Planta (Berl.) 78, 98--114 (1968)

Die Wirkung yon Rotlicht und Blaulicht auf die Photosynthese von Acetabularia mediterranea URSVr~A SCRAWLund H. CLAVSS Pflanzenphysiologisches Institut der Freien Universittit Berlin Eingegangen am 3. Oktober 1967

The Influence o/Red Light and Blue Light on the Photosynthetic Activity o/Acetabularia mediterranea Summary. In blue light (350 500 nm) the rate of photosynthesis (oxygen evolution) of Acetabularia is almost constant after a short period of transition (Fig. 1). In red light (600--700 nm), however, it decreases within 2--3 weeks almost to zero (compensation point). The photosynthetic apparatus is not damaged irreversibly by red light, because transfering the cell from continuous red light (2 weeks) to continous blue light results in an increase of the rate of photosynthesis within 3 days up to the level in blue light (Fig. 5). Photosynthesis can also be stimulated if continuons red light is interrupted daily by short breaks of blue light. The rate of photosynthesis at the end of the induction period depends upon the amount of blue light per day (Fig. 5 and 6) and is probably proportional to the logarithm of this amount. Cell growth (Figs. 2, 7, 8) and formation of dry matter (Figs. 3, 9) in continuous red light, in blue light and in continuous red light supplemented by blue light is controlled by the rate of photosynthesis under these light condition. A. Einleitung Die Morphogenese der einzelligen Alge Acetabularia wird in starkem M a t e yon der Lichtintensit/~t beeinflutt (BET~, 1953, 1955; Tr~BORG~ und T H I ~ A ~ , 1965). Daneben k o m m t auch der Lichtqualittit eine entseheidende Bedeutung zu. Nur in Blaulicht verl/iuft die Morphogenese der Zelle normal, d.h. w/~hrend des Stielwachstums werden Wirtel und nach Erreichen einer bestimmten Stiell/~nge auch Hiite gebildet. I n Rotlicht k o m m t es dagegen nie zur Hutbildung (CLAVSS, 1963, 1967 im Druck, Richter, 1962, 1966; T ~ o R G ~ , 1965). Hinsichtlich der Beeinflussung des Stielwachstums dutch Rotlicht bestehen Widersprfiche. Wtihrend RICHTER (1962, 1966) bei Acetabularia mediterranea und erenulata in energiegleichem Rot- und Blaulicht gleichc Geschwindigkciten ffir das Stielwachstum beobachten konnte, fanden CLAVSS (1963, 1967 im Druck) bei Acetabularia mediterranea und TExno~G~ (1965) bei Aeetabularia erenulata in Rothcht zun/ichst eine Abschw/iehung und naeh ca. 2 Wochen eine fast vollkommene Sistierung des Stielwachstums. Da die Morphogenese der Acetabularia-Zellen yon ,,morphogenetischen Substanzen" kontrolliert wird, die im Zellkern gebfldet und an das

Wirkung yon Rotlicht und Bl~ulicht auf die Photosynthese

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C y t o p l a s m a a b g e g e b e n w e r d e n (Lit. Hi~MM~,I~I~I~G,1963) k S n n t e m a n vermu~en, d~l~ die in R o t l i c h t b e o b a e h t e t e Sistierung des Z e l l w a c h s t u m s auf einer H e m m u n g d e r A b g a b e dieser S u b s t a n z e n b e r u h t . Diese MSglichkeit scheidet j e d o c h als U r s a c h e aus (CLAIYSS, 1967 i m Druck). Die m i t der A b s c h w a c h u n g des W a c h s t u m s einhergehende Vermind e r u n g der S u b s t a n z z u n a h m e (CLAuss, 1963, 1967 i m D r u c k ) u n d die fehlende A n h i i u f u n g 15slieher K o h l e n h y d r a t e (CLAuss, unverSffentl.), die bei kernlosen Zellen i m Z u s a m m e n h a n g m i t der R e d u k t i o n des W a c h s turns b e o b a e h t e t w e r d e n k o n n t e (CLAt~SS u n d Kv, c~, 1959), d e u t e t e darauf hin, d a b d u r e h die L i e h t q u a l i t a t wahrseheinlieh die P h o t o s y n t h e s e u n d fiber diesen Prozel~ die Morphogenese der Zelle beeinflul]t wird. I n d e r vorliegenden A r b e i t sollen die e x p e r i m e n t e l l e n Beweise daf/ir e r b r a e h t werden.

