Planta (Berl.) 73, 376--380 (1967)

Kurze Mitteilung BLAULICHTEFFEKT AUF DIE NITI~ITREDUKTION VON C H L O R E L L A ttEINRICII STROT1VIANN Botanisches Institut der Universit~t Fran]~urt/1Vfain Eingegangen am 23. November 1966 THE EFFECT OF BLUE LIGHT ON NITRITE REDUCTION IN CHLORELLA Summary. Nitrite reduction in green plants is stimulated by energy from photosynthesis and by light of short wavelengths. On the basis of the kinetics and of the dependence on light intensity and quality it has been concluded that the nitrite reduction resulting from blue light operates independently of photosynthetic nitrite reduction. Instead it is thought that the blue light stimulates the respiration-linked nitrite reduction. Seit den Untersuchungen von KEssL~I~ (1953, 1957) ist bekannt, dal3 in grfinen Pflanzen zwei getrennte Nibrit reduzierende Systeme existieren. Das eine steht offenbar im Zusammenhang mit der Atmung. Es wird n~eh K~ssL~l~ unter An~erobiose und dutch Entkoppler der Atmungskettenphosphorylierung, wie Dinitrophenol, gehemmt. Das andere, lichtabh~ngige, ist mit dem Photosyn~heseappar~t verknfipft. Die ,,photosynthetische Nitritreduktion" braucht nach den in vitro-Untersuchungen yon LOSADA U. Mitarb. (1963) ~ls Elektronendonator reduziertes Ferredoxin. Die Nitritreduktion im Licht erfolgt bei Chlorella, je nach dem Entwieklungsst~dium, unter optimalen Bedingungen mit der drei- bis sechsfaehen Gesehwindigkeit wie die Nitritreduktion iln Dunkein (S~I~OT~AN~, 1966). I n Vorversuehen, die ~ngestellt wurden, um aus Ubergangserscheinungen beim Licht-Dunkel-Wechsel Aufschlu~ fiber die gegenseitige Beeinflussung yon photosynthetischer und atmungs~bh~ngiger Nitritreduktion zu gewinnen, wurde gefunden, dal~ unter bestimmten Bedingungen die Dunkel-Nitritaufnahme n~eh einer Weil31ichtbestrahlung vorfibergehend gesteigert ist. Die hier mi~geteflten Ergebnisse yon Experimenten init monochromatischem Licht verschiedener Wellenl~ngen sollen zeigen, dal3 diese Stilnulierung der Nitritaufnahme nach Belichtung d~s ~qachklingen eines bereits im Licht ablaufenden Nitrit reduzierenden Prozesses darstellt, der offensichtlieh nich~ im Zusammenhang mit der photosynthe~isehen Nitritreduktion steht. Die Experimente wurden an Jungzellen synchron kultivierter (n~ch SoE])~l~ u. Mitarb., 1962) Chlorella pyrenoidosa (Stamm 211]8b, G5ttingen) durchgefiihrt.

Blaulich~effekt auf die Nitritreduktion yon Chlorella

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Die Nitritaufnahme wurde polarographisch mit einer stationEren Platinelektrode (STI~O~AN~, 1966) gemessen. Monochromatisches Lieht wurde mit Hilfe yon Interferenzfiltern (Schott, Mainz) hergestellt. Die Versuehsl6sung (pH 6,0), die in kontinuierlichem Strom fiber das Algenpr~parat gepumpt wurde, enthielt 10-~ M N~NO~. Sie wurde st~ndig mit Luft durchperlt. Die Temperatur betrug konstant 25,50 C. - - Weitere methodische Einzelheiten werden sparer mitgeteilt. A b b . 1 zeigt r a t e - K u r v e n der N i t r i t a u f n a h m e bei B e s t r a h l u n g m i t 3300 erg/cm2sec Wei$1icht, m i t l~otlicht (647 nm) gleicher Energie I

