Planta
Planta (Berl.)128, 167-171 (1976)
9 by Springer-Verlag 1976
Ver inderungen der Glyko- und Phospholipidgehalte w ihrend der Blattvergilbung* Manfred Tevini Botanisches Institut II (Pflanzenphysiologie) der Universit/it Karlsruhe, Kaiserstral3e 12, D-7500 Karlsruhe Federal Republic of Germany
Changes of Glyco- and Phospholipid Contents during Leaf Senescence Summary. The glyco- and phospholipid levels in green, green-yellow and yellow leaves of Impatiens balsamina L., Daucus carota L. and Cucurbita pepo L. were determined on a leaf area basis. In Fagus silvatica L. leaves the kinetics of lipid breakdown during autumnal senescence was analysed. It was shown that yellow tissues still contain 40% to 50% of galactolipids and 50% to 60% ofphospholipids present in green tissues. In the early stages of senescence of autumnal Fagus leaves we found a more rapid decline in the levels of the galactolipids and of the phospholipids phosphatidylglycerol and phosphatidylcholine, whereas in the later stages the breakdown of these lipids is slower than that of chlorophyll. The last yellow stage still contains 30% of the galactolipids and about 23% of the phospholipids present in fully greened leaves. Phosphatidylinositol shows a different behavior during senescence.
Einleitung Der ProzeB der Blattvergilbung ist mit der strukturellen VerS_nderung der Chloroplastenfeinstruktur gekoppelt (Gerola und Dassfi, 1960; Toyama und Ueda, 1965; Barton, 1966; Lichtenthaler, 1969; Ljubegi6, 1968) und lfiuft in der Regel am Ende der Vegetationsperiode sukzessive ab. Jedoch lassen sich auch experimentell durch Abschneiden der BlOtter oder/und durch LichtabschluB degenerative Stadien des Blattgewebes hervorrufen (Butler, 1967; Harding et al., * Abkiirzungen : MGD = Monogalaktosyldiglycerid, DGD = Digalaktosyldiglycerid, SL=Sulfolipid, GPC=Glycerophosphatidylcholin, GPE=Glycerophosphatidyl~ithanolamin, GPG=Glycerophosphatidylglycerin, GPI=Glycerophosphatidylinosit, GPS= Glycerophosphatidylserin, Gal-Lipide (GL)=Galaktolipide, PLipide (PL) = Phospholipide, Chl = Chlorophyll.
1968; R. Frey, pers6nliche Mitteilung; Lichtenthaler und Grumbach, 1973; Newman et al., 1973). Der Obergang zum photosynthetisch-inaktiven Chromoplasten der Herbstbl/itter vollzieht sich fiber den Abbau der Stromathylakoide, der Grana und schlieBlich im gelben Endstadium fiber den vollstfindigen Abbau der Thylakoide, wobei gleichzeitig das Volumen der Plastoglobuli zunimmt (Ljubesic, 1968; Lichtenthaler, 1969; Dodge, 1970). Man erh/ilt d6n globul6sen Chromoplastentyp, der ffir Herbstlaub charakteristisch ist und yon anderen Chromoplastentypen in der Feinstruktur erheblich abweicht (Sitte, 1974). In den Plastoglobuli werden wahrscheinlich die bei dem Thylakoidabbau vermehrt anfallenden lipophilen Plastidenchinone, deren Synthese auch in Chromoplasten unvermindert weiterl/iuft, abgelagert (Lichtenthaler, 1969). Neben dem Verschwinden der Chlorophylle (Hardwick und Woolhouse, 1967; Moore und Lovell, 1970) beobachtet man eine Verminderung gewisser Lipidkomponenten wie zum Beispiel von unges~ttigten Fettsfiuren (Newman et al., 1973). Im Gegensatz hierzu fand Draper (1969) in alternden Kotyledonen eine Akkumulation der dreifach ungesfittigten Linolensfiure, was auf einen Abbau der fettsfiuretragenden Glyceride, Glyko- und Phospholipide schliegen lfiBt. Kfirzlich wurde der vermutete Abbau von Glyko- und Phospholipiden in alternden Gurkenkotyledonen bestfitigt (Ferguson und Simon, 1973). In einer neueren Arbeit wurde von Liedvogel und Sitte (t974) der prozentuale Anteil von Glyko- und Phospholipiden in Membranen des membran6sen Chromoplastentyps yon Narzissenblfiten gemacht. Vergleichende Untersuchungen fiber das Verhalten der komplexeren Glycerolipide im Zusammenhang mit der globul6sen Chromoplastenbildung in normalen Laubblfittern wfihrend der gesamten Vegetationsperiode liegen bisher unseres Wissens nicht vor. In dieser Arbeit kamen daher grfine und alle Ubergangsstadien der vergilbenden Herbstblfitter von
168
Fagus silvatica und Platanus spec. bis zum braunen Endstadium zur Lipiduntersuchung. Vergleichsweise wurden zunrichst die Glyko- und Phospholipidgehalte grfiner und gelber Blfitter yon Impatiens balsaminaPflanzen, spriter auch grfiner, gelbgrfiner und gelber Blritter yon Cucurbita pepo untersucht. Die Blattvergilbung dieser Pflanzen ist nicht saisonbedingt wie die herbstliche Blattverfrirbung, sondern kann zu verschiedenen Jahreszeiten studiert werden.
