Die Pflanzenbiosynthese ist die Sammlung natürlicher Prozesse, die Pflanzen durchlaufen, um anorganische Mineralelemente wie Kalium und Stickstoff im Boden zusammen mit Elementen in Wasser und Luft in Nährstoffe umzuwandeln, wobei Energie verwendet wird, die ursprünglich aus Sonnenlicht gewonnen wird. Diese Prozesse werden für Pflanzen in drei grundlegende Kategorien unterteilt, die Photosynthese, Atmung und chemische Synthese umfassen. Wie Tiere und andere lebende Organismen wie Bakterien sind Pflanzen zum Überleben auf den Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid in der Atmosphäre angewiesen. Sie synthetisieren und spalten auch viele der gleichen Verbindungen in der Pflanzenbiosynthese wie Tiere, einschließlich Aminosäuren, Lipide und Kohlenhydrate.
Das Verständnis der Schlüsselprozesse der Photosynthese und Zellatmung in Pflanzen ist der erste Schritt zum Verständnis der Biosynthese in Pflanzen insgesamt. Photosynthese ist ein Prozess, der die Energie aus sichtbarem Licht in bestimmten Wellenlängen aufnimmt und durch die Verwendung von Chloroplasten in Zuckermolekülen in Pflanzen speichert. Chloroplasten sind kleine Organellen in Pflanzenzellen, die Chlorophyll enthalten, eine grüne Verbindung, die Pflanzen ihre Farbe verleiht und zur Synthese von Kohlenhydraten wie Zucker verwendet wird.
Die Pflanzenbiosynthese verwendet drei verschiedene Arten von Pigmenten, um die Lichtabsorption zu maximieren. Das Pigment Chlorophyll a absorbiert am stärksten Licht um die Wellenlänge von 430 Nanometer, das eine weitgehend blaue Farbe hat, und Chlorophyll b absorbiert Licht um eine Wellenlänge von 470 Nanometer, das richtig grün ist. Ein weiteres von einigen Pflanzen produziertes Pigment ist Carotinoid, das Licht im gelben bis orangen Bereich des sichtbaren Spektrums ab einer Wellenlänge von 500 Nanometern oder mehr absorbiert.
Die Pflanzenatmung ist auch ein Schlüsselmerkmal dafür, wie Pflanzen Kohlendioxid aufnehmen und Sauerstoff als Abgas entfernen, aber sie atmen diese Gase nicht ein und aus wie Tiere. Der Atmungsprozess bei der Pflanzenbiosynthese beinhaltet, dass Pflanzen Luft in ihre äußere Zellstruktur diffundieren lassen, wo diese kombinierten Gase dann durch Wasser zu inneren Zellmembranen transportiert werden. Die Energie für die Atmung stammt aus gespeicherter Glukose, die während der Photosynthese entsteht. Pflanzen bauen Glukose zur Energiegewinnung ab, genau wie Tiere es tun, und sind dabei mit einem Nettoenergiegewinn von 22% bis 38% ziemlich effizient. Dies ist vielen Formen moderner menschlicher Technologie überlegen, wie beispielsweise dem Automobil, das bei der Umwandlung von Benzin in Bewegungsenergie weniger als 25 % effizient ist.
Der Energiegewinnungsprozess in der Pflanzenbiosynthese basiert auf der gleichen chemischen Reaktion, die alle Tiere zur Energiegewinnung nutzen. Pflanzen verwenden Moleküle von Adenosintriphosphat (ATP), um Energie sowohl zu speichern als auch freizugeben, da ATP sowohl chemisch aufgebaut als auch von Mitochondrien in Pflanzenzellen abgebaut wird. Der Unterschied zwischen Pflanzen und Tieren in diesem Prozess besteht darin, dass die Abfallprodukte der Energieproduktion für Pflanzen auch Glukose, Sauerstoff und Wasser sind, die alle essentielle Verbindungen sind, auf die Tiere zum Überleben angewiesen sind.
Der Pflanzenstoffwechsel anderer Chemikalien kann äußerst komplex sein, und die Wissenschaft ist aufgrund der zahlreichen Arten nützlicher organischer Verbindungen, die Pflanzen produzieren, intensiv an der Untersuchung von Biosynthesewegen in Pflanzen beteiligt. Pflanzenenzyme sind seit 2011 dafür bekannt, über 200,000 verschiedene Arten von Chemikalien zu synthetisieren, von denen viele für die Verwendung in Nahrungsmitteln und Medikamenten gewonnen werden können. Die meisten kommerziell nützlichen Verbindungen, die durch Pflanzenbiosynthese hergestellt werden, können jedoch noch nicht in Laborumgebungen künstlich hergestellt werden, sodass die Pflanzen selbst angebaut werden müssen, um die Chemikalien zu ernten. Die Forschung zur Pflanzenbiosynthese ab 2011 konzentriert sich auf die eigentliche Methodik, die eine Pflanze verwendet, um eine Verbindung herzustellen, und wenn dies gründlich verstanden ist, können Zellkulturen der Pflanze in großen Mengen gezüchtet werden, um die Chemikalie kommerziell zu produzieren.