Planta (Berl.) 91, 32--37 (1970)

Der Einflul~ von Rot- und Blaulicht auf die Hfllaktivit/it yon Acetabularia-Chloroplasten H. CLAUSS Pflanzenphysiologisches Institut der Freien Universit~t Berlin Eingegangen am 13. November 1969 The Influence of Red and Blue Light on the Hill Activity of Acetabularia mediterranea Chloroplasts Summary. Hill activity (reduction of trichlorophenol indophenol) of chloroplasts isolated after various times from the unicellular alga Acetabularia mediterranea grown under red light conditions decreases with time. After 2 weeks the amount of Hill activity is only about 30--40 % of that at the beginning of the red light treatment. On the other hand, Hill activity of chloroplasts from cells grown under blue light does not change remarkably during the course of the experiment. Transfering cells to blue light after 2 weeks in red light results in an increase of Hill activity within 48--72 hours up to the level of Hill activity in cells grown in blue light. It is concluded that the observed changes in the rate of photosynthesis in red and in blue light (Schael and Clauss, 1968) are due to an alteration of the photosynthetic apparatus. Apparently processes are affected which are somehow involved in the light reactions.

A. Einleitung Wie kfirzlich gezeigt wurde (Terborgh, 1966; Schael und Clauss, 1968), nimmt bei Acetabularia die Photosyntheserate im Rotlicht stark ab. Durch anschliel~ende Bestrahlung mit Blaulicht 1/~l~t sich dieser Rotlieht-Effekt wieder rfickg/~ngig machen. Beobaehtungen fiber eine FSrderung der Photosynthese dutch Blaulicht wurden auch schon wiederholt ffir Chlorocoecalen, haupts/iehlich Chlorella, beschrieben (Warburg et al., 1954, 1955; Hauschild et al., 1964; Adler, 1967; Ried, 1969). Es ist gegenw/~rtig noah nicht bekannt, wie diese Effekte zustande kommen. Auffallend ist jedoch, da~ bei Chlorella dureh kurzwellige Strahlung auch die Atmung beeinflul~t und zwar vorzugsweise stimuliert wird (u. a. Emerson und Lewis, 1943; Kowallik und Gaffron, 1966; Kowallik, 1969). Es ist deshalb verst/~ndlich, dab neuerdings zwisehen beiden Liehteffekten Zusammenh/~nge vermutet werden. Ried (1969), der bei Chlorella/usca naeh Bestrahlung mit Blaulieht niederer Intensit/tt ansehliel~end in Rotlicht derselben Intensit/it eine FSrderung der ,,Brutto-Ou-Produktion" land, nimmt an, dal~ diese nicht auf einer Steigerung der O2-Entwicklung durch Blaulieht beruht, sondern vielmehr anf einer Blaulicht -abh/~ngigen Atmungshemmung.

Einflug von Rot- und Blaulicht auf die Hillaktivi~t

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E s g i b t Hinweise daffir, d a b bei Acetabularia d e r E i n f l u g d e r L i c h t q u a l i t g t auf die N e t t o - P h o t o s y n t h e s e n i c h t auf diese W e i s e e r k l g r t werd e n k a n n . UntGr andGrem i s t die u n m i t t e l b a r n a c h einer 14tggigen Vorb e h a n d l u n g m i t RotliGht bei L i e h t s g t t i g u n g ( , , W e i N i c h t " ) gemessene 14C-Fixierung u m Gin Mehrfaehes geringer als n a c h weiteren 48 S t d in B l a u l i c h t (Clauss, unver6ff.). Dieser u n d n o c h wGitere B e f u n d e spreehen daftir, d a b bei diesen L i c h t e f f e k t e n A k t i v i t i ~ t s i n d e r u n g e n i m Chlorop l a s t e n eine Rolle spielen k 6 n n t e n . U n t e r s u c h u n g e n tiber die H i l l a k t i v i t s sollten darfiber A u f s e h l u g geben.

B. Material und Methode Die Versuche wurden mit Acetabularia m~diterranea durchgefiihrt. Die Anzucht der Algen erfolgte in der fiblichen Weise (Lit. s. Hi~mmerling, 1963). Zellen ohne Hut und mit einer Stiell~nge von 3 5 ~ 0 mm wurden entweder als solche verwendet oder nach Zuriickschneiden auf eine Stielli~nge yon 25 mm in die Liehtfelder gebracht (Tag 0). Das Standard-Rotlichtfeld bzw. Blaulichtfeld wurde an anderer Stelle beschrieben (Sehael und Clauss, 1968). AIs Kulturmedium wurde ,,Erd-Schreiber' verwendet. Die Versuchstemperatur betrug 2 2 • 1~ C. Als MaB fiir die Hillaktivit~t der isolierten Chloroplasten wurde die Reduktion von Trichlorphenol-Indophenol (TCPIP) im Licht bestimmt (Jagendorf, 1956). Zur Isolierung der Chloroplasten wurden die Zellen homogenisiert (Krogmann und Jagendorf, 1957), durch Glaswolle filtriert und zur Enffernung der Zellwandreste 2 min bei 110 • g (0~ C) zentrifugiert und das Volumen des Uberstandes bestimmt. Nach Entnahme eines aliquoten Teils zur Bestimmung des Chlorophyllgehaltes (Arnon, 1949) wurde die Chloroplastensuspension abgesehleudert (10 rain, 7500 • g) und das Sediment im Homogenisationsmedium suspendiert und auf einen Chlorophyllgehalt yon 15 ~g Chlorophyll/ml eingestellt. Mit dieser Suspension erfolgte die Bestimmung der Hillaktivi~t. Die Hillreaktion wurde nach ICrogmann und Jagendorf (1959) in einer Glaskfivette yon 1 em Schichtdicke durchgefiihrt. Der Reaktionsansatz (Endvolumen 3 ml) war mit Phosphatpuffer (0,05 M, pH 7.2; 0,01 M an NaCl) gepuffert und enthielt Chloroplasten (Chlorophyllgehalt 15 ~g) und TCPIP (0,08~M). Der l~eaktionsansatz wurde unter Vorschalten einer Wassersehicht von 10 cm mit Hilfe eines Projektors mit 55000 Lux ( ~ Lichts~ttigung) 45 sec bestrahlt (Temperatur 18~ C) und im Spek~ralphotometer (Zeiss PMQ II) bei 620 nm die Extinktions~nderung gegen eine nicht bestrahlte Kontrolle bestimmt (AE der unbestrah]ten Kontrolle 0,002--0,010). Die angegebenen D~ten sind Mittelwerte von mindestens 3 Einzelbestimmungen mit derselben Chloropl~stenpriparation.

C. Ergebnisse und Diskussion Als Bezugsgr66e ffir die Hillaktivit/~t wurdG, wie fiblich, der Chlorop h y l l g e h M t gewi~hlt. Die W a h l dieser Bezugsgr6Be ist auch d e s h a l b a n g e b r a c h t , well d a d u r c h die u n t e r s c h i e d l i c h e V e r m e h r u n g d e r Chlorop l a s t e n d e r mi~ R o t - bzw. B l a u l i c h t b e s t r a h l t e n Zellen (Clauss, unver6ff.) w e i t g e h e n d k o m p e n s i e r t w e r d e n k a n n u n d d a h e r die D a t e n in Ann/~her u n g ein M a g fiir die H i l l a k t i v i t a t des Ch]oroplasten darstellen. 3

Planta (Berl.),Bd. 91

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H. Clauss:

In Vorversuchen wurde gefunden, dab unter den gew/~hlten Versuchsbedingungen die Reduktion yon T C P I P zwischen 3--21 ~g Chlorophyll pro Reaktionsansatz dem Chlorophyllgehalt proportional ist und ferner bei einem Chlorophyllgehalt yon 15 ~g die Reduktion des Farbstoffs zwischen 30 und 60 sec proportional der Bestrahlungsdauer ist. Zur Lichts/~ttigung der Photoreaktion wurden ca. 55000 Lux benStigt. Auf Grund dieser Ergebnisse wurde zur Ermittlung der Hfllak$ivit/~t stets mit einer Chlorophyllkonzentration yon 15 ~g Chlorophyll/3 ml Reaktionsansatz, einer Bestrahlungsdauer yon 45 sec und einer Intensit/~t yon 55000 Lux gearbeitet. Werden 35--40 mm lange Zellen, bzw. auf 20 mm Stiell/~nge zurfickgeschnittene in Rot- bzw. Blaulicht gebracht (Abb. 1, Rot- und Blaulicht, 3600 erg cm-2sec -1, Abb. 2, gleiche Quantenstromdichte, Rotlicht 3300 erg cm-2sec-1, Blaulicht 5250 erg cm-Zsec-x) und nach verschiedenen Zeiten mit den aus ihnen isolierten Chloroplasten die Hillreaktion durchgeffihrt, so ergibt sich folgendes Bild: Im Rotticht f/~llt die Itillaktivit/~t der Chloroplasten stetig ab und liegt nach ungef~hr 2 Wochen bei ca. 3 0 4 0 % des Wertes bei Versuchsbeginn und bleibt danach weitgehend konstant. In Blaulicht dagegen/~ndert sich die H_illaktivit/~t nur geringffigig. Sie kann leicht abfallen (Abb. 1) bzw. weitgehend konstant bleiben (Abb. 2). Eine Bestrahlung mit Blaulicht im AnschluB an die Vorbehandlung mit Rotlicht (14--15 Tage) 1/~l~t die Iff_illaktivit/~t wieder rasch ansteigen (Abb. 1 und 2). Schon nach 54 Std ist die Aktivit/~t um ca. 90% hSher als die der Rotlichtkontrolle, und nach weiteren 50 Std ist der Wert der Blaulichtzellen erreicht (Abb. 2). Auch zus/~tzliche Blaulichtgaben yon nur 1 Std t/~glich (23 Std Rot. licht A-1 Std Blaulicht) ffihren zu einem Anstieg der Hillaktivit/~t. allerdings erfolgt dieser gegenfiber Dauer-Blaulicht deutlich verzSgert (Abb. 2). Nach je 1 Std Blaulicht an drei aufeinanderfolgenden Tagen (Tag 14, 15 und 16; Bestimmung der tIillaktivit/~t 20 Std nach der letzten Bestrahlung mit Blaulicht) liegt die AktivitKt erst ca. 20% und nach 2 weiteren Blaulichtgaben um 50% fiber dem Wert der Rotlichtkontrolle bei Beginn der Bestrahlung mit Blaulicht. Zwischen dem Verlauf der Hillaktivit/~t der Chloroplasten yon ,,Rotlicht"- und ,,Blaulicht"-Zellen und der Photosynthese-Rate gleich behandelter Zellen (Schael und Clauss, 1968) besteht somit eine deutliche Ubereinstimmung. Einem Abfall der Photosynthese-Rate im Rotlicht entspricht eine Abnahme der HillaktivitKt und einem Anstieg durch nachfolgende Bestrahlung mit Blaulicht eine Zunahme der ttillaktivit/it. Dauer-Blaulicht ist, wie bei der Netto-Photosynthese, wirksamer als zus/~tzliches Blaulicht zum Rotlicht (23 Std Rotlicht A-1 Std Blaulicht).

Einflul] yon Rot- u n d Blaulieht auf die Hillaktivit~t mM/h/rag

mM/h/rag

Chl.

0.3

35

Ohl.

0.~

+ .,,,+

0.2

\

" /

0,1

Blau

!

0

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7

lg Abb. 1

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2"I Tage

0

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4

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0

8

9

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,

9

16

,

9

,

20 Tage

Abb. 2

Abb. 1. Hillaktivit~t isolierter Chloroplasten aus Zellen yon Acetabularia mediterranea, die in l%ot- bzw. Blaulicht kultiviert wurden, u n d yon Zellen, die naeh einer Vorbehandlung m i t Rotlicht ansehlieBend mit Blaulieht bestrahlt wurden, in Abh~ingigkeit yon der Kulturdauer. Zellen, 35--40 m m lang, wurden in energiegleiches Rot- bzw. Blaulicht (3600 erg/cm~sec) gebracht u n d nach verschiedenen Zeiten die Chloroplasten isoliert. Ein Teil der Zellen wurde nach 15 Tagen aus dem Rotlicht in Blaulicht iibertragen. O - - o Chloroplasten aus Zellen in Rotlieht, o - - o Chloroplasten aus Zellen in Blaulicht, o - .. o Chloroplasten aus Zellen, die nach 15t~giger Bestrahlung m i t Rotlicht in Blaulicht iibertragen wurden. Abszisse: Tage nach Versuehsbegim~, Ordinate: Reduktion von Trichlorphenolindophenol in mM pro Stunde u n d pro mg Chlorophyll • 3faeher mittlerer Feh]er des Mittelwer~es Abb. 2. Hillaktivit~t isolierter Chloroplasten aus mit Rot- u n d Blaulicht bestrahlten Zellen yon Acetabularia mediterranea. 30--35 m m lange Zellen wurden auf 25 m m zuriiekgeschnitten und in Rot- bzw. Blaulicht gleieher Quantenstromdichte gebracht. Ein Teil der Rotlichtzellen wurde nach 14 Tagen in Dauerblaulicht zuriiekgebraeht bzw. tiiglich m i t 1 Std Blaulicht zus~tzlieh zum Rotlicht bestrahlt. Intensit~ten: Rotlicht 3300erg/cm2sec, Blaulieht 5250 erg/cm2sec. Chloroplasten aus Zellen in Rotlicht @ o, Blaulieht | - - - o, 14 Tage Rotlicht --% Blaulicht e . . . . . o, 14 Tage Rotlicht --% 1 Std zusgtzlich Blaulicht zum Rotlieht | • • • @. Abszisse: Tage nach Versuchsbeginn. Ordinate: Reduktion yon Trichlorphenolindophenol in mM pro Stunde u n d pro mg Chlorophyll. Senkrechter Pfeil -~ Beginn der Bestrahlung mit Blaulieht

Die Hillaktivit~t der Chloroplasten aus ,,Rotlicht"- bzw. ,,Blaulicht"-Zellen bezogen auf Chlorophyll unterscheidet sieh nicht so stark, wie m a n es auf Grund der Netto-Yhotosynthese gleich behandelter Zellen erwarten sollte (Schael u n d Clauss, 1968). Die H i l l a k t i v i t ~ yon Zellen im Rotlicht betri~gt nach 14ti~giger Bestrahlung ca. 1/3--1/2 des Wertes der ,,Blaulicht"-Zellen; die Netto-Photosynthese f~llt dagegen im gleichen Zeitraum auf ca. 1/5--1/10 des fiir ,,Blaulicht"-Zellen 3*

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H. Clauss:

gemessenen Wertes ab. Wenn man beriicksichtigt, dab im Blaulicht der Chlorophyllgehalt der Zelle stetig zunimmt und nach 14 Tagen ca. doppelt so hoch liegt wie bei Versuehsbeginn, im l~otlicht sich dagegen nur wenig Kndert (Clauss, unverOff.), wahrscheinlich als direkte Folge einer allgemeinen Abschw~ehung der Wachstumsprozesse (Clauss, 1963, 1968), so tritt die ~ereinstimmung zwischen ttillaktivitKt der Chloroplasten und der Netto-Photosynthese noeh deutlieher hervor. Die in Rot- bzw. Blaulicht gemessene Netto-Photosynthese (Schael und Clauss, 1968) diirfte demnach weitgehend die jeweilige Photosynthese-Aktivit~t der Chloroplasten wiedergeben und insbesondere die im Anschlul~ an die Bestrahlung mit Rotlicht durch Blaulicht induzierte F6rderung der Netto-Photosynthese (O~-Entwicklung bzw. 14C-Fixierung) nicht dutch eine blaulichtkontrollierte H e m m u n g der Atmung vorget~uscht werden. Die tr~ge Reaktion der Acetabularia mediterranea-Zelle auf Rot- und Blaulicht (Schael und Clauss, 1968) spricht gegen einen direkten Einflu~ auf die Photosyn~hese. Viel wahrscheinlicher ist es, da~ im Rotlicht in den Chloroplasten Vorg~nge ausgel6st werden, die letztlich in einem Absinken der Photosynthese-Rate resultieren. Wie der Abfall der HillakVlw'ts zeigt, sind Ver~nderungen im photochemischen Reaktionsbereich der Photosynthese ma]~geblich daran beteiligt. Da unter den gewi~hlten Versuchsbedingungen die Reduktion des Farbstoffs vorwiegend die Aktivitiit des Photosystems I I wiedergeben dfirfte (vgl. jedoch Ke, 1967), sind die in Rotlicht effolgenden Veri~nderungen wahrscheinlich in diesem Bereich zu suchen. Ob darfiber hinaus auch noch das Photosystem I beehfflu~t wird, mfissen weitere Untersuchungen ergeben. Welche Prozesse den Abfall der Hillaktivit~t in Rotlicht verursachen und wie diese durch Blaulieht riiekg~ngig gemaeht werden, ist noeh unbekannt. Wir haben zum gegenwiirtigen Zeitpunkt nur Hinweise daffir, da]~ offenbar die Synthese yon Proteinen - - mSglicherweise in den Chloroplasten - - eine wichtige Rolle dabei spielt. Es l~Bt sieh ni~mlich zeigen, dal~ in Gegenwart von I-Iemmstoffen der Proteinsynthese die Induktion der Photosynthese in Blaulieht im AnsehluB an eine Vorbehandlung mit Rotlicht unterbleibt (Clauss, 1969 und unver6ff.). Die Arbeit wurde dureh Mittel der DFG gef6rdert. Mein Dank gilt Frau Ingrid Maass fiir die sorgf~ltige lV[itarbeit bei den Versuchen. Literatur

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EinfluB yon Rot- und Blaulicht auf die ttfllaktivit~t

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Prof. Dr. H. Clauss Pflanzenphysiol. Institut der Freien Universit~t 1 Berlin 33, KSnigin Luise-Str. 1--3