M. Tevini: Verfinderungen w/ihrend der Blattvergilbung % 100IIDaucus 90-
gelbe BlOtter
.
..
8070605040-
Material und Methoden
3020-
Altere gelbe Impatiensblfitter waren in der Regel am unteren Hypokotylabschnitt inseriert, so dab sie zusammen mit den grtinen Blfittern der Spro6spitze der gleichen Pflanze zur Analyse verwendet werden konnten. Ahnliche Blattstadien lassen sich zum gleichen Zeitpunkt auch an vegetativen Sprossen von Cucurbita finden. Das Herbstlaub von Fagus silvatica wurde jeweils vom gleichen Baum und von dem gleichen Sonnenseitenareal geerntet. Aus nahezu gleichgeformten Blfittern verschiedener Vergilbungsstadien wurden aus dem kongruenten Blattareal Stanzstiicke gleicher Gr613e entnommen und zur Lipidanalyse verwendet. Die Lipidextraktion, -trennung und quantitative Bestimmung erfolgte nach bereits frfiher beschriebenen Methoden (Tevini, 1971). In einigen FS.11en wurde ein neu entwickeltes zweidimensionales Laufmittelsystem verwendet: 1. Richtung: Chloroform:Methanol:Eisessig:Wasser= 85:25:15:3, 2. Richtung: Aceton:Eisessig=80:20. Die quantitative Besdmmung der Chlorophylle erfolgte nach Ziegler und Egle. Die Lipidwerte wurden mehrfach bestimmt und zeigten Abweichungen von _+3%.
Ergebnisse und Diskussion
Die Blattvergilbung ist von der Chloroplastendegeneration, d.h. vom Abbau der Thylakoide und der im Chloroplasten lokalisierten Lipide gekennzeichnet (Ljubegi6, 1968; Draper, 1969; Ferguson und Simon, 1973). Im Gegensatz zu den Chlorophyllen werden verschiedene Thylakoidkomponenten wie z.B. die Galaktolipide nicht vollstrindig abgebaut. In gelben N/ittern krautiger Pflanzen (Impatiens, Cucurbita, Daucus, Phaseolus) und insbesondere in Laubbaumblrittern yon Fagus wird der Galaktolipidgehalt in bezug auf die Blattflriche je nach Pflanzenart um ca. 50--80% vermindert (Abb. 1 und 2, Tabelle 1 und 2). Ahnliche Beobachtungen wurden an alternden Gurkenkotyledonen gemacht (Ferguson und Simon, 1973). Es ist denkbar, dab die Restmenge der Galaktolipide nicht mit der Chloroplastendegeneration einhergeht, weil sie aul3erhalb der Plasiden in anderen Membransystemen lokalisiert ist, wie das bereits frtiher ftir Chloroplasten nachgewiesen wurde (K6nig, 1971; Tevini, 1972; Schwertner und Biale, 1973). Eine weitere M6glichkeit besteht jedoch darin, da6 ein von Pflanzenart zu Pflanzenart unterschiedlich hoher Teil der Galaktolipide in den Plastoglobuli der globul6sen Herbst-
100-
MGD
DGD
SL
GL
GPC
GPG
GPE
GPI
GPS
PL
Abb. 1. Relative prozentuale Olyko- und Phospholipidgehalte gelber Impatiens- und Daucusblfitter. (Gehalte grfiner Bl~itter= 100%)
laubchromoplasten deponiert wird. Der besonders hohe Anteil an Galaktolipiden in gelben Platanusblrittern k6nnte darauf ein Hinweis sein (Tabelle 1). Neben den Galaktolipiden sind jedoch auch die Phospholipide mit der Chloroplastendegeneration gekoppelt. Im Vergleich zum grtinen Blatt finder man in gelben Blrittern zwischen 3 0 - 6 6 % der Phospholipide (Abb. 1 und 2, Tabelle 1 und 2). Da die Phospholipide GPC, GPE, GPS und wahrscheinlich auch GPG ebenfalls nicht quantitativ in Chloroplasten lokalisiert sind (Tevini, 1971), sondern auch beispielsweise in Mitochondrien (Abdelkader et al., 1969), k6nnte die Verminderung der Phospholipidgehalte gelber Blritter auch aus dem Abbau dieser Organellen herriihren. Mitochondrien werfen jedoch erst in einem riu6erst spriten Stadium des alternden Blattes, viel spriter als die Chloroplasten, morphologisch und biochemisch verrindert (Butler, 1967). Dementsprechend dtirfte auch der GPC- und GPE-Spiegel im gelben Blatt nicht wesentlich von dem des grfinen Blattes abweichen. Das Gegenteil ist der Fall (Tabelle 1, Abb. 1): Trotzdem kann die