Planta (Berl.) 76, 138--148 (1967)

Untersuchungen fiber die Rfickreaktionen im Xanthophyll-Cyclus bei Chlorella, Spinacia und Taxus A. HAO~R Botanisches Institut der Universit~t ~][/inchen 19 Eingegangen am 22. Mai 1967

Studies on the Backward-reactions in the Xanthophyll-Cycle o/Chlorella, Spinacia and Taxus Summary. The epoxidation of zeaxanthin to the di-epoxide violaxanthin via the mono-epoxide antheraxanthin (called the backward-reaction), is examined with several plant objects and under various conditions. In Chlorella and in the needles of Taxus baccata a backward-conversion can be observed immediately after the termination of strong illumination. The reaction can be accelerated somewhat by exposure of the plant material to pure O~ or dim light. One cannot observe such an epoxidation in leaf disks of Spinacia oleracea under normal conditions (dark, air). It begins only under the influence of dim light or when pure oxygen is supplied. The absence of the backward-reaction under the given experimental conditions is a consequence of a closure of the stomata, which begins during the strong illumination and continues in the succeeding dark period; it is therefore a consequence of anuerobiosis in the plastid-containing cells. Yet a backward-reaction starts if the O~-tension in the cells is increased either by pure O 2 given from outside or by the intracellular evolution of photosynthetic 08 (associated with a partial opening of the stomata). The concentration of the intermediate antheraxanthin increases strongly more at the beginning of the 08 - or dim-light-promoted backward-reaction than the concentration of the endproduct violaxanthin. Hence it follows that during epoxidation the two O-atoms are added to the 5,6- and the 5',6'-position of the zeaxanthin not simultaneously but one after the other. In isolated chloroplasts or cell fragments no backward-reaction could be observed under various conditions tested. An apparent backward-reaction in lyophilized cells or chloroplasts, which is triggered by light or O2-atmosphere, is a result of the different velocity of the photooxidative destruction of carotenoids. The in vivo epoxidation of zeaxanthin, which probably is catalysed by a Cu-containing enzyme, only proceeds in the presence of molecular 08. U n t e r d e m Einflu• y o n L i c h t f i n d e r in g r f i n e n Bli~ttern u n d A l g e n eine U m w a n d l u n g des D i e p o x i d - X a n t h o p h y l l s V i o l a x a n t h i n in d a s e p o x i d f f e i e X a n t h o p h y l l Z e a x a n t h i n s t a r t ( I t A a ~ g , 1967; d o r t w e i t e r e L i t e r a t u r ) . D a s L i e h t 16st diese R e a k t i o n i n d i r e k t fiber die L i c h t r e a k t i o n e n d e r Y h o t o s y n t h e s e a u s ; u n d z w a r w i r d die U m w a n d l u n g Viol.1-->Zea. n o r m a l e r w e i s e d u r e h d e n E l e k t r o n e n t r a n s p o r t z w i s c h e n d e r

1 Abki~rzungen: Viol. = Violaxanthin (Zeaxanthin-di-epoxid); Anth. = Antheraxanthin (Zeaxanthin-mono-epoxid); Zea. = Zeaxanthin (3,3'-Dihydroxy-fl-carot~).

Riickreaktionen im Xanthophyll-Cyclus

139

Lichtreaktion I I und I verursacht; die Reaktion steht mit den dabei ablaufenden Photophosphorylierungen in unmittelbarem Zusammenhang (HAG]~R, 1966, 1967). Die liehtinduzierte Zea.-Bildung ist reversibel. I n einer lichtunabh~tngigen Reaktion wird der gebildete Farbstoff dureh Einbau yon Sauerstoff wieder in Viol. zurfickverwandelt (ttAGER, 1966). Diese sog. l%iickreaktion li~uft nach dem AufhSren der Belichtung im Normalfall noch einige Zeit welter und kann so beobachtet werden. I n der vorliegenden Arbeit werden bei verschiedenen Pflanzenarten eigentfimliche Unterschiede im Ablauf der Rfickreaktion aufgezeigt und ihre Ursaehen analysiert.

