Kurzdefinition
Der Calvin-Zyklus (C3-Zyklus) ist die lichtunabhängige Reaktionsfolge, die CO₂ unter Verbrauch von ATP und NADPH zu G3P (Glyceraldehyd-3-phosphat) fixiert. G3P ist der zentrale Kohlenstoff-Knotenpunkt für Wachstum, Saccharose-Export und Cannabinoid-/Terpenproduktion.
Wissenschaftliche Beschreibung
Drei Phasen
CO2 + RuBP → 2× 3-PGA [Carboxylierung, RuBisCO]
3-PGA + ATP → 1,3-BPG + ADP [PGK]
1,3-BPG + NADPH → G3P + Pi [G3PDH]
G3P (5/6) → Ru5P → RuBP + ATP [Regeneration, PRK]
Stöchiometrie
| Parameter | Pro CO₂ | Pro Glukose-Äquivalent (6 CO₂) |
|---|---|---|
| ATP | 3 | 18 |
| NADPH | 2 | 12 |
| G3P (netto) | 1/6 | 1 |
Cannabis-Parameter (FvCB-Modell)
| Parameter | Wert | Quelle |
|---|---|---|
| Vcmax | 100 ± 1 μmol/m²/s (Plastikkultur) | Martínez-Quesada 2025 |
| Vcmax | 41 ± 2.5 μmol/m²/s (25/20°C) | Chandra 2008/2011 |
| Jmax | 180 ± 1 μmol/m²/s | Martínez-Quesada 2025 |
| Jmax/Vcmax | ~1.8 | Typisch C3 |
| Pn-max (HP Mexican) | 26.42 μmol CO₂/m²/s bei 35°C | Chandra 2011 |
| Pn-max (Fasertypen) | 19–24 μmol CO₂/m²/s | Chandra 2011 |
| Temperaturoptimum | 25–30°C | Chandra 2008/2011 |
C3 vs. C4 — Warum Cannabis C3 ist
| Merkmal | C3 (Cannabis sativa) | C4 (Zea mays) |
|---|---|---|
| Erstfixierung | RuBisCO im Mesophyll | PEP-Carboxylase im Mesophyll |
| Bundle-Sheath | Keine Chloroplasten | Calvin-Zyklus-Lokalisation |
| CO₂-Kompensationspunkt | 40–100 ppm | 0–10 ppm |
| Photorespiration | Signifikant | Minimal |
| Temperaturoptimum | 25–30°C | 30–40°C |
G3P als Kohlenstoff-Knotenpunkt
┌─ Saccharose (Phloem-Export zu Blüten/Meristem)
├─ Stärke (Chloroplasten-Speicher)
G3P → Pyruvat → ┬─ Acetyl-CoA → Malonyl-CoA → Cannabinoide (Polyketid-Weg)
│ │
│ └─ MVA-Weg (IPP/DMAPP, cytosolisch)
└─ Pyruvat + G3P → MEP-Weg → IPP/DMAPP → Terpene (Plastid)
Konsequenz: Eine erhöhte Calvin-Zyklus-Kapazität (Vcmax↑, CO₂↑, T-Optimum) steigert die Verfügbarkeit von Malonyl-CoA und GPP und damit das Cannabinoid-/Terpen-Potential.
Licht-Dunkel-Regulierung
Im Licht aktiviert das Ferredoxin/Thioredoxin-System (FTR) vier Schlüsselenzyme via Disulfidreduktion: PRK, G3PDH, FBPase, SBPase. In der Dunkelheit werden sie reoxidiert → Calvin-Zyklus stoppt. RuBisCO-Aktivierung zusätzlich über RuBisCO-Aktivase (RCA, ATP-abhängig, lichtreguliert).
Anbau-Relevanz
CO₂-Anreicherung: Direkteste Maßnahme zur Steigerung des Calvin-Zyklus-Durchsatzes: - 800–1500 ppm CO₂ → +30–50 % Photosyntheserate (Chandra 2011) - Schiebt CO₂-Kompensationspunkt nach unten; reduziert Photorespiration - Sinnvoll nur wenn Licht (PPFD) und Temperatur nicht limitieren
Temperatur: Optimum 25–30°C; >35°C → RCA-Hemmung → RuBisCO-Aktivitätsverlust; Photorespiration steigt.
Licht:Dunkel-Balance: Ausreichende Dunkelphase fördert Export gespeicherter Kohlenhydrate (Stärke-Abbau) ohne Calvin-Zyklus-Verlust.