B. Material und Methode Als Versuchsobjekt dienten Zellen von Acetabularia mediterranea, deren Anzucht nach den iiblichen Methoden erfolgte (s. HXM~E~LI~G, 1963). Fiir die Versuche wurden die Zellen auf 20--25 ram Stiell~nge selektionier~ und in das Rot- bzw. Blaulichtfeld gebracht. Lichtfelder: Das Standard-Rotlichfeld bzw. Blaulichtfeld, sowie die Strahlungsmessung wurden bei CLAVSS (1967 im Druck) beschrieben. Zur tterstellung des Blaulichtfeldes wurden anstelle der Leuchtstofflampen HXP (0sram) die Type TL 40/18 (Philips) verwendet. Photosynthese: Als Ma{~ fiir die Netto-Photosynthese wurde die Zunahme des im Kulturmedium gelSsten Sauerstoffs bzw. der Einbau yon radioaktivem Kohlenstoff bestimmt. Die Sauerstoffoestimmung erfolgte elektrochemisch mit einer Platinelektrode (GLEICS~MA~ und Lt~BBERS, 1960). Als Ma] fiir die Netto-Photosynthese wurde der in 2 Std pro Zelle entwickelte Sauerstoff bestimmt. In den Versuchen mit Dauer-Blaulicht wurde die Netto-Photosynthese in diesem Lichtfeld bestimmt, in allen tibrigen in t~otlicht, auch dann, wenn zus~tzlich mi~ Blaulicht bestr~hlt wurde. In diesem Fall wurden die Zellen unmittelbar nach der BestraMung mit Blaulicht in den Reaktionsgef~Ben in ]~otlich~ gebracht. MeBanordnung, Reaktionsgefgl~e und Durchffihrung der Sauerstoffbestimmung wurden yon S c ~ w I c E ~ et a]. (1964) beschrieben. Abweichend yon den Angaben dieser Autmren befanden sich in den ~eaktionsgef~l]en ca. 20 Zellen. Um den EinfluB tagesperiodischer Schwankungen der Photosynthese auszuschalten, wurden, sofern die Versuche es erlaubten, alle Messungen zwischen 11.30 und 14.30 Uhr durchgefiihrt~. Zur Bestimmung des Einbaus yon ~CO~ wurden Proben yon 50 Zellen in 15 ml NghrlSsung nach Scm~BS~ in Gegenwart von 10 ~C N a i l ~ COs 120 rain bestrahlt. Die spezifische Aktivitgt betrug, unter Beriicksichtigung des C~rbonatBicarbonat-Gehaltes des Mediums, 0,33 mC/mM. Nach der Inkubation wurden die Zellen in Seewasser und aqu~ dest. abgespiilt, in 80%igem Athanol homogenisiert, das Homogenisat 1 min lung gekocht, zentrifugiert und der unlSsliche l~iickstand mindestens je 1 Std mit 80%igem ~thanol und 20%igem Methanol nachextrahiert. Die vereinigten Extrakte stellten die ,,15sliche Fraktion" dar. Von der ,,15slichen Fr~ktion" wurden direkt, yon dem ,,un15slichen Rfickstand" nach Suspendieren in einem definierten Volumen destillierten Wassers, aliquote Teile aufgetragen und die Radioaktivit~t mit dem Methanol-

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U. SCHA~LundH. CLAVSS:

durchflu~z~hlrohr gemesscn. Die Werte wurden ftir back-ground korrigiert. Die Selbstabsorption war zu vernachl~ssigen. Als Nal~ ffir das Wachstum der Zcllcn und ihre Formbildung wurden Stiell~nge, Anteil an Hutpflanzen, ProteingehMt und Trockengewicht bestimm~ (CLAuSS, 1958). Zur Beurteilung der Ergebnisse wurde in einigen Versuchen der t-Test angewendet (P~rAv, 1943).

C. Ergebnisse 1. Ein/lufi von Dauer-Rot- und Dauer-Blaulicht au/ die Photosynthese Zellen mit einer Stie]l~nge yon 20--25 m m warden 3 Wochen lang mit energiegleichem Rot- und Blaulicht (4000 erg/cm ~ see, Dauerlicht) bestrahlt und bei Versuchsbeginn, nach 3, 7, 10, 14, 17 und 21 Tagen die Photosynthese im jewefligen Liehtfeld bestimmt. I n Rotlicht fi~llt die Netto-Photosynthese sehr stark ab (Abb. 1). Sie liegt nach 3 Tagen im Mittel um 40 %, nach 7 Tagen bereits um 70 % unter dem Wert bei Versuchsbeginn, nach 2 Wochen knapp fiber dem Kompensationspunkt und hat ihn nach 3 Wochen erreicht. I n ernergiegMchem Blaulicht bleibt sie zun~chst unter dem Wert in l%otlicht, ist etwa bis zum 3. Tag konstant, steigt zum 7. Tag an und bleibt etwa auf diesem Niveau (Abb. 1). Die Morphogenese der Zellen im Rot- und Blaulichtfeld (Abb. 2), ebenso ihre Substanzproduktion (Abb. 3), liigt eine deutliche Beziehung zur Ne%o-Photosynthese erkennen. I n Dauer-Rotlicht wachsen die Zellen innerhalb der ersten 7 Tage yon 23 m m auf 30 m m heran und stellen danach ihr Waehstum nahezu ein (Abb. 2). Sie bflden fast keine Wirtel und niemals Hfite. Auch das Trockengewicht der Zelle n i m m t nur etwa bis zum 10. Tage zu und b M b t danach konstant (Abb. 3). Entsprechend ihrer h5heren Netto-Photosynthese wachsen die Zellen in Blaulicht schneller und tiber den ganzen Versuchszeitraum welter. Sie bflden Wirtel und Hfite (Abb. 2) und ihr Trockengewicht steigt ebenfMls stetig an (Abb. 3). Wird die Netto-Photosynthese nicht auf die Zelle sondern auf ihren Proteingehalt bezogen, iindert sich das Bild ffir Rothcht nieht (Abb. 4). In Blaulicht fiillt sie nun ebenfalls ab und zwar wi~hrend des Versuchszeitraumes yon 3 Wochen um 30--50 % des Anfangswertes. Nach 21 Tagen haben jedoch die Zellen noeh eine Netto-Photosynthese yon ca. 40 ~l O2/mg Protein/2 Std, w~hrend sie bei den mit l%otlicht bestrahlten Zellen auf den Kompensationspunkt abgefallen ist.