Methodik Die Anzucht von Chlorella pyrenoidosa (St. Miinchen, Nr. 10) und Spinacia oleracea (Matador) sowie die weitere Verarbeitung der Algensuspensionen und der aus Spinatbl~ttern ausgestanzten Blattscheibchen effolgte nach den bei HAGER, 1967, angegebenen Methoden. Von Taxus baccata wurden fiir die Versuche Nadeln yon jeweils 1 g Frischgewicht verwendet. Die weitere Verarbeitung erfolgte wie bei den Blattscheibchen yon Spinacia. Die Belichtung des Pflanzenmaterials zur Bildung yon Zea. wurde, wie bei HAG~R, 1967 beschrieben, mit einer Xenon-ttochdrucklampe durchgefiihrt. Die Riiekreaktion Zea.-+Viol. wurde bei 22~ C im Dunkeln oder unter LeuchtstoffrShrenlicht (Philips TL 40 W/33, weiB, oder TL 40 W/15, rot mit der Halbwertsbreite yon 25 nm) verfolgt. Die quantitative Bestimmung der Blattpigmente wurde nach HAGER und MErV,R-B~.RT~,m~ATH,1966 und 1967 diinnschichtchromatographisch durchgeffihrt. Ergebnisse Die RiAckreaktion Zea.-->Anth.--> Viol. in Spinatbl5ttern. Von den Carotinoiden der B l ~ t e r und Algen weisen bei k/irzeren Belichtungszeiten lediglich drei Xanthophylle Konzentrationsiinderungen auf (HAGEn, 1967). Die Kinetik dieser lichtinduzierten Reaktion ist in Abb. 1--3 neben der der Rfickreaktion mit eingezeichnet, da diese Hinreaktion Voraussetzung ffir eine Rtickumwandlung ist. Bei Belichtung der Spinatscheibchen mit starkem Rotlicht (150 000 erg/cm2- sec) ist innerhalb von 15 rain eine Abnahme des Viol. (Abb. 1) und eine stSchiometrische Zunahme des Zea. (Abb. 2) festzustellen. Das Zwisehenprodukt dieser Reaktion ist Auth., welches unter den genannten Bedingungen eine geringe Zunahme aufweist (Abb. 3). Nach Beendigung der Belichtung bleibt in den Spinatbl/ittern die erwartete Rfickumwandlung yon Zea. fiber Anth. zu Viol., wie sic z.B. in Chlorella zu beobaehten ist (s. Abb. 5 und HAGn~, 1967)i aus. Li~Bt man jedoch anschlieBend an die Starklichtgabe schwaches Licht auf die

140

A. ttAoER:

Blattscheibchen einfallen, wobei rotes (2200 erg/cm2.sec) oder weiBes Licht (4400 erg/cm ~. sec) in fast gleicher Weise wirkt, k o m m t es zu einer Rfickreaktion, d.h. Viol. n i m m t wieder zu (Abb. 1) und Zea. ab (Abb. 2). Eigenthmlich ist dabei alas Verhalten des Anth. Es weist im Anschlul~ an die Starklich$gabe im schwachen Licht einen verh/fltnism/~Big starken Mengenanstieg auf, der bis etwa 15 rain anh/flt (Abb. 3). Dieser zeigt, dab der Einbau der beiden O-Atome in das Zea. schrittweise erfolgt: Violaxantbin

starkes Hotlicht (150 000 erg//crn 2 9sec)

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schwaches Roflichf (2 2oo ~ l .... ~o~ )I . -

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30

rain

Abb. 1. Die Konzentr~tions~nderungen des Viol. in den Bla~tscheibehen yon Spinacia oleracea unter verschiedenen Bedingungen. Die Konzentrationen an Chlorophyll a (18,0 mg/dm2 Blattfliiche) und Chlorophyll b (5,8 mg/dm2) ebenso wie die der Carotinoide fl-Carotin, Lutein und Neoxanthin i~ndern sich wEhrend des Versuchszeitraums nicht es wird zun~chst eine Epoxidgruppe gebildet, was sich im Konzentrationsanstieg des Anth. ausdrfickt, und erst dann, wen~ die Zea.-Molekfile gleichsam kn~pp werden, wird in versts Mal3e der zweite Jononring im Anth. unter Bildung yon Viol. epoxidiert. Der Anstau des Zwischenprodukts Anth. w~hrend der schwachlichtgefSrderten Rfickreaktion bewirkt, dab die Konzentration des Viol. zun~chst viel weniger ansteigt als es die Abnahme des Zea. erwarten liege. Dal~ es sich b e i d e r schwachlicht-gefSrderten Rfickreaktion u m einen indirekten fiber die Photosynthese ausgelSsten Effekt handelt, l~l~t sich bereits durch einen Vergleich der spektralen Empfindliehkeit dieses Prozesses wahrscheinlich machen. I m blauen und rote~ Spektralbereich war die FSrderung der Riickreaktion nach 15 min etwas st~Lrker als im

t

40

R/ickreaktionen im Xanthophyll-Cyclus

141

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40

Abb. 2. Die Konzentrationsi~nderungen des Zea. in den Blattseheibchen unter denselben Versuchsbedingungen wie bei Abb. 1. Die Anderungen verlaufen in umgekehrter Richtung wie beim Viol. t,5A n theraxan thin

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Abb. 3. Die ?r des Anth., das bei den in Abb. 1 und 2 dargestellten gegenl~ufigen Konzentrationsgnderungen yon Viol. und Zea. als Zwischenprodukt fungiert (Erklgrung s. Diskussion) grfinen ( S c h o t t D o p p e l b a n d f i l t e r , T y p P A L ; 438, 545, 671 u n d 705 n m ; HalbwertsbreiLen u m 20 n m ; jeweils 1900 erg/cm 2. see). Eine F S r d e r u n g der R f i c k r e a k t i o n k a n n in d e n S p i n a t s c h e i b c h e n a b e t auch i m D u n k e l n in /ihnlicher Weise wie d u r c h Schwachlicht hervorgerufen werden, wenn m a n die Seheibehen in eine Oe-Atmosph~re (100%) einbringt, 10

P ] a n t a (BerL), B d . 76

142

A.H~oE~:

Die Riickreaktion in den Nadeln von Taxu8 baccata. Abweiehend yon Spinatbl/~ttern ist in T a x u s - N a d e l n auch im Dunke]n eine l~fickreaktion zu beobaehten (Abb. 4). Sie wird in ihrem Verlauf dureh sehwaches Lieht nieht wesentlich ge~ndert. Werden die Nade]n nach der ]~eliehtung in eine 100%ige O~-Atmosph/ire gebraeht, ist zumindest anf/~nglieh eine Beschleunigung der Riiekreaktion zu beobaehten. Auffallend ist in diesem Fall wiederum die Anh/~ufung yon Anth. JLhnlieh wie bei der schwaehlieht-gef6rderten Rfiekreaktion in Spinatbl/ittern (s. oben), kann auch hier die enzymatisehe Bfldung des Monoepoxids Anth. aus Zea. bei guter 02-Versorgung anf/~nglieh sehneller erfolgen als die des Viol. aus Anth. Die Riickreaktion i n ChloreIla. Auch in Chlorella (Abb. 5) 1/~uft die Rfickreaktion bereits im Dunkeln ab; sic kann dutch sehwaches Licht oder dutch eine 100%ige 02-Atmosph/ire (die K u r v e n dafiir sind in Abb. 5 nicht mit eingezeichnet; sie verlaufen/~hnlich wie die bei Sehwachliehtbedingungen) nur noch geringffigig gef6rdert werden. Die fiir die Rfickreaktion notwendige O~-Versorgung (s. Diskussion) ist in der Zellsuspension, die mit dem Luftsauerstoff in Verbindung steht, offensichtlich bereits ausreichend. E i n e scheinbare, licht- und 02-abhiingige Riickreaktion in Chloroplasten von Spinacia oleracea und ge/riergetrockneter Chlorella. Werden isolierte

Spinatchloroplasten oder gefriergetroeknete Chlorellen in Pufferl6sung (Phosphatpuffer, pH 7) unter einem 02-Strom be]iehtet, so ist nach 45 rain eine verschieden starke Abnahme der einzelnen Carotinoide zu beobachten (s. Tabelle; die Mengen/~nderungen der einzelnen Carotinoide Tabelle. Verschieden starke photooxidative bzw. oxidative Zerst6rung der einzelnen Carotinoide in Spinat-ChloropIasten; diese wurden wie bei HAG]~, 1967, beechrieben gewonnen und dann in Phosphatpu/]er pH 7 au/genommen (keine Zugabe von Ascorbins~iure oder anderer Reduktanten]) ; die Belichtung er/olgte mit einer Xenon-Hochdrucklampe (4,5 X 10 a erg/cm 2. sec). Chlorophyllkonzentrationen: Chlorophyll a 54,1 Ftg/ml Suspens., Chlorophyll b 14,6 #g/ml. - Bei prozentualer Betrachtungsweise scheint im Licht unter 09 Viol. gegeniiber Zea. zuzunehmen

Viol. Anth. Zea. Lutein Neoxanthin B-Carotin

Ausgangskonzentrationin

Nach 45 min Licht unter

~g/ml %-Anteil

~g/ml To-Anteil ~g/ml ~

8,6 3,8 4,9 18,4 9,0 33,8 3,1 11,7 6,3 23,7 [ 26,6 100,0 2,3

1,0

~q2 1,6 0,8 3,7 6,9 2,4 4,2 19,6

02 8,2 4,1 18,9 35,2 12,2 21,4 i00,0

10,7 3,3 1,7 13,9 4,8 39,3 1,6 13,1 2,4 19,7 12,2 1 0 0 , 0

1,3

0,4

Nach 45 min Dunkel unter 02 ~g/ml %-Anteil 1,5 1,2 3,9 7,1 2,2 5,0 120,9

7,2 5,7 18,7 34,0 10,5 23,9 100,0

Rfickreaktionen im Xanthophyll-Cyclus 150-

o ~o

dunkel

sfclrkes WeilTtfchf

~~ . * - - -

143

Vioto xcmfhin

100, ~.

= Luft

i / ~ 50-

o

~-=""~

~z~/~

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. . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Luft

- = ~ 02

- _

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30

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30

Abb. 4. Die Konzentrations~nderungen der drei Xanthophylle in den Nadeln yon Taxus baccata w~hrend starker Belichtung (Hinreaktion: 5 • 1@ erg/cm2. sec) und anschlie6ender Dunkelheit. Die Riickreaktion ls in 02-Atmosphere schneller ab als in Luft. Chlorophyll-Konzentration in den Nadeln: Chlorophyll a 33,5 ~zg/g Trockensubstanz, Chlorophyll b 11,4 ~g/g Trockensubstanz starkes

Weil~licht

schwaches Rollicht

(500 000 erg/cm 2 ,sec)

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30

Abb. 5. Mengen~nderungen der Xanthophylle in Chlorellapyrenoidosa (St. ~r Nr. 10) unter den :Bedingungen fiir die Hin- und Rfickreaktion. Letztere wird durch schwaches Licht noch etwas gefSrdert. Phosphatpuffer, 6 • 10-~ M, pH 7. Chlorophyll a 194 mg/10 g Trockensubstanz, Chlorophyll b 67 rag/10 g Trockensubstanz 10"