Beteiligung der Phospholipide speziell an der Chlorplastendegeneration durch Vergleich yon ,,grfin" und ,,gelb" nicht eindeutig bewiesen werden, da bei den hier verwendeten gelben Impatiensblrittern bereits ein sprites Abbaustadium vorgelegen haben k6nnte, in dem auch die Mitochondrien schon angegriffen waren. Bei Daucusblrittern (Abb. 1) scheint die Chloroplastendegeneration noch nicht soweit fortgeschritten zu sein wie in Impatiensblrittern. Aus diesem Grunde wurden die Untersuchungen auf riltere und gelbgrfine Blritter, diesmal v o n d e r krautigen Cucurbitaceae Cucurbita pepo, ausgedehnt (Abb. 2). Daneben kamen auch lgbergangsstadien der Laubblritter von Fagus silvatica und Platanus spec. zur Untersu-
M. Tevini : Ver~inderungen w~hrend der Blattvergilbung
169
Tabelle 1. Glyko- und Phospholipidgehalte griiner, gelbgrfiner und gelber Blfitter. Angaben in gg/10 cm 2 Blattfl~iche Objekt
MGD
DGD
%~
SL
GPC
GPG
GPE
GPI
GPS
~2
2 420 516
1 465 295
76,7 66,3
318 III
330 101
170 19
238 100
78 38
gelbgr(in gelb
1 530 942 590
800 524 290
55,6 53,2 50,0
210 210 140
606 377 244
356 210 124
440 283 222
201 105 100
48 I05 49
4 191 2 756 1 759
3. Daucus ~ grfin gelb
4 333 1 538
1 883 1 275
79,1 78,4
519 175
349 259
333 103
284 156
162 81
tr tr
7 863 3 587
4. Phaseolus grtin gelb
4 107 2 378
2 346 1 544
75,3 68,5
388 564
674 578
411 199
468 290
180 176
tr tr
8 574 5 729
a) Krautige PJTanzen 1. Impatiens grfin gelb
47,6 43
5 067 1 223
2. Cucurbita
griin
b) Laubbaumbl6tter 1. Fagus silvatica grfin gelbgrfin gelb
467 162 172
351 361 86
92,8 89,2 92,8
n.b. n.b. n.b.
32 27 9
22 14 3
19 13 2
7 9 6
tr
tr tr
881 586 278
2. Platanus spec. grfin gelbgr/in gelb
464 391 407
312 410 405
71,5 74,2 72,6
87 102 132
72 54 56
49 38 29
54 69 53
48 b 15b 37 b
tr tr tr
1 086 1 079 1 119
Angaben in gg/lg Frischgewicht, n.b. =nicht sicher bestimmbar. b kein GPI, unbekanntes Phospholipid, Molgewicht wurde wie GPI gew~ihlt. c % =prozentualer Anteil der Galaktolipide am Gesamtglycerolipidgehalt.
Tabelle 2. Chlorophyll-, Galakto- und Phospholipidgehalte in griinen, gelbgrfinen, gelben und gelbbraunen Herbstblfittern yon Fagus silvatica. Angaben in gg/10cm 2 BlattflS, che. Zahlen in Klammern =relative prozentuale Anteile in den einzelnen Stadien. Kolumne 3 Zahlenwerte ffir das Chlorophyll a/b-Verh/iltnis Datum
Chl
(%)
a+ b 18.8. 21.9. 29.9. 6.10. 12.10. 19.10. 27.10.
107 93 89 65 17 tr 0
(100) (86.5) (83.5) (70.4) (15.4) -
Chl a/b
Gal-
2.53 2.43 2.30 2.32 2.0 0 0
1 023 774 538 523 302 320 259
(%)
Lipide
P-
(%)
Lipide (100) (75.6) (52.6) (51.1) (29.4) (31.2) (25.3)
82 63 65 63 39 19 10
(100) (76.8) (79.2) (76.8) (47.5) (23.1) (12.1)
chung (Tabelle l, Abb. 3 und 4). In den griinen und gelbgriinen Stadien ist man absolut sicher, dab noch kein wesentlicher Mitochondrienabbau stattfindet (Butler, 1967), so dab in diesem Fall die Lipidver~inderungen eine reine Chloroplastendegeneration widerspiegeln. Wie die prozentualen Anteile aller Lipide in grfinen, gelbgrfinen und gelben Geweben krautiger Pflanzen (Tabelle 1, Abb. 1 und 2) beweisen, schreitet
der Abbau aller untersuchten Glycerolipide mit Ausnahme von GPS fast linear bis zu einer unterschiedlich hohen Restmenge fort. Man kann somit nunmehr eine direkte Korrelation zwischen der fortschreitenden Chloroplastendegeneration in krautigen Pflanzenblfittern und dem gleichzeitigen Abbau der Galaktolipide und der Phospholipide GPC, GPG, GPI und GPE herleiten. Diese Komponenten wurden in isolierten Chloroplastenpartikeln gefunden, so dab jetzt auch f/ir diese Phospholipide keine Zweifel mehr/iber ihr auch mengenmfiBig relativ hohes Vorkommen in Chloroplasten bestehen kann (Tevini, 1972). Auch in Laubbaumblfittern kann man eine direkte zeitliche Korrelation zwischen der Vergilbung und dem Abbau der Galakto- und Phospholipide herleiten, wenn auch der Chlorophyllabbau zeitlich nicht strikt identisch ist mit dem zeitlichen Abbau der fibrigen Lipide (Abb. 3 und 4). Aul3erdem weichen in Laubbaumblfittern die Phospholipide GPE und GPI etwas von dem ,,normalen" Verhalten ab (Abb. 4). Eine Erklfirung kann zur Zeit nicht gegeben werden. Der Befund eines allgemeinen Abbaus der Glycerolipide bei der Chloroplastendegeneration steht jedoch in einem Widerspruch zu den Befunden bei der