2. Ein/lufi zus~tzlicher Blaulichtgaben au/ Photosynthese und Zellwachstum nach Vorbehandlunff mit Rotlicht Nach der Vorbehandlung mit Rotlicht kann durch Bestrahlung mit Blaulicht (Dauerlicht) und durch zus~tzliche Blaulichtgaben zum Rotlieht

Wirkung yon Rotlicht und Blaulicht auf die Photosynthese

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Abb. 1. Netto-Photosynthese yon Acetabularia mediterranea in Rot]icht bzw. Blaulicht. Zellen mit einer Stiellgnge yon 2 0 ~ 2 5 m m wurden in das Standard-Rotlicht bzw. Blaulichtfeld (4000 erg cm -2 sec-1) gebracht und nach verschiedenen Zeiten die Netto-Photosynthese bestimmt. Zellen in Rotlicht , Zellen in Blaulicht . . . . Abszisse- Tage naoh Versuohsbeginn. Ordinate: ~%tto-Photosynthese in ~l 02/ 120 min/Zelle. Jeder K u r v e n p u n k t ist der Mittelwert aus einer ca. 20 Zellen umfassenden Probe. I n der Abbildung sind die Ergebnisse aus Versuchen mit drei verschiedenen Nachzuchten zusammengefaBt

m m Stieli~nge 50' s~(42) J

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Abb. 2. Wachstum yon Acetabularia mediterranea in energiegleichem Rot- und Blaulicht (4000 erg cm -s sec-~). Material wie in Abb. l. o o Rotlicht, o. . . . o Blaulicht. Abszisse: Tage naoh Versuchsbeginn. Ordinate: Stie]l/~nge in ram. Zahlen 0 = % Zellen mit Hut. Angegeben sind die Mittolwerte yon ca. 50 Einzelwerten

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U. SO~A~LundH. CLAvss:

wieder Wachstum induziert werden (CLAcSS, 1963, 1967 im Druck). Das Verhalten der Zellen l/~Bt vermuten, dab unter diesen Bedingungen auch die Photosynthese wieder ansteigt. Zum Nachweis wurden Zellen mit einer Stiell/~nge yon 20--25 m m zuerst 14 Tage lang mit Rotlicht (4000 erg cm -2 see -1, Dauer]icht) bestrahlt. Danach erhielten sie entweder Blaulicht (Dauerlicht) oder die Bestrahlung mit Rotlicht wurde t/~glich durch Blaulichtgaben yon 30 sec, 2 min, 10 rain bzw. 60 rain Dauer unterbrochen (Intensitat 4000 erg cm -~ see-l). Insgesamt wurden 3 Versuche mit verschiedenen Nachzuchten durchgefiihrt, die alle ahnliche Ergebnisse lieferten. j u g :T ookengew, / Zelle 500 zeO0 300

200 100

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Abb. 3. Acetabularia mediterranea. Zunahme des Trockengewiehts in energiegleichem Rot- und Blaulieht (4000 erg cm-~ see-1, Dauerlicht). r o Rotlicht, o. . . . o B]aulieht, Material wie in Abb. 1. Abszisse: Tage nach Versuchsbegirm. Ordinate: Trockengewicht in [zg pro Zelle. Die Kurvenpunkte sind Mittelwerte yon drei Einzelbestimmungen, die je 20 Zellen umfassen

W~hrend der Vorbehandlung mit Rotlicht f~llt die Netto-Photosynthese bis unter den Kompensationspunkt ab (Abb. 5) bzw. bleibt auf einem niedrigen Weft stehen (Abb. 6). Werden die Zellen in Dauer-Blaulicht zurfickgebracht, so steigt die Netto-Photosynthese schnell an und hat nach 3 Tagen bereits einen Wert yon ca. 2 ~1 03/2 Std/Zelle erreicht. Wird die Bestrahlung forgese~zt, k o m m t es in den fo]genden Tagen zu einem weiteren Anstieg auf ca. 3 ~l 02/2 Std/Zelle (Abb. 5). Auch durch einstfindige Blaulichtgaben zus/~tzlich zum Rotlicht (1 Std B]aulicht-k 23 Std Rotlicht) kann wieder Photosynthese induziert werden, jedoch gegen/iber Dauer-Blaulicht deutlich verzSgert (Abb. 5). Nach 3 Tagen (also nach 3 je einstfindigen Blaulichtgaben) betr~gt die anschlieBend in l~otlicht gemessene NettoPhotosynthese pro Zelle 0,4 ~zl 02/2 Std (P----0,0002 gegen Dauer-Blaulioht), und erst naoh 8 je einstiindigen Bestrahlungen mit Bl~ulicht an den aufeinander folgenden Tagen stimmt die Netto-Photosynthese mit den Zellen in Dauer-Blaulicht fiberein (P----0,6).

Wirkung yon Rotlicht und Bl~ulicht auf die Photosynthese

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Aueh Blaulich~gaben yon 30 see, 2 rain und 10 rain Darter tgg]ich k6nnen wieder Photosynthese induzieren (Abb. 6). Ihre Wirkung ist abet deutlich geringer als die einer einstfindigen Bestrahlung. Dieser Unterschied

/a102/mg P r o t e i n / 2 h 120 i , 1oor~

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25

Abb. 4. Netto-Photosynthese in energiegleichem Rot- und Blaulicht (4000 erg cm-2 see-l), bezogen auf den Proteingehalt. Oben: Ze]len in Blaulicht. Unten: Ze]]en in Rotlieht. Wiedergegeben sind je drei Versuche mit verschiedenen Nachzuchten. Ordinate: Photosyn~hese-Rate in F1 OJmg Protein/2 Std. Abszisse: Tage nach Versuchsbeginn. Die Kurvenpunkte sind Mittelwerte yon drei Bestimmungen mit 20 Zellen. Die Ausgangslgnge der Zellen betrug 20~25 mm

tritt bereits nach 1 Woche deutlich hervor, wiihrend sich Differenzen in der Netto-Photosynthese der fibrigen Gruppen erst nach 3 Wochen bemerkbar machen. Dabei zeigt sich, dab die ~gglich applizierte Blaulichtmenge die Netto-Photosyn~hese der Ze]le bestimmt; Blaulichtgaben yon 1 Std sind wirksamer als 10 min Zusatzlicht ( P = 0,01, Tag 21) und 2 rain