thfn

144

A. ttAOER:

sind in Chlorella ganz entsprechend). Prozentual betrachtet ist daher bei bestimmten Farbstoffen eine (scheinbare) Zunahme festzustellen. So n i m m t der Prozent-Anteil des Viol. an den Gesamtcarotinoiden in Chloroplasten bei Belichtung (45 min) unter O 3 yon 8,6% auf 10,7% zu, w~hrend Zea. von 18,4 auf 13,9% abnimmt. I n gefriergetrockneter Chlorella sind die Werte ~hnlich: Zunahme des Viol. yon 5,3 auf 9,8% und Abnahme des Zea. yon 10,8 auf 7,3 To. Aus einer solchen prozentualen Verschiebung, wie sie fibrigens auch bei den anderen Carotinoiden vork o m m t (s. Tabelle), darf jedoch nieht auf eine l~fickreaktion Zea.-->Viol. geschlossen werden; solehe ~nderungen werden lediglich dureh eine verschieden starke photooxidative bzw. oxidative Zerst6rung der einzelnen Pigmente hervorgerufen. Diskussion Das in den Plastiden yon Algen und h6heren Pflanzen unter dem EinfluI~ yon Lieht gebildete Zea. kann fiber Anth. w i d e r in Viol. rfickverwandelt werden (,Rfickreaktion"). Eine Beobachtung dieser l~fickumwandlung ist nur m6glich, wenn das Gleichgewicht Viol.~-Zea. zun~chst nach rechts verschoben wird, etwa dureh starke Belichtung (die lichtinduzierte Hinreaktion l~uft dann in st~rkerem Ma~e ab als die Rfickreaktion) oder (unter Sehwaehliehtbedingungen) durch eine Bloekierung der l~fickreaktion (HAG~R, 1966). Bei der l~fickreaktion wird zuerst am Jononring I des Zea. ein O-Atom in 5,6-Stellung (Anth.) und dann ein weiteres am l~ing I I in 5',6'-Stellung eingebaut (Viol.). Daffir ist ein wahrscheinlieh Cu-haltiges E n z y m verantwortlich (HAG~, 1966). Die Epoxidierung kann unter anaeroben Bedingungen nicht stattfinden (ItAGw~, 1967). Diese Tatsache ]~Bt bereits vermuten und verschiedene weitere Grfinde (ItAGE~, 1966) maehen es wahrseheinlieh, dab der Epoxidsauerstoff aus dem Luft-O 2 s t a m m t . Fiir diese Annahme spreehen auch die Untersuchungen yon YAMAMOTO und CmCKEST~, 1965 mit ls02: Nach einer Beliehtung von Bohnenbl~ttern werden im Dunkeln aus dem Luft-lso~ gr61~ere Mengen 1sO in das Anth. eingebaut (Viol. wurde nieht untersucht). Das bedeutet, da[t es in der pflanzlichen Zelle neben der Atmung einen weiteren O2-verbrauehenden Prozel~ gibt, der allerdings nur wi~hrend der Belichtung, wenn das dazu notwendige Zea. entsteht und noch einige Zeit danaeh abli~uft (bei der ,,Hinreaktion", also der Zea.-Bfldung, wird kein molekularer O~ abgegeben; es kann dadureh keine Kompensation dieser Ou-Aufnahme stattfinden). ~u die oben geschilderten Versuehe zeigen, ist die Geschwindigkeit der Rfickreaktion bei den verschiedenen Pflanzen sehr unterschiedlieh. Sie h~ngt offensiehtlieh yon der 02-Spannung ab, die in der Zelle herrscht.

Rfiekreaktionen ira X~nthophyll-Cyelus

145

Wird diese erh6ht (s. dazu Abb. 6), z.B. dureh Einbringen des Pflanzenmaterials in eine 100%ige O~-Atmosph/~re oder durch intrace]lul~tre Entwieklung yon Photosynthese-02, kann es zu einer Beschleunigung der Epoxidierung kommen. Besonders deutlieh wird dies in den Blattscheibchen des Spinats, weft dort naeh Beendigung der Be]iehtung in den Zellen fast anaerobe Bedingungen herrsehen; die SpaltSffnungen, welche sich durch Erw~rmung und Wasserverluste des Blattes teilweise schon w~hrend der Belichtung geschlossen hatten, bleiben es aneh im h-Y

1 Cu- EnzJ,m Violaxanthin

h.9

[0]

Zeaxanth]n

ult

Abb. 6. Schema fiber die in der intakten Zelle obligat liehtabh/~ngigen Zeaxanthinbildung und fiber die indirekte Beeinflussung der 02-bedfirftigen Rfickreaktion durch zum Teil lichtabh~ngige Stoffweehsel- und Regul~tionsvorg~nge im Blatt Dunkeln noch einige Zeit. Unter diesen Bedingungen wird die Konzentration des gebildeten Zea. kaum verringert; erst bei Schwaehlichtgabe (oder in einer 100%igen O~-Atmosph/~re) setzt eine Umwandlung in das Anth. ein, das sieh als Zwisehenprodukt vor der weiteren Epoxidierung zum Viol. etwas ansammelt. In Chlorella ist die 02-Versorgung in der st/~ndig gesehfittelten Suspension bereits so optimal, dab schwaches Lieht bzw. reine 02-Atmosph/~re zu keiner wesentliehen Steigerung der l~fiekumwandlung f/ihren kann. In Taxus-Nadeln ist naeh Beendigung der Beliehtung ebenfalls eine rel~tiv starke Riiekreaktion zu beobachten; d.h. der xeromorphe Bau der Nadeln bewirkt, dab die vorhergehende starke Beliehtung, anders als in Spinatbl~ttern, zu keiner Beeintr~chtigung des Gasaustausehes und damit der O~-Versorgung fiihrt. Schw~ehes Licht kann daher keine wesentliche F6rderung der Rfiekreaktion mehr hervorrufen. Jedoeh ist bei Begasung der Nadeln mit 02 im Dunkeln zumindest anf~nglich eine F6rderung der Epoxidierung besonders beim ersten Sehritt Zea.-~Anth. zu beobachten.

146

A. ttAG~R:

In den versehiedenen Pflanzen ist die Rtickreaktion also immer an das Vorhandensein yon 02 gebunden; sehwaches Licht kann auf indirektem Wege fSrdernd wirken, einmM dureh die Produktion yon Photosynthese-O 2 und zum anderen in bestimmten Objekten (Spinacia) dureh 0ffnung der Stomata (s. Abb. 6). Durch eine weitere Verst~rkung der Liehtintensit~t wird dann aber wieder das Gegenteil bewirkt, die l~iiekreaktion verlangsamt sich seheinbar, well nun die lichtinduzierte, vom Chlorophyll sensibilisierte Bildung yon Zea. verst~rkt ablaufen kann. Nun beriehtet Km~sKY, 1966, dal~ in gefriergetrockneten Zellen yon Euglena gracilis bei Belichtung und Begasung mit 02 eine Umwandlung des Zea. zu Anth. stattfinden wiirde. Auf S. 429 stellt er diesen Befund in einem Schema dar. Es zeigt, wie die Epoxidierung des Zea., also die Reaktion, die yon uns als lichtunabh/~ngige, O2-bediirftige Eiickreaktion bezeichnet wird, dureh Lieht direkt hervorgerufen werden soll, n/~mlieh dutch einen lichtangeregten Chlorophyll-02-Komplex. Naeh den yon K~INSKY verSffentlichten Kurven seheint Licht Mlerdings nicht immer notwendig zu sein, denn in Abb. 3 ist bereits im Dunkeln mit 02 (100%) eine prozentuMe Abnahme yon Zea. aufgezeigt. Diese iiberrasehende angebhche Liehtbedfirftigkeit der Eiiekreaktion ist folgendermaSen zu erkl/~ren. Werden aufgebroehene, geseh~tdigte oder gefriergetrocknete Zellen unter aeroben Bedingungen langere Zeit beliehtet, ist eine photooxidative ZerstSrung yon Chlorophyllen und Carotinoiden festzustellen (s. dazu H A G ~ , 1967). DiG einzelnen Pigmente sind Mlerdings nieht gleich stark empfindlieh, ihre Konzentrationen nehmen in versehiedenem Ma~e ab. In tier Tabelle sind diese Ver/~nderungen fiir die Carotinoide isolierter Spinat-Chloroplasten aufgezeigt; in lyophilisierten Chlorellen oder Euglenen verl/~uft der Pigmentabbau in ganz/~hnhcher Weise. Betraehtet man bei diesen Versuehen lediglich die prozentuMen Anteile der Farbstoffe, wie es K~I~sxY im Falle yon Euglena getan hat (er gibt nur ,,% Zea." an), und nicht die absoluten, so scheint der Gehalt des Viol (bzw. des Anth. in Euglena) gegeniiber dem des Zea. bei Behehtung anzusteigen oder umgekehrt tier des Zea. besonders stark abzufallen. Es ist selbstverst~ndhch verfehlt, auf Grund dieser Mengenverschiebung bei der Zerst6rung tier Farbstoffe auf eine liehtbedingte Epoxidierung zu schhel3en und dariiber hinaus die Epoxidbildung selbst als einen Sehutzmeehanismus gegen letM wirkende starke Belichtung anzusehen. Die Versuehsergebnisse an lyophilisierten Euglena-Zellen kSnnen also keinen Beweis ffir eine Epoxidierung des Zea. unter dem Einflu$ yon Lieht erbringen. Bei den eigenen Versuchen war uns die Beobachtung der Riickumwandlung Zea.-+Viol. in isolierten Chloroplasten oder Zellfragmenten

R/ickreaktionen im Xanthophyll-Cyclus

147

unter keinen Bedingungen weder im Lieht noch im Dunkeln m6glich; wir konnten sic bisher nur an intakten Zellen nachweisen. Allerdings ist, wie oben bereits dargelegt, eine einwandfreie Untersuchung der Rfickreaktion nur an spaltSffnungsfreien oder solchen Pflanzen mSglich, bei denen die Stomata den Gasaustansch nieht dureh flqr Eigenleben in unvorhergesehener Weise stSren k6nnen. Solehe SpaltSffnungswirkungen scheinen aueh die Untersuehungsergebnisse bei einigen russischen Autoren beeinflul]t zu haben. Bei der angeblichen C02-Bedfirftigkeit der Umwandlung Lutein (Zea. ?) zu Viol. (SAPOZHNIKOVet al., 1965) in Tradescantia-Bl~ttern handelt es sich offensichtlieh u m einen indirekten Effekt der durch KOtt-Behandlung (zum Abfangen des COs) sehr troeken gewordenen Luft auf den Offnungsgrad der Stomata. I n eigenen Versuchen ist eine C02-Bedfirftigkeit der Rfickreaktion in Chlorella, wo keine SpaltSffnungswirkungen stSren kSnnen, nicht festzustellen. MSglicherweise ist auch die Wirkung yon Substanzen, welche in Elodea-Sprossen auf Grund ihrer verschiedenen Redoxpotentiale die Dunkelumwandlung versehieden beeinflussen sollen (SAPozH~IKOV u. CH]~R~YAEVA, 1965) zumindest teflweise auf eine Beeinflussung des SpaltSffnungsmechanismus zurfickzuffihren.

Zusammenfassung Die als ,,l~fickreaktion" bezeiehnete Epoxidierung des Zea. 2 fiber das Monoepoxid Anth. zum Diepoxid Viol. wird an versehiedenen pflanzlichen Objekten und unter verschiedenen Bedingungen untersucht. I n Chlorella und den Nadeln yon Taxus baccata ist sofort nach Beendigung der starken Belichtung die Rfiekumwandlung zu beobachten. Diese ist dureh Begasung des Pflanzenmaterials mit reinem O~ oder durch schwaehes Licht noch etwas zu beschleunigen. I n Blattscheibchen yon Spinacia oleracea ist eine solche Epoxidierung unter Normalbedingungen (Dunkelheit, Luft) nicht festzustellen. Sie setzt erst unter dem EinfluB yon schwachem Licht oder bei Zufuhr yon 02 (100%) ein. Das Fehlen der Rfiekreaktion hat seine Ursache in einem unter den gegebenen Versuchsbedingungen stattfindenden Spalt6ffnungsverschluB, der w~hrend der Starklichtgabe beginnt und w~hrend der nachfolgenden Dunkelheit noch anhKlt, und einer daraus resultierenden Anaerobiose in den plastidenhaltigen Zellen. Durch eine ErhShung der 02-Spannung in diesen Zellen, entweder dureh yon auBen zugeffihrten reinen 02 oder durch intracellul/~re Entwicklung yon Photosynthese-O 2 (verbunden mit einer teilweisen 0ffnung der Stomata),

Abkiirzungen: Viol. = Violaxanthin (Zeaxanthin-di-epoxid); Anth. = Antheraxanthin (Zeaxanthin-mono-epoxid); Zea. = Zeaxanthin (3,3'-Dihydroxy-fl-carotin).