170
M. Tevini : VerS.nderungen w~hrend der Blattvergilbung
%
iiit
IOO-
9 getbgrOne Btatter [] getbe Btetter
~ 90..,-,'E80- ~
MGD DGD DChl.a.b
o
.~ _
~
a
a
9
X
k
o 70-
100"
6050-
90
4.0-
80
3070
2010-
60
18'.8
50
21'.9 29'.9 6'.10 1211019',1027'.10 Datum grfin gelb J ge[b [ gelb gr6n ~ = braun
Abb. 3. Relative prozentuale Chlorophyll- und Galaktolipidgehalte w~ihrend der Chloroplastendegeneration in Fagusblfittern. (LipidGehalte grfiner B1/itter vom 18.8. = 100%)
4.O 30 20
10
llJ
0
SL GPC GPG GPE GPI GPS Abb. 2. RelativeMGD DGDprozentualeGlyko- und Phospholipidgehalte gelbgr/iner und gelber Cucubitablfitter. (Gehalte grfiner BlOt-
o
~100-
o~o
-~ 90~ 80-
A
~
i
; \
* ~
9
70-
= GPC GPE ~GPG
' /
GPI
'DCht a.b
~ a
t e r = 100%) 60-
50-
Chromoplastenentwicklung reifender Fruchtschalen, bei der eine Erh6hung des Galaktolipidgehaltes gefunden wurde (Tevini, 1972a). Der Gegensatz l~igt sich nur so deuten, dab bei der Chromoplastenbildung der Fruchtschalen zun/ichst ein station~irer Zustand eines vollausgebildeten Chromoplasten entsteht, der fiber 1/ingere Zeit biosynthetisch aktiv bleibt. Hingegen haben w i r e s offenbar bei der Vergilbung der Laubblfitter mit einem Abbauvorgang zu tun, bei dem auch sukzessive das Biosyntheseverm6gen sowohl der Glyceroverbindungen wie auch deren Fettsfiuren eingeschrfinkt und die T/itigkeit katabolischer Enzyme verstfirkt wird. Wie die Untersuchung des prozentualen Fetts/iuremusters in grfinen und gelben Phaseolusbl/ittern zeigt, ist mit dem Abbau der Glycerolipide eine prozentuale Verminderung der Linolens/iure C18:3 um ca. 20% gekoppelt (Tabelle 3). Der prozentuale Anteil der Palmitins/iure Ct6:0 steigt dagegen yon ca. 9% im grfinen Blatt auf 26% im gelben Blatt. Somit ist mit der Verminderung der Thylakoidkomponenten vom Glycerolipidtyp gleichzeitig eine Ver/inderung_ der Fetts/iuren yon unges/ittigten langkettigen zu ges~ttigten kiirzerkettigen FettsS.uren ver-
---~'~
J'
4.0-
302o10-
~ !~i~i i
I
0- 18.8
i
I
I
I
21~.9 29.9 6.10 12[1019.10 27.10 Datum 9r/,in gelb ] 9etb getb 9r0n 9 braun
Abb. 4. Relative prozentuale Chlorophyll- und Phospholipidgehalte wS.hrend der Chloroplastendegeneration in Fagusbl~ttern. (LipidGehalte grfiner B1Mter vom 18.8. = 100%)
Tabelle 3. Relative prozentuale Fettsfi.urezusammensetzung yon grfinen und gelben Phaseolusbl~ttern Fet tsS.uren
14:2
t6:0
16:1 ~ 18:0
18:1
18:2
18:3
2,5 4,5
8,6 25,7
5,1 6,3
6,2 9,2
11,3 5,9
65,0 45,7
Phaseolusblatt grfin gelb
16:1 =A3 transci6:1.
1,0 2,6
M. Tevini : Verfinderungen w/ihrend der Blattvergilbung
bunden, was frfiheren Befunden voll entspricht (Newman et aI., 1973). Allerdings zeigt die Tatsache, dab bei gelben Fagusblfittern der MGD-Gehalt zuungunsten des DGD-Gehaltes zunimmt, auch an; daB bestimmte Biosyntheseenzyme wie z.B. die Galaktosyltransferase neben den katabolischen Enzymen wie z.B. der Galaktosylhydrolase noch lfingere Zeit aktiv bleiben. Frfiulein Hildegard Matzkeit danken wir ftir gute technische Assistenz, Herrn Frey fiir die Bestimmung der Faguslipidwerte (Tell der Staatsexamensarbeit, Karlsruhe 1973) und der Deutschen Forschungsgemeinschaft f/ir Personal- und Sachmittel.
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Changes of Glyco- and Phospholipid Contents during Leaf Senescence Summary. The glyco- and phospholipid levels in green, green-yellow and yellow leaves of Impatiens balsamina L., Daucus carota L. and Cucurbita pepo L. were determined on a leaf area basis. In Fagus silvatica L. leaves the kinetics of lipid breakdown during autumnal senescence was analysed. It was shown that yellow tissues still contain 40% to 50% of galactolipids and 50% to 60% ofphospholipids present in green tissues. In the early stages of senescence of autumnal Fagus leaves we found a more rapid decline in the levels of the galactolipids and of the phospholipids phosphatidylglycerol and phosphatidylcholine, whereas in the later stages the breakdown of these lipids is slower than that of chlorophyll. The last yellow stage still contains 30% of the galactolipids and about 23% of the phospholipids present in fully greened leaves. Phosphatidylinositol shows a different behavior during senescence.
Einleitung Der ProzeB der Blattvergilbung ist mit der strukturellen VerS_nderung der Chloroplastenfeinstruktur gekoppelt (Gerola und Dassfi, 1960; Toyama und Ueda, 1965; Barton, 1966; Lichtenthaler, 1969; Ljubegi6, 1968) und lfiuft in der Regel am Ende der Vegetationsperiode sukzessive ab. Jedoch lassen sich auch experimentell durch Abschneiden der BlOtter oder/und durch LichtabschluB degenerative Stadien des Blattgewebes hervorrufen (Butler, 1967; Harding et al., * Abkiirzungen : MGD = Monogalaktosyldiglycerid, DGD = Digalaktosyldiglycerid, SL=Sulfolipid, GPC=Glycerophosphatidylcholin, GPE=Glycerophosphatidyl~ithanolamin, GPG=Glycerophosphatidylglycerin, GPI=Glycerophosphatidylinosit, GPS= Glycerophosphatidylserin, Gal-Lipide (GL)=Galaktolipide, PLipide (PL) = Phospholipide, Chl = Chlorophyll.
1968; R. Frey, pers6nliche Mitteilung; Lichtenthaler und Grumbach, 1973; Newman et al., 1973). Der Obergang zum photosynthetisch-inaktiven Chromoplasten der Herbstbl/itter vollzieht sich fiber den Abbau der Stromathylakoide, der Grana und schlieBlich im gelben Endstadium fiber den vollstfindigen Abbau der Thylakoide, wobei gleichzeitig das Volumen der Plastoglobuli zunimmt (Ljubesic, 1968; Lichtenthaler, 1969; Dodge, 1970). Man erh/ilt d6n globul6sen Chromoplastentyp, der ffir Herbstlaub charakteristisch ist und yon anderen Chromoplastentypen in der Feinstruktur erheblich abweicht (Sitte, 1974). In den Plastoglobuli werden wahrscheinlich die bei dem Thylakoidabbau vermehrt anfallenden lipophilen Plastidenchinone, deren Synthese auch in Chromoplasten unvermindert weiterl/iuft, abgelagert (Lichtenthaler, 1969). Neben dem Verschwinden der Chlorophylle (Hardwick und Woolhouse, 1967; Moore und Lovell, 1970) beobachtet man eine Verminderung gewisser Lipidkomponenten wie zum Beispiel von unges~ttigten Fettsfiuren (Newman et al., 1973). Im Gegensatz hierzu fand Draper (1969) in alternden Kotyledonen eine Akkumulation der dreifach ungesfittigten Linolensfiure, was auf einen Abbau der fettsfiuretragenden Glyceride, Glyko- und Phospholipide schliegen lfiBt. Kfirzlich wurde der vermutete Abbau von Glyko- und Phospholipiden in alternden Gurkenkotyledonen bestfitigt (Ferguson und Simon, 1973). In einer neueren Arbeit wurde von Liedvogel und Sitte (t974) der prozentuale Anteil von Glyko- und Phospholipiden in Membranen des membran6sen Chromoplastentyps yon Narzissenblfiten gemacht. Vergleichende Untersuchungen fiber das Verhalten der komplexeren Glycerolipide im Zusammenhang mit der globul6sen Chromoplastenbildung in normalen Laubblfittern wfihrend der gesamten Vegetationsperiode liegen bisher unseres Wissens nicht vor. In dieser Arbeit kamen daher grfine und alle Ubergangsstadien der vergilbenden Herbstblfitter von
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Fagus silvatica und Platanus spec. bis zum braunen Endstadium zur Lipiduntersuchung. Vergleichsweise wurden zunrichst die Glyko- und Phospholipidgehalte grfiner und gelber Blfitter yon Impatiens balsaminaPflanzen, spriter auch grfiner, gelbgrfiner und gelber Blritter yon Cucurbita pepo untersucht. Die Blattvergilbung dieser Pflanzen ist nicht saisonbedingt wie die herbstliche Blattverfrirbung, sondern kann zu verschiedenen Jahreszeiten studiert werden.
M. Tevini: Verfinderungen w/ihrend der Blattvergilbung % 100IIDaucus 90-
gelbe BlOtter
.
..
8070605040-
Material und Methoden
3020-
Altere gelbe Impatiensblfitter waren in der Regel am unteren Hypokotylabschnitt inseriert, so dab sie zusammen mit den grtinen Blfittern der Spro6spitze der gleichen Pflanze zur Analyse verwendet werden konnten. Ahnliche Blattstadien lassen sich zum gleichen Zeitpunkt auch an vegetativen Sprossen von Cucurbita finden. Das Herbstlaub von Fagus silvatica wurde jeweils vom gleichen Baum und von dem gleichen Sonnenseitenareal geerntet. Aus nahezu gleichgeformten Blfittern verschiedener Vergilbungsstadien wurden aus dem kongruenten Blattareal Stanzstiicke gleicher Gr613e entnommen und zur Lipidanalyse verwendet. Die Lipidextraktion, -trennung und quantitative Bestimmung erfolgte nach bereits frfiher beschriebenen Methoden (Tevini, 1971). In einigen FS.11en wurde ein neu entwickeltes zweidimensionales Laufmittelsystem verwendet: 1. Richtung: Chloroform:Methanol:Eisessig:Wasser= 85:25:15:3, 2. Richtung: Aceton:Eisessig=80:20. Die quantitative Besdmmung der Chlorophylle erfolgte nach Ziegler und Egle. Die Lipidwerte wurden mehrfach bestimmt und zeigten Abweichungen von _+3%.
Ergebnisse und Diskussion
Die Blattvergilbung ist von der Chloroplastendegeneration, d.h. vom Abbau der Thylakoide und der im Chloroplasten lokalisierten Lipide gekennzeichnet (Ljubegi6, 1968; Draper, 1969; Ferguson und Simon, 1973). Im Gegensatz zu den Chlorophyllen werden verschiedene Thylakoidkomponenten wie z.B. die Galaktolipide nicht vollstrindig abgebaut. In gelben N/ittern krautiger Pflanzen (Impatiens, Cucurbita, Daucus, Phaseolus) und insbesondere in Laubbaumblrittern yon Fagus wird der Galaktolipidgehalt in bezug auf die Blattflriche je nach Pflanzenart um ca. 50--80% vermindert (Abb. 1 und 2, Tabelle 1 und 2). Ahnliche Beobachtungen wurden an alternden Gurkenkotyledonen gemacht (Ferguson und Simon, 1973). Es ist denkbar, dab die Restmenge der Galaktolipide nicht mit der Chloroplastendegeneration einhergeht, weil sie aul3erhalb der Plasiden in anderen Membransystemen lokalisiert ist, wie das bereits frtiher ftir Chloroplasten nachgewiesen wurde (K6nig, 1971; Tevini, 1972; Schwertner und Biale, 1973). Eine weitere M6glichkeit besteht jedoch darin, da6 ein von Pflanzenart zu Pflanzenart unterschiedlich hoher Teil der Galaktolipide in den Plastoglobuli der globul6sen Herbst-
100-
MGD
DGD
SL
GL
GPC
GPG
GPE
GPI
GPS
PL
Abb. 1. Relative prozentuale Olyko- und Phospholipidgehalte gelber Impatiens- und Daucusblfitter. (Gehalte grfiner Bl~itter= 100%)
laubchromoplasten deponiert wird. Der besonders hohe Anteil an Galaktolipiden in gelben Platanusblrittern k6nnte darauf ein Hinweis sein (Tabelle 1). Neben den Galaktolipiden sind jedoch auch die Phospholipide mit der Chloroplastendegeneration gekoppelt. Im Vergleich zum grtinen Blatt finder man in gelben Blrittern zwischen 3 0 - 6 6 % der Phospholipide (Abb. 1 und 2, Tabelle 1 und 2). Da die Phospholipide GPC, GPE, GPS und wahrscheinlich auch GPG ebenfalls nicht quantitativ in Chloroplasten lokalisiert sind (Tevini, 1971), sondern auch beispielsweise in Mitochondrien (Abdelkader et al., 1969), k6nnte die Verminderung der Phospholipidgehalte gelber Blritter auch aus dem Abbau dieser Organellen herriihren. Mitochondrien werfen jedoch erst in einem riu6erst spriten Stadium des alternden Blattes, viel spriter als die Chloroplasten, morphologisch und biochemisch verrindert (Butler, 1967). Dementsprechend dtirfte auch der GPC- und GPE-Spiegel im gelben Blatt nicht wesentlich von dem des grfinen Blattes abweichen. Das Gegenteil ist der Fall (Tabelle 1, Abb. 1): Trotzdem kann die Beteiligung der Phospholipide speziell an der Chlorplastendegeneration durch Vergleich yon ,,grfin" und ,,gelb" nicht eindeutig bewiesen werden, da bei den hier verwendeten gelben Impatiensblrittern bereits ein sprites Abbaustadium vorgelegen haben k6nnte, in dem auch die Mitochondrien schon angegriffen waren. Bei Daucusblrittern (Abb. 1) scheint die Chloroplastendegeneration noch nicht soweit fortgeschritten zu sein wie in Impatiensblrittern. Aus diesem Grunde wurden die Untersuchungen auf riltere und gelbgrfine Blritter, diesmal v o n d e r krautigen Cucurbitaceae Cucurbita pepo, ausgedehnt (Abb. 2). Daneben kamen auch lgbergangsstadien der Laubblritter von Fagus silvatica und Platanus spec. zur Untersu-
M. Tevini : Ver~inderungen w~hrend der Blattvergilbung
169
Tabelle 1. Glyko- und Phospholipidgehalte griiner, gelbgrfiner und gelber Blfitter. Angaben in gg/10 cm 2 Blattfl~iche Objekt
MGD
DGD
%~
SL
GPC
GPG
GPE
GPI
GPS
~2
2 420 516
1 465 295
76,7 66,3
318 III
330 101
170 19
238 100
78 38
gelbgr(in gelb
1 530 942 590
800 524 290
55,6 53,2 50,0
210 210 140
606 377 244
356 210 124
440 283 222
201 105 100
48 I05 49
4 191 2 756 1 759
3. Daucus ~ grfin gelb
4 333 1 538
1 883 1 275
79,1 78,4
519 175
349 259
333 103
284 156
162 81
tr tr
7 863 3 587
4. Phaseolus grtin gelb
4 107 2 378
2 346 1 544
75,3 68,5
388 564
674 578
411 199
468 290
180 176
tr tr
8 574 5 729
a) Krautige PJTanzen 1. Impatiens grfin gelb
47,6 43
5 067 1 223
2. Cucurbita
griin
b) Laubbaumbl6tter 1. Fagus silvatica grfin gelbgrfin gelb
467 162 172
351 361 86
92,8 89,2 92,8
n.b. n.b. n.b.
32 27 9
22 14 3
19 13 2
7 9 6
tr
tr tr
881 586 278
2. Platanus spec. grfin gelbgr/in gelb
464 391 407
312 410 405
71,5 74,2 72,6
87 102 132
72 54 56
49 38 29
54 69 53
48 b 15b 37 b
tr tr tr
1 086 1 079 1 119
Angaben in gg/lg Frischgewicht, n.b. =nicht sicher bestimmbar. b kein GPI, unbekanntes Phospholipid, Molgewicht wurde wie GPI gew~ihlt. c % =prozentualer Anteil der Galaktolipide am Gesamtglycerolipidgehalt.
Tabelle 2. Chlorophyll-, Galakto- und Phospholipidgehalte in griinen, gelbgrfinen, gelben und gelbbraunen Herbstblfittern yon Fagus silvatica. Angaben in gg/10cm 2 BlattflS, che. Zahlen in Klammern =relative prozentuale Anteile in den einzelnen Stadien. Kolumne 3 Zahlenwerte ffir das Chlorophyll a/b-Verh/iltnis Datum
Chl
(%)
a+ b 18.8. 21.9. 29.9. 6.10. 12.10. 19.10. 27.10.
107 93 89 65 17 tr 0
(100) (86.5) (83.5) (70.4) (15.4) -
Chl a/b
Gal-
2.53 2.43 2.30 2.32 2.0 0 0
1 023 774 538 523 302 320 259
(%)
Lipide
P-
(%)
Lipide (100) (75.6) (52.6) (51.1) (29.4) (31.2) (25.3)
82 63 65 63 39 19 10
(100) (76.8) (79.2) (76.8) (47.5) (23.1) (12.1)
chung (Tabelle l, Abb. 3 und 4). In den griinen und gelbgriinen Stadien ist man absolut sicher, dab noch kein wesentlicher Mitochondrienabbau stattfindet (Butler, 1967), so dab in diesem Fall die Lipidver~inderungen eine reine Chloroplastendegeneration widerspiegeln. Wie die prozentualen Anteile aller Lipide in grfinen, gelbgrfinen und gelben Geweben krautiger Pflanzen (Tabelle 1, Abb. 1 und 2) beweisen, schreitet
der Abbau aller untersuchten Glycerolipide mit Ausnahme von GPS fast linear bis zu einer unterschiedlich hohen Restmenge fort. Man kann somit nunmehr eine direkte Korrelation zwischen der fortschreitenden Chloroplastendegeneration in krautigen Pflanzenblfittern und dem gleichzeitigen Abbau der Galaktolipide und der Phospholipide GPC, GPG, GPI und GPE herleiten. Diese Komponenten wurden in isolierten Chloroplastenpartikeln gefunden, so dab jetzt auch f/ir diese Phospholipide keine Zweifel mehr/iber ihr auch mengenmfiBig relativ hohes Vorkommen in Chloroplasten bestehen kann (Tevini, 1972). Auch in Laubbaumblfittern kann man eine direkte zeitliche Korrelation zwischen der Vergilbung und dem Abbau der Galakto- und Phospholipide herleiten, wenn auch der Chlorophyllabbau zeitlich nicht strikt identisch ist mit dem zeitlichen Abbau der fibrigen Lipide (Abb. 3 und 4). Aul3erdem weichen in Laubbaumblfittern die Phospholipide GPE und GPI etwas von dem ,,normalen" Verhalten ab (Abb. 4). Eine Erklfirung kann zur Zeit nicht gegeben werden. Der Befund eines allgemeinen Abbaus der Glycerolipide bei der Chloroplastendegeneration steht jedoch in einem Widerspruch zu den Befunden bei der