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U. SC~_AELund H. Csivss:

sind wirksamer als 30 see Blaulicht ( P = 0,0015). Zellen, die 2 min bzw. 10 rain Blaulicht erhiel~en, unterscheiden sich in diesem Versuch nicht in der Sauerstoffproduktion ( P = 0,45). A u c h das Zellwachstum wird erwartungsgemgB durch den Bestrahlungsmodus beeinfluBt (Abb. 7 und 8). Die Rotlichtkontrollen lassen dabei ein differenziertes Verhalten hinsichtlich ihres W a c h s t u m s erken/u102 / Z e l l e 5 v

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Tage (t4)

Abb. 5. Der Einflu6 yon Blaulicht auf die Photosynthese nach Rotlichtvorbehandlung. 20--25 mm lsnge Zellen wurden 14 Tage mit t{otlicht (4000 erg cm-2 sec-1) bestrahlt. Danach wurden sie mit Blaulicht (4000 erg cm-2 sec-1, Dauerlicht) o o bzw. ti~glich 1 Std mit Bl~ulicht (23 Std l%otlicht+ 1 Std Blaulicht) o............o bestrahlt und zu verschiedenen Zeiten die Photosynthese-l%ate bestimmt, o. . . . o Rot]icht-I(ontrolle. Ordinate: lJhotosynthese-l%ate in ~l OJZelle/2 Std. Abszisse: Tage nach Versuchsbeginn, ( ) Tage nach Beginn der Bestrahlung mit Blaulicht. Die Kurvenpunkte sind Mittelwerte yon drei Bestimmungen mit je 20 Zellen nen. W~hrend im einen Fall die Netto-Photosynthese w~hrend der l%otlichtvorbehandlung auf den K o m p e n s a t i o n s p u n k t abfKllt (Abb. 5) und deshalb die StiellKnge der Zellen in Rotlicht nach 14 Tagen nicht weiter z u n i m m t (Abb. 7), zeigen im anderen Fall die Zellen, auch nach 14 Tagen in I{otlicht, noch eine geringe Photosynthese (ca. 0,4 F1 02/2 Std/Zelle) (Abb. 6). Entsprechend w~ichs~ die Zelle auch noch nach der R o t h c h t vorbehandlung. Die Z u n a h m e der Stiell~inge ist jedoch gering a n d beSrKgt in den folgenden 26 Tagen im Mibtel nur noch ca. 3,5 m m (Abb. 8). Wie zu erwarten, wird dutch die Blaulichtgaben das Zellwachstum gegeniiber den Rotlichtkontrollen deutlich stimuliert (Abb. 7 und 8).

Wirkung yon Rotlicht und t~laulicht auf die Photosynthese

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Sehon 30 see B l a u l i e h t tgglich f6rdern das S t i e l w a c h s t u m sehr s t a r k u n d k 6 n n e n aueh H u t b i l d u n g induzieren (Abb. 8). Die Beeinflussung des S t i e l w a c h s t u m s d u r c h die a b g e s t u f t e n B l a u l i e h t g a b e n e n t s p r i e h t jedoch n i c h t dem, was auf G r u n d friiherer Versuche (CLAuss, 1967 ira Druek) a n d ihrer W i r k u n g auf die N e t t o - P h o t o s y n t h e s e zu e r w a r t e n wgre. Dies diirfte v o r allem d a r a u f beruhen, d a b die Zellen bereits in R o t l i c h t eine

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Abb. 6. Der EinfluB kurzer Blaulichtgaben ant die Photosynthese nach l%otlichtvorbehandlung. Nach einer 14tggigen Bestrahlung mit ~otlicht erhielten die Zellen o...........o 30 sec, o. . . . . o 2 min, o. . . . o 10 rain bzw . . . . . o 60 rain Blaulicht t.gglich. Die restliche Zeit wurde mit t%otlicht bestrahlt, o o Rotlicht-Kontrolle (Not- bzw. Blaulicht 4000ergcm-~sec 1). Ordinate: Photosynthese-l%ate in ~l 02/Zelle/2 Std. Abszisse: Tage nach Versuchsbeginn. 0 = Tage n&ch Beginn der Bestrahlung mit Blaulicht. tJbrige Daten wie in Abb. 5

,,kritisehe Gr6Be': erreieht h a b e n u n d n a e h d e m E i n s e t z e n der Blauliehtg a b e n b a l d zur t t u t b i l d u n g /ibergehen u n d d a d u r c h das S t i e l w a c h s t u m beenden. Die Stiell~ngen liefern d a h e r kein a d g q u a t e s Mag ffir das Zellw a c h s t u m , da d a b e i die V o l u m e n z u n a h m e withrend d e r H u t b i l d u n g n i c h t erfaBt wird. E i n e klarere Beziehung zur N e t t o - P h o t o s y n t h e s e zeigt dagegen die Z u n a h m e des Trockengewichts, die w e i t g e h e n d p r o p o r t i o n a l z u m Zellw a c h s t u m verl~tuft. D a n a c h beg/instigen B l a u l i c h t g a b e n y o n 1 S t d D a u e r die S u b s t a n z p r o d u k t i o n - - wie die P h o t o s y n t h e s e - - st/irker als Blaul i c h t g a b e n y o n l 0 m i n n n d 2 m i n D a u e r u n d diese sti~rker als 30 sec (Abb. 9).