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A. HAG~R: Riickreaktionen im Xanthophyll-Cyclus

k o m m t es auch in den Spinatbl/~ttern zu einer l~fickreaktion. Schwaches L i c h t k a n n also auf i n d i r e k t e m W e g die R f i c k r e a k t i o n beschleunigen. Die K o n z e n t r a t i o n des Z w i s c h e n p r o d u k t e s A n t h . n i m m t bei der 0 3oder s c h w a c h l i c h t g e f S r d e r t e n R f i c k r e a k t i o n anf/~nglich s t a r k e r zu als d a s E n d p r o d u k t Viol. D a r a u s folgt, d a b bei d e r E p o x i d i e r u n g die b e i d e n O - A t o m e n i c h t gleichzeitig, s o n d e r n n a c h e i n a n d e r in die 5,6- u n d 5',6'Stellung des Zea. e i n g e b a u t werden. I n isolierten Chloroplasten oder Z e l l f r a g m e n t e n k o n n t e bisher u n t e r v e r s c h i e d e n s t e n B e d i n g u n g e n keine R i i c k r e a k t i o n nachgewiesen werden. E i n e in g e f r i e r g e t r o c k n e t e n Zellen o d e r Chloroplasten d u r c h L i c h t u n d O~-Atmosph~re ausgel6ste scheinbare R f i c k r e a k t i o n ist auf eine verschieden schnelle p h o t o o x i d a t i v e ZerstSrung d e r Carotinoide zurfickzuffihren. Die E p o x i d i e r u n g des Zea., welche d u r c h ein wahrscheinlich Cuhaltiges E n z y m k a t a l y s i e r t wird, i s t in vivo a n das V o r h a n d e n s e i n v o n m o l e k u l a r e m 0~ g e b u n d e n . Der Deutschen Forschungsgemeinschaft danke ich ffir Sachbeihilfen, Fraulein B. GUNDEL und Fri~ulein G. GOTz ffir gewissenhafte Mithilfe bei den Versuchen. Druckfehlerberiehtigung fiir die Ver6ffentliehung: A. HAoE~, Planta 74, 148-172 (1967). In der Ubersehrift auf S. 163 lies: ...lichtunabh~ngigen... Literatur HAGER, A. : Die Zusammenh~nge zwischen liehtinduzierten Xanthophyll-Umwandlungen und tlill-Reaktion. Ber. dtsch, bot. Ges. 79, (94)--(107) (1966). --Untersuchungen iiber die lichtinduzierten reversiblen Xanthophyllumwandlungen an ChloreUa nnd Spinacia. Planta (Berl.) 74, 148--172 (1967). - - , u. T. MEYER-BERTE•RATH: Die Isolierung und quantitative Bestimmung der Carotinoide und Chlorophylle yon BI~ttern, Algen und isolierten Chloroplasten mit Hflfe diinnschichtchromatographischer Methoden. Planta (Berl.) 69, 198-217 (1966). - - - - Die Identifizierung der an Diinnsehichten getrennten Carotinoide griiner B1Etter und Algen. Planta (Berl.) 76, 149--168 (1967). KRINSKu N. J. : The role oI carotenoid pigments as protective agents against photosensitized oxidations in chloroplasts. In: Biochemistry of chloroplasts, vol. I, p. 4 2 3 4 3 0 . London and New York: Academic Press 1966. SAPOZH~rKOV,D. J., and J. J. C~ER~YAEVA: Influence of compounds with various oxidation-reduction potentials in the dark reaction of the interconversions of xanthophylls. Dokl. Akad. Nauk. Tadsh. SSI~ 8, 34--37 {1965). - - T. G. MAsLovx, and N. V. BAZ~ANOVA: Metabolism of xanthophylls in the absence of carbon dioxide. Biokhimiya (Mosk.) 80, 1055--1058 (1965). Doz. Dr. A. HAGER Botanisehes Institut der Universit~t 8000 Miinchen 19 Menzinger Stral3e 67

[Studies on the backward-reactions in the xanthophyll-cycle of Chlorella, Spinacia and Taxus].

The epoxidation of zeaxanthin to the di-epoxide violaxanthin via the mono-epoxide antheraxanthin (called the backward-reaction), is examined with seve...
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