C3-Photosynthese bei Cannabis
Kurzdefinition
Cannabis sativa ist eine C3-Pflanze — die CO₂-Fixierung erfolgt direkt durch RuBisCO ohne vorherige Konzentrierungsschritte, was zu einer charakteristischen Lichtsättigungskurve, Photorespiration bei Hitze und CO₂-Responsivität führt.
Wissenschaftliche Beschreibung
C3 vs. C4 vs. CAM — Einordnung von Cannabis
| Merkmal | C3 (Cannabis) | C4 (Mais, Hirse) | CAM (Kakteen) |
|---|---|---|---|
| Erstes CO₂-Fixierungsprodukt | 3-PGA (C3) | Oxalacetat (C4) | Malat (C4, nachts) |
| CO₂-fixierendes Enzym | RuBisCO | PEP-Carboxylase + RuBisCO | PEP-Carboxylase + RuBisCO |
| CO₂-Konzentrierungsmechanismus | Nein | Ja (Bundle-Sheath) | Ja (zeitlich getrennt) |
| Wassernutzungseffizienz | Mittel | Hoch | Sehr hoch |
| Photorespiration | Ja (besonders >30°C) | Minimal | Minimal |
| Optimale Temperatur | 20–30°C | 30–40°C | Nacht |
Cannabis ist C3 — die einfachste und evolutionär älteste Photosynthesestrategie. Über 85% aller Pflanzenarten sind C3.
C3-Photosynthese-Ablauf bei Cannabis
Lichtreaktion (Thylakoid-Membran): - Photosystem II: H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻; Chlorophyll absorbiert Licht - Elektronentransportkette: e⁻ fließen zu Photosystem I → NADPH - ATP-Synthase: Protonengradient → ATP - Netto: 3 ATP + 2 NADPH pro CO₂ für Calvin-Zyklus
Calvin-Zyklus (Stroma): 1. Carboxylierung: RuBisCO + CO₂ + RuBP → 2× 3-PGA 2. Reduktion: 3-PGA + ATP + NADPH → G3P 3. Regeneration: G3P → RuBP (ATP-abhängig) 4. Export: G3P → Saccharose (Phloem-Transport) oder Stärke (Chloroplast)
Lichtsättigungskurve von Cannabis
Chandra et al. (2008) — umfassende Messung der Cannabis-Photosynthesereaktion:
| Parameter | Wert | Einheit |
|---|---|---|
| Lichtkompensationspunkt | 10–30 | µmol/m²/s PPFD |
| Lichtsättigungspunkt | 800–1200 | µmol/m²/s PPFD |
| Maximale Nettophotosynthese | 14–35 | µmol CO₂/m²/s |
| CO₂-Kompensationspunkt | 50–65 | ppm CO₂ |
Sortenvariation: High-THC-Sorten zeigten höhere maximale Photosyntheseraten als Faserhanf — mögliche Kopplung zwischen Biosynthesekapazität und Photosyntheseleistung.
Photorespiration bei Cannabis
Als C3-Pflanze leidet Cannabis unter Photorespiration: - Bei >30°C: RuBisCO fixiert O₂ statt CO₂ → 2-Phosphoglykolat (Oxygenase-Reaktion) - 2-Phosphoglykolat → Glycolat → Glyoxylat → Serin (Photorespirationsweg) - Netto: Energieverlust, CO₂-Freisetzung statt -Fixierung - Photorespiration kann bei Hitze 25–30% der Photosynthese-Leistung kosten
Bedeutung für Grow: Bei Temperaturen >28°C nimmt die Nettophotosynthese von Cannabis deutlich ab. Temperaturkontrolle (22–26°C) ist für maximale Photosyntheseleistung entscheidend.
CO₂-Düngung und C3-Limitierung
C3-Pflanzen reagieren stärker auf CO₂-Erhöhung als C4-Pflanzen, da RuBisCO direkt CO₂-limitiert ist: - Atmosphärisch: 420 ppm CO₂ → RuBisCO nicht gesättigt - Bei 800–1200 ppm: RuBisCO annähernd gesättigt → maximale Photosyntheserate - Cannabis-Optimum: 800–1200 ppm bei gleichzeitig hohem PPFD (800–1000 µmol/m²/s)
Kopplung CO₂/Licht: CO₂-Düngung bringt nur bei ausreichend hohem PPFD Ertragssteigerung (beide limitieren gemeinsam).
Stomata-Regulation und WUE
Cannabis-Stomata öffnen bei: - Hohem PPFD (Blaulicht-Signal über Phototropin) - Niedrigem CO₂ (intern) - Hoher Luftfeuchte (niedrigem VPD)
Wassernutzungseffizienz (WUE): Cannabis WUE = 2–4 g Biomasse/L Wasser — typisch für C3-Pflanzen. C4-Pflanzen erreichen 4–8 g/L.
Biologische Auswirkungen
Die C3-Photosynthese limitiert Cannabis bei Extrembedingungen: Hitze erhöht Photorespiration, Trockenheit schließt Stomata (CO₂-Mangel), schwaches Licht unterschreitet Kompensationspunkt. Im optimalen Bereich (22–26°C, 800–1000 µmol/m²/s PPFD, 800 ppm CO₂) erreicht Cannabis Netto-Photosyntheseraten von 25–35 µmol CO₂/m²/s — vergleichbar mit anderen hochproduktiven C3-Kulturen.
Anbau-Relevanz
Optimierung der C3-Photosynthese
Temperatur: 22–26°C Blatttemperatur für minimale Photorespiration und maximale RuBisCO-Effizienz.
CO₂: 800–1200 ppm in gut beleuchteten Räumen steigert Ertrag um 15–30%. Ohne ausreichend Licht (>600 µmol PPFD) verpufft CO₂-Düngung.
PPFD-Optimum: 800–1000 µmol/m²/s für Vegetativphase; 1000–1200 für Blüte. Darüber: Lichtsättigung erreicht, kein weiterer Gewinn (aber erhöhte Hitzeentwicklung).
DLI: 35–50 mol/m²/d für optimale Cannabinoid-Produktion in der Blütephase.
Häufige Fehler
- Zu hohe Temperaturen (>28°C): Photorespiration steigt → Nettophotosynthese sinkt trotz gutem Licht
- CO₂-Düngung ohne ausreichend Licht: Wirkungslos oder negativ (Stomata schließen bei hohem CO₂ intern)
- Lichtsättigungsgrenze ignorieren: >1200 µmol ohne CO₂-Supplementierung: kein Mehrertrag, aber mehr Wärme
Verwandte Begriffe
- calvin-zyklus — der Kohlenstofffixierungszyklus der C3-Photosynthese
- rubisco — das zentrale Enzym der CO₂-Fixierung
- photorespiration — der Verlustweg bei hohen Temperaturen
- co2-photosynthese — CO₂-Konzentrationseffekt auf Photosynthese
- lichtsaettigung — Lichtsättigungskurve von Cannabis
Quellen
- Chandra S. et al. (2008): DOI:10.1007/s12298-008-0027-x. PMID:23573017
- Chandra S. et al. (2011): DOI:10.1016/j.jarmap.2014.09.002
- Taiz L. & Zeiger E. (2015): ISBN 9781605353531