170
M. Tevini : VerS.nderungen w~hrend der Blattvergilbung
%
iiit
IOO-
9 getbgrOne Btatter [] getbe Btetter
~ 90..,-,'E80- ~
MGD DGD DChl.a.b
o
.~ _
~
a
a
9
X
k
o 70-
100"
6050-
90
4.0-
80
3070
2010-
60
18'.8
50
21'.9 29'.9 6'.10 1211019',1027'.10 Datum grfin gelb J ge[b [ gelb gr6n ~ = braun
Abb. 3. Relative prozentuale Chlorophyll- und Galaktolipidgehalte w~ihrend der Chloroplastendegeneration in Fagusblfittern. (LipidGehalte grfiner B1/itter vom 18.8. = 100%)
4.O 30 20
10
llJ
0
SL GPC GPG GPE GPI GPS Abb. 2. RelativeMGD DGDprozentualeGlyko- und Phospholipidgehalte gelbgr/iner und gelber Cucubitablfitter. (Gehalte grfiner BlOt-
o
~100-
o~o
-~ 90~ 80-
A
~
i
; \
* ~
9
70-
= GPC GPE ~GPG
' /
GPI
'DCht a.b
~ a
t e r = 100%) 60-
50-
Chromoplastenentwicklung reifender Fruchtschalen, bei der eine Erh6hung des Galaktolipidgehaltes gefunden wurde (Tevini, 1972a). Der Gegensatz l~igt sich nur so deuten, dab bei der Chromoplastenbildung der Fruchtschalen zun/ichst ein station~irer Zustand eines vollausgebildeten Chromoplasten entsteht, der fiber 1/ingere Zeit biosynthetisch aktiv bleibt. Hingegen haben w i r e s offenbar bei der Vergilbung der Laubblfitter mit einem Abbauvorgang zu tun, bei dem auch sukzessive das Biosyntheseverm6gen sowohl der Glyceroverbindungen wie auch deren Fettsfiuren eingeschrfinkt und die T/itigkeit katabolischer Enzyme verstfirkt wird. Wie die Untersuchung des prozentualen Fetts/iuremusters in grfinen und gelben Phaseolusbl/ittern zeigt, ist mit dem Abbau der Glycerolipide eine prozentuale Verminderung der Linolens/iure C18:3 um ca. 20% gekoppelt (Tabelle 3). Der prozentuale Anteil der Palmitins/iure Ct6:0 steigt dagegen yon ca. 9% im grfinen Blatt auf 26% im gelben Blatt. Somit ist mit der Verminderung der Thylakoidkomponenten vom Glycerolipidtyp gleichzeitig eine Ver/inderung_ der Fetts/iuren yon unges/ittigten langkettigen zu ges~ttigten kiirzerkettigen FettsS.uren ver-
---~'~
J'
4.0-
302o10-
~ !~i~i i
I
0- 18.8
i
I
I
I
21~.9 29.9 6.10 12[1019.10 27.10 Datum 9r/,in gelb ] 9etb getb 9r0n 9 braun
Abb. 4. Relative prozentuale Chlorophyll- und Phospholipidgehalte wS.hrend der Chloroplastendegeneration in Fagusbl~ttern. (LipidGehalte grfiner B1Mter vom 18.8. = 100%)
Tabelle 3. Relative prozentuale Fettsfi.urezusammensetzung yon grfinen und gelben Phaseolusbl~ttern Fet tsS.uren
14:2
t6:0
16:1 ~ 18:0
18:1
18:2
18:3
2,5 4,5
8,6 25,7
5,1 6,3
6,2 9,2
11,3 5,9
65,0 45,7
Phaseolusblatt grfin gelb
16:1 =A3 transci6:1.
1,0 2,6
M. Tevini : Verfinderungen w/ihrend der Blattvergilbung
bunden, was frfiheren Befunden voll entspricht (Newman et aI., 1973). Allerdings zeigt die Tatsache, dab bei gelben Fagusblfittern der MGD-Gehalt zuungunsten des DGD-Gehaltes zunimmt, auch an; daB bestimmte Biosyntheseenzyme wie z.B. die Galaktosyltransferase neben den katabolischen Enzymen wie z.B. der Galaktosylhydrolase noch lfingere Zeit aktiv bleiben. Frfiulein Hildegard Matzkeit danken wir ftir gute technische Assistenz, Herrn Frey fiir die Bestimmung der Faguslipidwerte (Tell der Staatsexamensarbeit, Karlsruhe 1973) und der Deutschen Forschungsgemeinschaft f/ir Personal- und Sachmittel.
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