Planta (Berl.) 71, 184--188 (1966)

Kurze ZUR

Mitteilung

W I I ~ K U N G D E S LICI-ITS A U F D A S I ~ U H E P O T E N T I A L DER GRUNEN PFLANZENZELLE* CLAUS SCHILDE Botanisehes Institut der Universit~t Tiibingen Eingegangen am 29. Juli 1966

ON THE EFFECT OF LIGHT ON THE RESTING POTENTIAL OF THE GREEN PLANT CELLS Summary. Through an actionspectrum it has been shown that light affects the membrane potential of the alga Acetabularia crenulata by way of the chloroplasts. NAGAI U. TAZAWA (1962) b e o b a e h t e t e n einen Anstieg des R u h e p o t e n tials a n d u n k e l a d a p t i e r t e n I n t e r n o d i a l z e l l e n d e r Characee Nitella/lexilis bei B e l e u c h t u n g m i t 1500 u n d 2000 L u x WeiBlieht u m 3 0 - - 6 0 m V in 20 rain nach einer L a t e n z z e i t y o n his zu 20 rain; dagegen erfolgte der Abfall auf den D u n k e l w e r t bei A b s e h a l t e n des Liehtes ohne Verzug. R o t e s u n d blaues L i e h t (Glasfilter, M a x i m a bei 650 u n d 450 nm, 148 u n d 140 erg em -2 see -1) erwiesen sich zur E r z e u g u n g einer P o t e n t i a l d i f f e r e n z zwisehen d e r v e r d u n k e l t e n u n d d e r b e l e u e h t e t e n I t ~ l f t e einer Zelle als s t a r k wirksam, w ~ h r e n d grfines L i e h t ( M a x i m u m bei 520 nm, 147 erg cm -2 see -1) keine oder fast keine W i r k u n g h a t t e . D a h e r v e r m u t e t e n die A u t o r e n , d a b d a s p h o t o e l e k t r i s c h w i r k s a m e L i c h t d u r c h die Chloroplast e n a b s o r b i e r t wird. - - BLINKS (1955) b e o b a c h t e t e einen Abfall des R u h e p o t e n t i a l s d e r Nitellazellen u m 5 0 - - 8 0 m V bei li~ngerer Beleuchtung. - I~ISHIZAKI (1963) zeigte a n Chara, d a b l~ichtung u n d GrSi~e d e r P o t e n t i a l v e r s e h i e b u n g bei B e l e u c h t u n g s v e r ~ n d e r u n g y o n d e r D a u e r u n d Sti~rke der Vorbelichtung abh~ngig sind. Der biophotoelektrische Effekt wurde durch intracellul~re Ableitung bisher an

Halicystis (Br~INKS,1939), an Nitella (Br~INKS, 1955; und NXGAIu. TAZAWA,1962), an Chara (NIsmzA~, 1963; und HOPE, 1965) und an Valonia (NIAnSH,zitiert nach BLINKS, 1955) gemessen. Dies und seine Beobachtung mittels extracellnl~rer Ableitung an hSheren Pflanzen, allein durch A. D. WALLER(1900) und J. C. WALL~.R (1925) an fiber ffinfzig Arten, macht es sehr wahrscheinlich, dab die Anderung des Plasmalemmapotentials, welches an den gemessenen Spannungen am st~rksten beteiligt sein dfirfte, bei einem Wechsel der Beleuchtung eine immanente Eigenschaft der grfinen Zellen ist. * Herr cand. rer. nat. Dietrich GlaADMANNhatte in Form einer Zulassungsarbeit fiir das Staatsexamen wesentlichen Antefl an den Experimenten. IIerrn Prof. Dr. E. B~NNING danken wir fiir die groBzfigige Unterstfitzung der Arbeit.

Wirkung des Lichts auf das Ruhepotential der griinen Pflanzenzelle

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Uns interessierte, wie weit sich die Pigmente, die die biophotoelektrische R e a k t i o n durch Lichtabsorption einleiten, mit den Chloroplastenpigmenten identifizieren lassen. Als geeignetes Versuchsobjekt erwies sich durch ihre schnelle u n d starke R e a k t i o n auf Beleuchtungs~nderungen die Meeresalge Acetabularia crenulata. Die Anzucht erfolgte nach Hs (1944) und BETH (1953). Die Temperafur schwankte, wie auch w~hrend der Experimente, zwischen 24--28 o C. Mindestens 14 Tage vor der Untersuchung erhielten die Zellen Dauerlicht yon ungef~hr 1000 Lux (Osram L.../25 und Osram L.../15). Verwendet wurden Zellen mit einem Durchmesser yon etwa 0,4 mm und einer L~nge yon 3 - 4 cm. Die Untersuchung erfolgte in Seewasser (Biologische Anstalt ttelgoland, Litora.lstation List) in Glas- bzw. Quarzscha]en, die yon unten beleuchtet wurden. Verwendet wurden Schott-InterferenzLinienfilter mit einer Halbwertsbreite zwischen 8 und 14 rim. Als Lichtquelle diente eine Xenon-Lampe. Eingestrahlt wurde quantengleiches Licht, bezogen auf die Wellenl~nge 401 nm mit einer Energie yon 3000 erg cm -~ sec-1 (Mon~ u. SeHOSER, 1959 U. 1960). Wir maSen das Ruhepotential mit seew~ssergefiillten Glasmikroelektroden (mit 3 mol KC1-L6sung geffillte Elektroden lieferten die gleichen Ergebnisse), einem Kathodenfolger nach BURKH~DT, 1959 und dem Oscillographen Tektronix 502 A. Intermittierende Beleuchtung (4 min hell, 4 rain dunkel) bewirkte bei Einschalten des Lichts ein Ansteigen der Potentialdifferenz zwischen innen u n d aul~en, wobei diese nach 2 - - 3 rain durch ein M a x i m u m ging und beim Verdunkeln einen steflen Abfall mit einem Minimum vor dem Einpendeln auf den Dunkelwert zeigte. Die Potentialdifferenz zwischen diesen E x t r e m w e r t e n wurde immer re_it der bei Einstrahlung der Wellenl~nge ~ = 470 n m auftretenden R e a k t i o n vergliehen. Die Kontrollwerte lagen zwischen 15 u n d 60 mV, meistens bei 40 inV. Der Quotient aus MeBwert u n d Mittelwert des vor und nach dem Mel3wert gewonnenen Kontrollwertes lieferte ein Mai3 der Re~ktion:

AU~ ~(A U~47o+ A U'~7o) Das Transmissionsspektrum wurde bei Protoplasmastr6mungs-Stillstand naeh ]eiehtem Quetsehen mit dem Universal-Mikro-Spektral-Photometer UI~SP I yon Carl Zeiss (0berkoehen) gemessen (Objektiv 100, Projektiv 100, l~eBblende 10, Leuehffeldblende 10, Verstgrker 2, Dgmpfung 2, Gesehwindigkeit 3, P~piervorschub 3). Das Aktionsspektrum (Abb. 1) zeigt Maxima in] roten und blauen Bereich. Ffir diese dfirfte die Absorption durch die Chlorophylle verantwortlich sein, deren Absorptionsmaxima yon 662 n m (Chlorophyll a) und 644 n m (Chlorophyll b) in Ather in der lebenden Zelle zwischen 670 und 680 und bei 650 n m liegen (Absorptionsangaben nach FB~NCH, 1960). Chlorophyll a h a t in der Zelle ein A b s o r p t i o n s m a x i m u m zwischen 430 u n d 445 n m u n d Chlorophyll b zwischen 470 und 490 rim, im letzteren Bereich wirkt sich aber much die Absorption durch die Carotinoide aus, y o n denen sechs durch I~ICHT]~ (1958) in Acetabularia mediterranea

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C. Scm~aE:

identifiziert wurden. Die starke Reaktion zwischen 570 und 630 nm kann kaum auf der Absorption durch Chlorophyll a, das in Ather Maxima bei 533, 578 und 615 nm hat, beruhen. Das Aktionsspektrum ~hnelt bis auf den zuletzt diskutierten Abschnitt den Aktionsspektren der Photosynthese bei Acetabularia, wie es RICHT~I~ (1966) andeutet oder wie es IIAxo u. BLL'~KS (1950) an der marinen Grfinalge Ulva taeniata und EMv,I~SO~ u. L]~w~s (1943) an Chlorella loyrenoidosa aufnahmen. Das bei 550 nm liegende Minimum ist typiseh Cfir diese Photosynthese-Aktionsspektren.

I

t

10

~0,5

l

~00

~50

500

550

600

650

tt ~0 [:n.m]

Abb. 1. Die obere Ku~ve zeigt die Abh~ngigkeit der Potential~nderung yon der Liehtqualitgt. Aufgetragen sind die l~ittelwer~e mit dem Vertrauensbereich (95 % )fiir den wahren i~ittelwert naeh Student (CAYXLT,I-S~01~ZA,1965) der Quotienten aus der lCeaktion bei der Testfrequenz und dem Ys der davor und danaeh gemessenen l~eaktion auf die Vergleiehswellenl~nge h = 470 rim. Die untere Kurve zeigt die Transmission als Funktion der WeUenlgnge gemittelt aus 4 Messungen an eiuer Zelle

Unser Aktionsspektrum legt daher den Zusammenhang zwischen photosynthetisch und bioelektrisch wirksamer Liehtabsorption nahe, eine Wirkung fiber die Chlorophylle und Carotinoide bier wie dort. Das Lieht wirkt also nieht wie B~AV~ER U. BI~AV~v,~ (1937) und BnACNV,~ (1956) annahmen direkt auf die mSglicherweise dureh Riboflavin oder Carotinoide sensibilisierte Zellmembran, und das dutch die Chloroplasten absorbierte Lieht spielt nieht nur eine ganz beseheidene Nebenrolle, sondern es wirkt vorwiegend fiber die Ch!oroplasten auf die Zellmembran. NAGAIS U. TAZAWASallf drei MeBpunkten beruhende Vermutung und die Ansieht der/ilteren Autoren I - I ~ v , (1892), A. D. W~_LL]~ (1900), J. C. WALLV,I~ (1925); GLASS(1933) und B~ow~ (1938), die aui extraeellul/iren Potentialmessungen ful~ten, wurden dutch das yon uns aufgenommene

Wirkung des Lichts auf das l~uhepotential der grfinen Pflanzenzelle

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A k t i o n s s p e k t r u m des b i o p h o t o e l e k t r i s c h e n E f f e k t s best/~tigt. ]~ber einen Z u s a m m e n h a n g m i t d e r P h o t o s y n t h e s e , der fiber die L i c h t a b s o r p t i o n d u r c h die gleichen P i g m e n t e h i n a u s g e h t a n d der y o n den z i t i e r t e n A u t o r e n d i s k u t i e r t wird, w i r d d u r c h unsere Messungen niehts ausges~gt. Die signifikante A b w e i c h u n g zwischen d e n P h o t o s y n t h e s e s p e k t r e n u n d u n s e r e m A k t i o n s s p e k t r u m zwischen 570 u n d 630 n m legt die Ann a h m e eines p h o t o e ] e k t r i s e h s t a r k w i r k s a m e n P i g m e n t s n~he, dessen A b s o r p t i o n sich n i e h t oder k a u m bei der P h o t o s y n t h e s e a u s w i r k t .

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