106

U. SO~A~LundH. CLAvss:

3. Induktion der Photosynthese in Blaulicht Die vorhergehenden Versuche zeigten, dab die Photosynthese-l%ate nach einer Vorbehandlung mit g o t l i c h t in Dauer-Blaulicht haupts~chlich wi~hrend der ersten Tage nach Beginn der Bestrahlung mit Blaulicht wieder ansteigt.

m m Stiell~nge 45 (40) ~..oO.~(48) {26~45 )

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Abb. 7. Der EilffluB yon Dauer-Blaulicht und einstfindiger Blaulichtgaben auf das Stielwachstum yon in Rotlicht vorkultivierten Zellen. Versuchsbedingungen wie in Abb. 5. o. . . . . Rotlicht, o o Dauer-Blaulicht, o.......... o 1 Std Blaulicht-F 23 Std Rotlicht. Angegeben sind die Mittelwerte yon 45--50 Zellen. Ordinate: Stielli~nge in ram, Abszisse: Tage nach Versuchsbeginn, 0 = Tage nach Beginn der Bestrahlung mit Blaulicht. Zahlen = % Zellen mit Hut Durch den folgenden Versuch sollte der zeitliche Verlauf des Anstiegs der Photosynthese genauer erfaBt werden. Hierzu wurden auf 10 m m Stiel]gnge zuriickgeschnittene Zellen (Ausgangslgnge 30 m m und lgnger) 25 Tage mit Rotlicht (3200 erg cm -2 sec -1) bestrahlt und anschlieBend in Schreiber-L6sung in energiegleiches Blaulicht (Standard-Blaulichtfeld, jedoch ohne CuSQ-Filter) gebracht (0 Std). N a c h 2, 8, 24, 48 und 72 Std wurden Zellen e n t n o m m e n und in Rotlicht (3200 erg cm -2 sec -~) 2 Std radioaktiver Kohlenstoff geboten. N a c h der Rotlichtvorbehandlung (0 Std) wurden y o n der Zelle im Mittel 4,05 m~M C incorporiert (,,15sliche F r a k t i o n " und ,,unl6slicher Rfickstand"). Eine zweistiindige bzw. achtstfindige Bestrahlung mit

Wirkung yon Rotlicht und Blaulicht auf die Photosynthese

I07

B l a u l i c h t f/ihrt zu keiner d e u t l i c h e n F S r d e r u n g . Der E i n b a u b e t r g g t i m Mittel 5,1 m>M (2 8td) bzw. 6,1 m F M (8 Std) (Abb. 10). N a c h 24st/indiger B e s t r a h l u n g w e r d e n dagegen i m Mittel bereits 23,3 m~M u n d nach 48 S t d 40,7 mbtM pro Zelle aufgenommen. Eine 72st/indige B e s t r a h l u n g fiihrte in diesem Versuch zu k e i n e m weiteren Anstieg (39,0 mbtM ). Der mm #5"

Stiellfnge ~43) [ (28) . ~ / ( 5 0 ) (56), $~,~ ~'(53)

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(28) Tage

Abb. 8. Der Einflug kurzer Blanlichtg~ben zum Rotlicht auf das Stielwachstum von in Rotlicht vorkultivierten Zellen. Versuchsbedingungen wie in Abb. 6. o o 30 see, o. . . . . . . o 2 rain, o. . . . l0 rain bzw. o. . . . 60 rain Blaulicht t~glich. Die iibrige Zeit standen die Zellen in Rotlicht. Angegeben sind die Mittelwerte yon 45--50Zellen. Ordinate: mm Stiellgnge. Abszisse: Tage nach Versuchsbeginn, 0 = Tage nach Beginn der Bestrahlung mit Blaulieht. Zahlen = % Zellen mit Hut

E i n b a u in die R o t l i c h t k o n t r o l l e (72 Std) fiel dagegen noch weiter ab (2,3 m F M C). W ~ h r e n d des I n d u k t i o n s v o r g a n g e s k o m m t es zu einer Verschiebung in der Verteilung des I i x i e r t e n Kohlenstoffs auf die beiden F r a k t i o n e m A m E n d e der R o t l i c h t v o r b e h a n d l u n g ist 62 % des i n n e r h a l b 2 S t d incorp o r i e r t e n Kohlenstoffs in der ,,16slichen F r a k t i o n " enth~lten. A u e h nach zweistfindiger B e s t r a h l u n g m i t B a u l i e h t ist die Verteilung e t w a gleieh. N a e h 8 S t d B l a u l i e h t findet sieh dagegen n u r noeh 49 % u n d naeh 24 S t d n u r noeh 38% des fixierten Kohlenstoffs in der ,,15sliehen F r a k t i o n " . Lgngere B e s t r a h l u n g seheint wieder zu einer geringen Versehiebung zug u n s t e n der ,,15slichen F r a k t i o n " zu ffihren. Die Verteilung auf die

108

U. SCHAELu n d H . CL~VSS:

F r a k t i o n e n der R o t l i c h t k o n t r o l l e (72 Std) ~ndert sieh w&hrend des Versuchszeitraumes dagegen nicht.

D. Diskussion I n l~otlicht fs die N e t t o - P h o t o s y n t h e s e y o n Acetabularia mediterranea i n n e r h a l b y o n ca. 2 - - 3 W o c h e n bis in die N~he des K o m p e n s a t i o n s -

/ug Trockengew. / Z e l l e 800 t 700 t

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(28) Tege

Abb. 9. EinfluB kurzer Blauliehtgaben zum Rotlicht auf die Substanzproduktion nach Rotlichtvorbehandlung. Versuchsbedingungen wie in Abb. 6. o......... o 30 sec, . . . . . . . 2 min, o. . . . o l0 rain bzw. o ~ o 60 rain Blaulicht tgglich. Die fibrige Zeit Bestrahlung mit Rotlieht. Angegeben sind die Mittelwerte yon drei je 20 Zellen umfassenden Proben. Ordinate: Troekengewieht in Fg/Zelle. Abszisse: Tage nach Versuchsbeginn. 0 = Tage nach Beginn der Bestrahlung mit Blaulicht

p u n k t e s , m a n c h m a l sogar d a r u n t e r . Gleichzeitig v e r l a n g s a m e n sich Zellw a c h s t u m u n d S u b s t ~ n z p r o d u k t i o n (s. auch CLAUSS, 1967 im Druck). Andererseits wird u n t e r Bedingungen, die die N e t t o - P h o t o s y n t h e s e fSrdern, wieder W a c h s t u m u n d S u b s t a n z p r o d u k t i o n induziert, z.B. d u r c h die Uber~fihrung der Zellen aus l~otlicht in B l a u l i c h t oder die U n t e r brechung der t { o t l i c h t b e s t r a h l u n g m i t B]~ulicht (CLAuSS, 1963, 1967 i m Druck). Diese U b e r e i n s t i m m u n g zwischen N e t t o - P h o t o s y n t h e s e u n d W a c h s t u m s g e s c h w i n d i g k e i t bzw. S u b s t a n z p r o d u k t i o n geht noch welter. Es ist mSglich, d u r c h Varfieren der B e s t r a h l u n g s d a u e r m i t zus~tzlichem zum R o t l i c h t g e b o t e n e m Blaulicht, die W a c h s t u m s g e s c h w i n d i g k e i t zu beeinflussen, u n d zwar ist sie zwischen l 0 sec u n d 1 S t d p r o p o r t i o n a l d e m

Wirkung yon Rotlieht und Blaulieht auf die Photosynthese

109

Logarithmus der Bestrahlungsdauer (CLAVSS, 1967 im Druck). Aueh die Netto-Photosynthese ist umso hSher, je mehr Blaulicht die Zellen erhalten. gesonders deutlieh zeigt sich dies nach Abschlug der Induktionsphase [Abb. 6, ab Tag 35 (21)]. Trotz der grol3en Streuung der MeBpunkte rr u M / Z e l l e / 2 h 50' | 40

3O

2O

t0

0

20

40

60

80 Stunden

Abb. 10. Induktion der Photosynthese in Blaulicht nach Vorbehandlung mit Rotlieht. Auf 10 mm Stiellgnge zurfiekgesehnittene Zellen wurden 25 Tage mit Rotlieht bestrahlt. Danaeh wurden sie in Blaulieht gebraeht und naeh versehiedenen Zeiten entnommenen Proben in Rotlieht 2 Std NaH I~C02 geboten, got- bzw. Blaulieht 3200 erg em-e see 1. Ordinate : Fixierter Kohlenstoff in mBM/Zelle/2 Std. Abszisse: Stunden naeh Beginn der Bestrahlung mit Blaulieht. Jeder Ansatz enthielt 50 Zellen darf aus den vorhandenen Daten mit einiger Wahrseheinlichkeit gesehlossen werden, dab aueh die Photosynthese-Rate proportional dem Logarithmus der tgglieh applizierten Blauliehtmenge ist. I n diesen Versuehen diirfte demnaeh die Gesehwindigkeit des Waehsturns der Zelle weitgehend yon der Photosynthese-Rate bestimmt wetden, da eine Limitierung der Morphogenese dutch einen Mangel an morphogenetisehen Substanzen hier ausseheidet (CLAuSS, 1967 im Druek). Diese Beobaehtnngen best/~tigen die Bedeutung der Photosynthese f/ir das Waehstum der Acetabularia-Zelle, denn bei Acetubalaria ist Zellwaehstum nieht nut mit einer Volumenzunahme, sondern stets mit einer Substanzvermehrung gekoppelt. Wghrend die Znsammenhs zwisehen Photosynthese-~ate und Zellwaehstum einigermagen verstgndlieh sind, ist die Ursaehe ftir den 8

P l a n t a (Ber].), 13d. 78

110

U. SCHAELund H. CLA~ss:

Abfall der Photosynthese in Rotlicht unbekannt. Es ist unwahrscheinlich, daB das Absinken der Photosynthese-Rate dureh eine entspreehende Stimulierung der Atmung in Rotlicht zustande kommt. Dazu sind die beobaehteten Absolutwerte zu groB. AuBerdem gibt die Atmungsmessung unmittelbar im AnschluB an Rot- bzw. Blauliehtbestrahlung keine Anhaltspunkte ffir eine selektive Beeinflussung der Atmung dutch die Lichtqualit~t. Die Atmungsintensit~t betr~gt in beiden F~llen ca. 0,4 ~l O2/ Zelle/2 Std und sinkt mit fortsehreitender Kulturdauer in Rotlicht etwas ab. Dies ist wahrscheinlieh auf einen Substratmangel in Rotlieht zurfiekzuffihren. Die in Rotlieht bei Versuehsbeginn um ca. 35--45 % hhhere Photosynthese-l%ate, die wegen der um ca. 50% hhheren Quantenstromdiehte der Rotliehtquelle erwartet werden muB, sowie das langsame Absinken der Photosynthese-Rate, schlieBen einen direkten EinfluB des Rotliehts auf die chemisehen Vorg~nge der ]?hotosynthese weitgehend aus. Die Befunde spreehen eher daffir, dab in der Zelle - - wahrseheinlieh in den Chloroplasten - - Prozesse ablaufen, als deren Resultat der Wirkungsgrad des eingetrahlten Lichtes kontinuierlieh absinkt. ])as gilt nicht nur, wie hier gezeigt werden konnte, fiir I%otlicht, sondern aueh ffir jede photosynthetisch wirksame Strahlung, wenn sie kurzfristig geboten w k d und ws des Versuehes nieht induktiv wirken kann (CLAuss, unver5ffentlieht). Als Ursache f~ir den Rotlichteffekt dfirften demnach relativ langsam ablaufende Prozesse in Frage kommen, etwa Vers in der Chloroplastenstruktur. Als weitere M6glichkeiten w~re an eine Limitierung der Photosynthese durch den Ausfall yon Cofaktoren zu denken, deren Synthese dann allerdings dureh km'zwellige Strahlung kontrolliert werden mfiBte, an eine Akkumulierung nicht verbrauehter Photosyntheseprodukte oder ~hnliches. Die eintretenden Ver/~nderungen mfissen derart sein, dab sie in dem gepriiften Zeitraum zu keiner irreversiblen Seh/~digung des Photosyntheseapparates ffihren. Einen Hinweis au~ Ver~ndemngen im Chloroplasten - - direkt oder indirekt sei dahingestell~ - - lieferten Untersuchungen fiber die Hillaktivit~tt isolierter Chloroplasten. Sie f~llt, wie die Netfo-Photosynthese ganzer Zellen, bei Chloroplasten aus Rotlicbtzellen ebenfalls deutlich ab (CLAcSS, in Vorbereitung). Die w/~hrend des Induktionsvorganges zu beobachtenden Versehiebungen in der Verteilung des incorporierten Kohlensto~fs auf die ,15sliehe Fraktion" und den ,,unl6sliehen Rfiekstand" deuten darauf hin, dab dabei Synthesen von Makromolekfilen beteiligt sind und diese dem Anstieg der Kohlenstoffineorporation vorausgehen. W~hrend n~m]ieh der Einbau von Koh]enstoff erst naeh einer aehtstfindigen Bestrahlung mit Blaulicht merklieh ansteigt (Abb. 10), wird bereits naeh dieser Zeit ein hhherer Anteil des in den folgenden 2 Std in Rotlicht fixierten Kohlen-

Wirkung yon I~otlicht und Blgulicht auf die Photosynthese

II1

stoffs in die ,,unl6sliche Fraktion" eingebaut. Da ferner der Induktionsvorgang in puromyeinhaltigem Medium gehemmt wird, k6nnten Proteinsynthesen beteiligt sein (CLAuSS, in Vorbereitung). Es dtirfte sieh dabei allerdings nur um eine kleine Proteinfraktion handeln, da der Proteinanteil des Trockengewiehts trotz der vorhandenen grogen Untersehiede in der Photosynthese-Rate weitgehend iibereinstimmt (CLAUSS, 1963, 1967 im Druek), gleichgiiltig, ob die Zellen in Rotlieht oder in Rotlieht mit zus/~tzliehem Blaulieht gehalten werden. Der Photosyntheseapparat von Acetabularia mediterranea ben6tigt zur vollen Funktionsf~higkeit kurzwellige Strahlung. Diese Strahlung wirkt wahrscheinlieh nicht direkt auf den Chemismus der Photosynthese ein, sondern d/irfte eine Rolle im Aufbau der Struktur des Chlorol01asten spielen (vgl. BERC~A~ und BEnGER, 1966). W~hrend diese Untersnchungen im Gange waren bzw. naeh ihrem Absehlug, erschienen zwei Publikationen, die sieh mit der Wirkung yon Rot- und Blaulicht auf die Photosynthese der Acetabularia crenulataZelle befassen. RIC~ITE~ (1966) fand im Gegensatz zu uns, bezogen auf den Proteingehalt der Zelle, eine gleiehe Photosynthese-Rate in Weiglieht (20000 Lux), unabhgngig davon, ob die Zellen vorher in t~ot- oder Blaulicht gehalten wnrden. Auf Grund der Versuehsbedingungen seheint eine Induktion der Photosynthese nieht f/ir das abweiehende Ergebnis verantworClieh zu sein. Aueh die Wirkungsspektren der Photosynthese yon 44 Tage lung in Rot- bzw. Blaulicht kultivierten Zellen stimmten weitgehend iiberein. I m Gegensatz zu unseren Befunden an Acetabularia mediterranea (CLA~SS, 1963, 1967 im Druek und vorliegende Daten) und yon TS,~BaOGI~ (1965) an Acetabularia crenulata, wuehsen die yon RICHTE~ untersuchten Zellen in energiegleiehem Rot- und Blaulieht ungefghr gleieh sehnell. Unter diesen Umst/~nden d/irften dann keine oder nut geringfiigige Untersehiede in der Netto-Photosynthese zu erwarten sein. Fiir mSgliche Ursachen ffir das abweiehende Verhalten sei auf CLAUSS (1967) verwiesen. Aueh TE~BO~aI~ (1966) befaBt sieh mit dem EinfluB der Liehtqualit/~t auf die Photosynthese yon Acetabularla crenulata. Er finder in Rotlicht in ~bereinstimmung mit uns einen Abfall der Sauerstoffproduktion, die sogar sehneller erfolgt als bei Acetabularia mediterranea. Nach TE~BO~C~ soll sie bereits innerhalb 2 Std auf 20--40 % des Anfangswertes abfallen. Diese starke Abnahme f~llt jedoeh zeitlieh mit einem Absinken der Photosynthese-Rate zusammen, die bei Aeetabularia bekanntlieh tagesperiodisch verl~uft (Sw~ENEY and HAXO, 1961 ; SCHWEmER et al., 1964). Wird dagegen die Sauerstoffproduktion an gleiehen Tageszeiten der aufeinanderfolgenden Tage vergliehen (Daten aus TERSO~Gg, 1966, Abb. 2), 8*

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U. SC~HA]gLu n d ~-~.CLAI3SS:

so zeigt sich, d a b sie erst i n n e r h a l b 48 S t d auf ca. ein D r i t t e l des Anfangswertes abf/~llt. N a c h einer g o t l i e h t v o r b e h a n d l u n g (max. 72 Std) k a n n anch bei Acetabularia crenulata d u t c h k u r z d a u e r n d e (10--120 see) zus/~tzliehe B e s t r a h lung m i t BlauHeht geringer Intensit/~t oder d u r e h U n t e r b r e e h u n g der B e s t r a h h m g m i t g o t l i e h t d u r e h B l a u l i e h t (10--120 see), naeh einer lagP h a s e y o n 4 - - 5 rain, eine Steigerung der P h o t o s y n t h e s e - R a t e erzielt werden. Trotz groger Ubereinstimmungen bestehen in. den geaktionen yon Acetabularia mediterranea und crenulata jedoch nicht zu (ibersehende Unterschiede, so dab es zur Zeit fraglieh erseheint, ob es sich um dieselben Ph~nomene handelt: I. bestehen Untersehiede in der lag-Phase. Sie betrggt naeh ca. 24stfindiger Rotliehtvorbehandlung bei Acetabularia crenulata ca. 4--5 rain, bei Acetabularia mediterranea nach 25t~giger Rotliehtvorbehandlung ca. 8 Std. Diese Differenzen k6nnten vielleicht auf Untersehieden in der Vorbehandlung beruhen, 2. spricht Acetabularia crenulata im Verlauf der Rotlichtbestrahlung auf Blaulichtsigna]e (1 rain pro 2 Std) immer weniger an, und naeh 72 Std bleibt eine Reaktion vollkommen aus; es wird dann also keine zus~tzliche Photosynthese mehr induziert. Bei Acetabularia mediterranea f5rdern dagegen auch naeh 14~21t~giger Vorbehandlung mit Rotlicht bereits 30 see Blaulich~ pro 24 Std die Sauerstoff-, die Substanzproduktion und das Zellwachstum deutlich gegeniiber der Rotlichtkontrolle. 3. seheinen die Wirkungsspektren nicht iibereinzustimmen. W~thrend TER~O~GH (1966) maximale Wirkung fiir Strahlung der Wellenl~nge 450 nm angibt und ein Absinken der Wirksamkeit gegen 400 nm beobach~en konnte, scheint bei der Induk~ion der Photosynthese naeh l~ngerer got]iehtvorbehandlung bei AcetabuIaria mediterranea die induktive Wirkung yon Strahlung mit Wellenl~ngen unterhalb 450 nm nieht abzufallen, sondern im Gegenteil zwischen 427 am und 406 nm (kiirzeste gepriifte Wellenlgnge) noch einmal anzusteigen (CLAuss in Vorbereitung). Dagegen ist Strahlung mit Wellenl~ngen > 530 nm in beiden Fgllen unwirksam. Weitere Untersuchungen werden zeigen miissen, ob die Unterschiede im Verhalten yon Acetabularia crenulata (TERBORG~I, 1966) und Aeetabularia mediterranea grunds~tzlicher Natur oder nur Grenzfglle desselben Ph~nomens sind, bedingt dureh die Untersehiede in der Versuehsanstellung. Aul]erdem muB noch gekl~rt werden, ob die hier gesehilderten Ph~nomene in Beziehung stehen zu den Beobachtungen yon W_*RBCI~Get M. (i954, 1955) und neuerdings yon I-IAuscHILD et a]. (1962, 1964) an Chlorella. Bei diesem Objekt wird ebenfalls unter bestimmten Bedingungen dutch zus~tzliches Blaulieht zum gotlicht die Sauerstoffproduktion (WAt~BUgGet al., 1954:, 1955) bzw. tier Einbau yon 14C ge~5rdert (HAvsemLD et al., 1962, 1964).

Zusammenfassung Die P h o t o s y n t h e s e - R a t e y o n Acetabularia mediterranea stellt sich in b l a u e r S t r a h l u n g (350--500 nm) auf ein b e s t i m m t e s N i v e a u ein, in r o t e r S t r a h l u n g (600--700 nm) f/illt sie dagegen i n n e r h a l b y o n 2 - - 3 W o e h e n bis ungef~hr auf den K o m p e n s a t i o n s p u n k t ab (Abb. 1). D e r P h o t o s y n t h e s e a p p a r a t w i r d jedoch d u r e h g o t l i e h t n i e h t irreversibel gesch~digt, d e n n n~ch B e s t r a h l u n g m i t B l a u l i c h t steigt die P h o t o s y n t h e s e - R a t e in ca. 3 T a g e n wieder auf den A u s g a n g s w e r t a n (Abb. 5). D e m Anstieg g e h t

Wirkung yon Rotlicht und Blaulicht auf die Photosynthese

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eine lag-Phase yon mehreren Stunden voraus (Abb. 10). Photosynthese kann aueh induziert werden, wenn die Bestrahlung mit Rotlieht kurzfristig tgglieh durch Blaulieht unterbroehen wird. Die erreiehte Photosynthese-gate hs von der t/~gliehen Blaulichtmenge ab und ist wahrseheinlieh proportional dem Logarithmus der Blauliehtmenge. Die Wirkung roter und blauer Strahlung und zus/~tzlicher blauer Strahlung zum Rotlicht auf das Zellwaehstum und die Substanzproduktion 1/~gt sieh zwanglos dureh den Einflug der Strahlung auf die Photosynthese-Rate der Zelle erkl/iren. D i e A r b e i t w u r d e d u r e h S a c h b e i h i l f e n des M i n i s t e r i u m s ffir w i s s e n s c h a f t l i c h e Forsehung unterstfitzt.

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