotz der wichtigen Rolle der Aktivkohlespeicherung in Pflanzen beinhalten die meisten Pflanzenmodelle die Kohlenstoffspeicherung immer noch als passiven Prozess, der immer dann auftritt, wenn ein Überschuss an Kohlenstoff aus der Photosynthese im Verhältnis zum Kohlenstoffbedarf für den Stoffwechsel vorhanden ist.

Es ist wahrscheinlich, dass die Speicherung von Aktivkohle in Pflanzenmodellen aufgrund der Schwierigkeit, sie zu simulieren, unterrepräsentiert ist. „Um die Reaktion der Kohlenstoffspeicherung auf Licht- und Temperaturschwankungen auf ganzer Pflanzenebene zu simulieren, wären Modelle erforderlich, die komplexe Wechselwirkungen zwischen zirkadianen Signalen, Umwelthinweisen und Stoffwechselsignalen beinhalten“, so die Doktorandin Ana Cristina Zepeda und ihre Kollegen von der Wageningen University and Research . Sie fordern Modellierer dazu auf, die Speicherung von Aktivkohle in ihre Simulationen einzubeziehen, in einem neuen Artikel, der von veröffentlicht wurde in silico Asphaltmischanlagen.

In der Veröffentlichung überprüften die Autoren experimentelle Beweise dafür, dass sich die Kohlenstoffakkumulation und -remobilisierung in Pflanzen als Reaktion auf den Kohlenstoffstatus der Pflanze ständig ändert, der wiederum stark von Umweltfaktoren wie Temperatur oder Licht abhängt. Sie hoben zwei wichtige physiologische Mechanismen für die Speicherung von Aktivkohle hervor:

Die Aufteilung von Assimilaten zwischen löslichen Zuckern und Stärke. Auf einer Diel-Skala werden Assimilate in Saccharose für den unmittelbaren Bedarf während des Tages und Stärke zur Deckung des Kohlenstoffbedarfs während der folgenden Nacht aufgeteilt.

Der Abbau und die Remobilisierung von Stärke. Im täglichen Maßstab wird Stärke während der Nacht zu löslichen Zuckern abgebaut, um den Stoffwechsel und das Wachstum aufrechtzuerhalten. Saisonal werden Kohlenhydratreserven in Speicherbecken (z. B. Wurzeln) für die Körnerfüllung oder im Frühjahr für die Bildung neuer Triebe oder den Austrieb mobilisiert.

Die Autoren untersuchten anschließend die physiologischen Mechanismen, die es Pflanzen ermöglichen, Kohlenstoff anzureichern und wieder freizusetzen, sowie die Art und Weise, wie die Kohlenstoffspeicherung derzeit in Pflanzenwachstumsmodelle integriert wird. Daraus identifizierten sie Wissenslücken, die geschlossen werden müssen, um die Kohlenstoffspeicherung in Pflanzenwachstumsmodellen präzise abzubilden. Die Autoren gaben folgende Empfehlungen:

• Um einen dynamischen Aktivkohlespeicherpool zu simulieren, platzieren Sie den Kohlenstoffeintrag aus der Photosynthese in einem temporären Speicherpool (einem zusätzlichen Zustand), der später auf verschiedene Senkenorgane wie Blätter, Früchte oder die Speicherung selbst aufgeteilt wird. Dies steht im Gegensatz zur klassischen Struktur, bei der das Wachstum das Nettoergebnis des täglichen Kohlenstoffeintrags aus der Bruttofotosynthese abzüglich des Kohlenstoffverlusts bei der Atmung ist
• Um einen dynamischen Kohlenstoffpool genau einzubeziehen, koppeln Sie biochemische Modelle, die lösliche Zucker und den Stärkestoffwechsel beschreiben, an Ganzpflanzenwachstumsmodelle.
• Um das Wachstum genau zu modellieren, berücksichtigen Sie die Auswirkungen von Temperatur- und Lichtschwankungen auf die Senkenaktivität (nicht nur die Photosynthese).

Schließlich demonstrierten die Autoren, wie die Einbeziehung eines dynamischen Kohlenstoffpools in Wachstumsmodelle eine realistischere Darstellung der Kohlenstoffallokation und der Wachstumsmuster unter Stressbedingungen bietet, indem sie die Ergebnisse von drei Modellen verglichen, die sich nur durch die Einbeziehung eines Kohlenstoffpools unterscheiden. Diese Übung zeigte, dass die Einbeziehung eines dynamischen Kohlenstoffpools in Wachstumsmodelle eine realistischere Darstellung der Kohlenstoffallokation unter abiotischen Stressbedingungen (z. B. eine höhere Speicherallokation während sinkensbegrenzter Bedingungen) und eine realistischere Auswirkung auf das Wachstum bietet Muster.

Zepeda kommt zu dem Schluss, dass „das Einbeziehen getrennter Stärke- und Saccharosepools zur Darstellung eines ‚aktiven' Pools in Wachstumsmodellen den Detaillierungsgrad und die Robustheit der Modelle erhöhen kann. Dies ist besonders wichtig, da Simulationen verwendet werden können, um die Ernteverbesserung unter schwankenden Umweltbedingungen wie dem Klimawandel zu steuern.“

DER ARTIKEL::

Ana Cristina Zepeda, Ep Heuvelink, Leo FM Marcelis, Kohlenstoffspeicherung in Pflanzen: Puffer für zeitliche Licht- und Temperaturschwankungen, in silico Plants, 2022, diac020, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac020