Kurzdefinition
Photosynthese ist der biochemische Prozess, durch den Cannabis (C3-Pflanze) Lichtenergie nutzt, um aus CO₂ und H₂O organische Verbindungen zu synthetisieren — die Grundlage für alle Biomasse- und Wirkstoffproduktion der Pflanze.
Wissenschaftliche Beschreibung
C3-Metabolismus
Cannabis sativa ist eine C3-Pflanze: CO₂ wird direkt durch RuBisCO in einem 3-Kohlenstoff-Intermediat (3-Phosphoglycerat) fixiert, ohne den Umweg über eine C4-Pumpe. Das macht Cannabis anfällig für Photorespiration bei hoher Temperatur und niedrigem CO₂.
Gesamtreaktion:
6 CO₂ + 6 H₂O + Licht → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂
Lichtreaktion (Thylakoid-Membran)
- Photosystem II (PSII): Absorption von Licht (Pmax bei 430 nm / 680 nm) → Wasseroxidation → O₂-Freisetzung → Elektronenübertragung auf Plastochinon
- Cytochrom-b6f-Komplex: Elektronen-Transport + Protonenpumpe → ΔpH für ATP-Synthase
- Photosystem I (PSI): Weiterer Elektronentransport → NADP⁺-Reduktion → NADPH
- ATP-Synthase: Protonengradienten → ATP
Ergebnis: ATP + NADPH (Assimilationsstrom)
Dunkelreaktion (Calvin-Zyklus, Stroma)
- Carboxylierung: RuBisCO fixiert CO₂ an RuBP (C5) → 2× 3-Phosphoglycerat (3-PGA)
- Reduktion: ATP + NADPH → Glycerinaldehyd-3-Phosphat (G3P)
- Regeneration: G3P → RuBP (ATP-verbrauchend) → nächster Zyklus
Netto: 3 CO₂ + 9 ATP + 6 NADPH → 1 G3P (Baustoff für Glucose, Saccharose, Stärke)
Cannabis-spezifische Photosyntheseparameter
| Parameter | Wert Cannabis | Quelle |
|---|---|---|
| Lichtsättigungspunkt (Lsatt) | 800–1500 µmol/m²/s PPFD | Chandra 2011 |
| Lichtkompensationspunkt (Lkomp) | 30–50 µmol/m²/s | Chandra 2011 |
| CO₂-Sättigungspunkt | ~1200-1500 ppm (bei Lsatt) | Chandra 2008 |
| Temperaturoptimum Pnetto | 25–30 °C | Chandra 2011 |
| Maximale Netto-Photosynthese | ~22 µmol CO₂/m²/s | Chandra 2011 |
| Apparente Quantenausbeute (α) | 0,042–0,056 µmol CO₂/µmol Photon | Rodriguez-Morrison 2021 |
| Dunkelrespiration (Rd) | 1,5–3,5 µmol CO₂/m²/s | Rodriguez-Morrison 2021 |
Limitierungsfaktoren
Die Photosyntheserate wird von drei Faktoren gleichzeitig begrenzt (Liebig-ähnlich): 1. Licht (bei Innenanbau häufig limitierend) 2. CO₂ (Atmosphäre 420 ppm; optimal 800-1500 ppm) 3. Temperatur (Enzymatik, RuBisCO-Aktivierung)
Zusätzlich begrenzen Stomata-Leitfähigkeit (gs) und VPD (Vapor Pressure Deficit) die CO₂-Aufnahme. Bei Temperaturen >32 °C sinkt gs deutlich (Chandra 2011), was die Photosynthese weiter hemmt.
Photorespiration und NPQ
Bei hoher Temperatur (>30 °C) und niedrigem CO₂ begünstigt RuBisCO die Oxygenasereaktion (Photorespiration): RuBP + O₂ → 3-PGA + 2-Phosphoglycolat. Dies kostet bis zu 25 % des fixierten Kohlenstoffs. Als Schutzmechanismus dient das nicht-photochemische Quenching (NPQ): Überschüssige Lichtenergie wird als Wärme über Xanthophyll-Zyklus (Violaxanthin → Zeaxanthin) dissipiert.
Biologische Auswirkungen
Photosynthese ist die treibende Kraft für: - Biomasse: G3P → Saccharose (Transport) → Glucose/Stärke (Speicher) → Zellwände, Fettsäuren - Cannabinoide: G3P → Pyruvat/Acetyl-CoA → MEP-/MVA-Weg → Isoprenoid-Präkursor für CBGA - Terpene: Gleiche Präkursoren (IPP/DMAPP) aus MEP-Weg - Wachstum: Gesamte Biomasseakkumulation ist Photosyntheserate × Zeit
Anbau-Relevanz
- DLI (Daily Light Integral): Gesamte Tageslicht-Dosis. Cannabis braucht ≥35-45 mol/m²/Tag für maximale Blütenproduktion; Rodriguez-Morrison et al. (2021) zeigten linear steigende Blütenerträge bis ~78 mol/m²/Tag.
- CO₂-Düngung: Erst sinnvoll wenn PPFD >600 µmol/m²/s; dann +15-40 % Biomasseertrag bei 1200 ppm (Chandra 2008: +50 % PN bei 750 ppm)
- Temperatur: >32 °C → RuBisCO-Hemmung, Photorespiration steigt stark → Ertragsverlust; Optimum 25-30 °C
- Licht + CO₂ koppeln: Höheres PPFD braucht mehr CO₂, da CO₂/PPFD-Limitierung sich verschiebt
- VPD: Hohe Luftfeuchtigkeit hält Stomata offen → bessere CO₂-Aufnahme → höhere Photosynthese; aber Schadstoffrisiko
Verwandte Begriffe
- photosynthese-lichtreaktion — detaillierte Lichtreaktion
- calvin-zyklus — Dunkelreaktion / CO₂-Fixierung
- rubisco — Schlüsselenzym der Carboxylierung
- lichtsaettigung — Lsatt und Lkomp bei Cannabis
- co2-duengung-enrichment — praktische CO₂-Anreicherung
- photorespiration — Verlustreaktion bei hoher Temperatur
- photoinhibition-npq — Schutzmechanismen bei Lichtüberschuss
Quellen
- Chandra S et al. (2011): Photosynthetic response of Cannabis sativa L. to variations in PPFD, temperature and CO2. Physiol Mol Biol Plants 17:291-295. PMID:23573987. DOI:10.1007/s12298-011-0066-6
- Chandra S et al. (2008): Photosynthetic response of Cannabis sativa L. to variations in PPFD, temperature and CO2. Physiol Mol Biol Plants 14:299-306. DOI:10.1007/s12298-008-0027-x
- Rodriguez-Morrison V, Llewellyn D, Zheng Y (2021): Cannabis Yield, Potency, and Leaf Photosynthesis Respond Differently to Increasing Light Levels. Front Plant Sci 12:646020. DOI:10.3389/fpls.2021.646020
- Eichhorn Bilodeau E et al. (2019): An Update on Plant Photobiology and Implications for Cannabis Production. Front Plant Sci 10:296. DOI:10.3389/fpls.2019.00296
- Potter DJ (2014): PhD thesis, Kings College London