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hbb. 1. Geschwindigkeitder l~itritaufnahme bei Bestrahlung mi~ 3300erg/cra2sec Weii~licht,mit 3300 erg/cm~sec( = 1,85• 10-9 einstein/cm:sec)l%otlicht(647nm) und mit 1,85 • 10-~einstein/cm2sec Bladiicht (465nm). Die Grundlinie stellt die station~re Geschwindigkeitder 1Nitritaufnahmeira Dunkeln dar. Die I)feilegeben]3eginnund Ende der Belichtungsperiodenan (---- 1,85 X 10 -9 einstein/cra~sec) u n d m i t B l a u l i c h t (465 nm) d e r gleichen Quantenstromdichte. B e l i c h t e t m a n Chlorella m i t R o t l i c h t , so wird ffir die D a u e r d e r Bes t r a h l u n g die G e s c h w i n d i g k e i t der N i t r i t a u ~ n a h m e gegenfiber d e m D u n k e l w e r t erh6ht. W i r d d a s L i c h t ausgeschaltet, s i n k t die Aktiviti~t schnell auf den s t e a d y s t a t e d c r Dunkel-lNitritaufnahme ab. D u r c h l~otlicht wird also die p h o t o s y n t h e t i s c h e N i t r i t r e d u k t i o n angeregt u n d bei V e r d u n k e lung wird sie sofort g e s t o p p t . Die p h o t o s y n t h e t i s c h e N i t r i t r e d u k t i o n verhi~lt sich k i n e t i s c h d e m n a c h ganz i~hnlich wie die p h o t o s y n t h e t i s c h e 0 2 - E n t w i c k l u n g u n d die C02-Aufnahme. S t r a h l t m a n s t a r t R o t - Wei~]icht gleicher Energie ein, also Licht, d a s p h o t o s y n t h e t i s c h weniger w i r k s a m ist, so ist b e m e r k e n s w e r t e r w e i s e die N i t r i t a u f n a h r a e u m m e h r als d a s D o p p e l t e gesteigert. Anl~erdem wird, wie einleitend bereits erw/~hnt, die D u n k e l - N i t r i t a u f n a h m e n a c h Aussch~lten des L i c h t e s v o r t i b e r g e h e n d gesteigert. Die r a t e - K u r v e d e r

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H.

STROTI~ANIq:

~qitritaufnahme besehreibt nach WeiBlichtbestrahlung zuniichst einen kurzen, schne]len Abfall, dann eine ausgepriigte Schulter, ehe sie ]angsam auf alas Ausgangsniveau zurfickgeht. Der selbe Effekt ist noch wesentlich verst/~rkt, wenn man start Weil31icht Blaulicht einstruhlt. In diesem Fall en'eicht die stimulierte Dunkel-Nitritaufnahme beinahe die ItShe der Nitritaufnahme im Licht, die gegenfiber Rotlichtbestrahlung bei gleicher Quantenstromdichte um mehr Ms das Dreifache gesteigert ist. Die stationgre Nitritaufnahme w~hrend der Bestrahlung mit Blauoder mit Wei~licht ist in dem selben Mal]e gef6rdert wie die DunkelNitritaufnahme unmittelbar nach der Bestrahlung. Offenbar handelt es ~//7 Tl,m,

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Abb. 2. Geschwindigkeit der ~ i t r i t a u f n a h m e bei B e s t r a h l u n g m i t 5,6 • 10 -~~ einstein/cm~sec Rotlicht (647 n m ) u n d m i t 5,6 • 10 -~0 einstein/cm~sec Blaulicht (465 rim)

sich um eine ~berlagerung der photosynthetischen Nitritaufnahme mit einer zuss Stimulierung der Nitritreduktion durch kurzwelliges Licht. W~hrend jene aber bei Verdunkelung sofort stoppt, klingt diese nach Ausschalten des Lichts nur langsam ab. - - Bildet man die Diffcrcnz ~us der Weil~licht- und der Rot]ichtkurve in Abb. 1, so erh~lt man die Kurve dieser zusi~tzlichen Nitritaufnahme (punktierte Kurve), die durch eine lag-Periode yon 1--2 rain nach Beginn der Belichtung gekennzeichnet ist. Auf Grund der unterschiedlichen Intensit~tsabh~ngigkeit lassen sich die beiden Systeme, die Stimulierung der Nitritaufn~hme durch kurzwelliges Licht und die photosynthetische Nitritreduktion, vollsti~ndJg voneinander trennen. Werden die Lichtintensit~ten so welt erniedrigt (5,6 • 10-1~ einstein/cm2sec), dal] im Rotlicht (647 nm) keinerlei photosynthetische Nitritaufnahme mehr zu messen ist, so ist im BlaMicht (465 nm) gleicher Quantenstromdichte die Nitrit~ufnahme gegenfiber dem Dunkelwert noch erheblich gesteigert (Abb. 2). Der Verlauf der

Blaulichteffekt auf die Nitritreduktion yon Chlorella

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Kurve ffir diese zusatzhche Nitri~aufnahme im Blauhcht entspricht genau dem der Differenzkurve zwisehen Weft3- und Rotlieht in Abb. 1, d.h. die Kurve beginnt mi~ einer lag-Periode und beschreib~ bei Verdunkelung keinen ffir die photosynthetisehe Nitritreduktion charakteristischen plStzhchen Aktivitatsabfall; die Kurve sinkt allmiihlieh auf den stationaren Dunkelwert zurfick. Es handelt sieh bier offenbar, im Gegensatz zur pho~osynthetischen Nitritreduktion, um eine mehr mi~telbare Lichtwirkung auf die Nitritreduktion. I m Wei~licht und im starken Blaulieht iiberlagern sieh also zwei verschiedene Liehteffekte auf die Nitritreduktion, die sich in kinetischer Hinsieht, in ihrer Abhangigkeit yon der Lichtintensitat and auch in ~ r e r spektralen Abhangigkeit voneinander unterscheiden. Ein vorlaufiges Aktionsspektrum ffir den Effekt kurzwelligen Lichts auf die Nitritaufnahme, das dutch den Vergleich der Wirksamkeit yon 5,6 • 10-10 einstein/em~sec monochromatisehen Liehts verseKiedener Wellenli~nge gewonnen wurde, zeigt ein breites Maximum im Blau zwischen 450 und 480 nm; zu langeren Wellenlangen Kin falltes steil ab. Ein ganz ahnliches Wirkungsspektrum wurde kfirzlich yon KOWALLIK (1965) ffir die Stimulierung der Proteinsynthese yon Chlorella in Gegenwart exogener Glucose und yon RIED (1966) ffir eine Atmungssteigerung nach kurzen Liehtperioden bei der selben Alge beschrieben. Wie bereits yon KOWAI~LIK ffir den Blauhchteffekt auf die Proteinsynthese diskutiert, sollte auch im Falle der Stimulierung der Nitritreduktion dureh Blaulieht ausgeschlossen werden, dal~ es sieh um einen Effek~ handelt, der im Zusammenhang mit der Photosynthese s~eht. Dagegen spreehen sowoh] die Kinetik ats auch das Akt,ionsspektrum dieses Vorgangs. Erste Anhaltspunkte ftir die Zuordnung des beschriebenen Effek~s geben Versuche fiber die Wirkung yon Anaerobiose. Wahrend die photosynthetisehe Nitri~reduktion im Rotlicht bei N~-Begasung nieht beeinflu6t wird (vgl. KxssL~R, 1957), wird die Blaulichtstimulierung der Nitritreduktion vollst~ndig bloekiert. Die Hemmung ist reversibel nach Austauseh des Stickstoffs dutch Luft. - - Dieser Befund deutet darauf hin, dab es sich bei der Blaulichtstimulierung um eine Steigerung der atmungsabhi~ngigen 5~itritreduktion handelt, denn diese wird im Gegensatz zur photosynthetisehen NJtritreduktion dutch Anaerobiose gehemmt (KEssLer, 1953). VermutIieh stehen der Kier besehriebene Effekt kurzwelligen Liehts auf die Nitritreduktion und die zitierten Blaulichteffekte auf Proteinsyuthese und Atmung in enger kausaler Beziehung. Der Deutschen Forschungsgemeinschaft sei ffir die finanzielle Unterstfitzung der Arbeiten gedank*.

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H. S T R O T ~ :

Blaulichteffekt auf die Nitritreduktion yon Chlorella

Literatur KESSLEr, E. : t?ber den Mechanismus der Nitratreduktion yon Griinalgen. L Nitritbildung und Nitritreduktion durch Ankist,rodesmus braunii (Ns Brurmthaler. Flora (Jena) 140, 1---38 (1953). - - Untersuehungen zum Problem der photochemischen Nitratreduktion in Griinalgen, lP]anta (Berl.) 49, 505--523 (1957), KOWALLIK, W.: Die Proteinproduktion yon Chlorella im Licht verschiedener Wellenl~ngen. Planta (BerL) 64, 191--200 (1965). LOSADA, M., A. PA~EQUE, J. M. I~.~MI~EZ, and F.F. DEL C ~ o : Mechanism o~ nitrite reduction in chloroplasts. Bioehem. biophys. Res. Commun. 10, 298--303 (1963). ~IED, A.: Zuordnung yon ]~bergangseffekten im 0~-Austausch yon Chlorella zu verschiedenen Lichtreaktionen. Vortr. Bot., hrsg. Dtseh. bot. Ges. (ira Druck). SOEDEI~, C. J., L M~LLEF~U. A. RIED: l)ber den EinfluB yon Sahkonzentr~tion und Nitratangebot auf den respiratorischen Quotienten und das N-reduzierende System yon vollsynchroner Chlorella pyrenoidosa. Vortr. Bot., hrsg. Dtsch. bot. Ges., N. F. 1, 195--200 (1962). SWROT~ANN,H. : Kinetisehe Untersuehungen an Teilsehritten der Ni~ratreduktion yon Chlorella im Licht. Diss. Frankfurt a. M. 1966. H~,INmc~ ST~OT~A~N Physiologisch-Chemisches Institut der Universiti~t 355 Marburg/Lahn Deutschhausstr. 1--2