Pflanzen-Zellbiologie und Photosynthese

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Sebastian Voss
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1 Pflanzen-Zellbiologie und Photosynthese

2 Anatomischer Aufbau von Blättern Epidermis Mesophyll: Palisaden-Parenmchym Leitbündel Mesophyll: Schwamm-Parenmchym Epidermis Bilder: Blätter von Berkheya coddii (links) und Thlaspi goesingense (rechts), aufgenommen von H. Küpper, 2000, unpubliziert

3 Epidermis mit Stomata Bild: Epidermis von Thlaspi goesingense, aufgenommen von H. Küpper, 2000, unpubliziert

4 Leitbündel-Strukturen und Mesophyllzellen Bild: Leitbündel-Mesophyll-Übergang von Thlaspi goesingense, aufgenommen von H. Küpper, 2000, unpubliziert

5 Größenverhältnisse: Zellwand, Cytoplasma, Vakuole Bild: untere Epidermis von Thlaspi caerulescens, aufgenommen von H. Küpper, 1999, unpubliziert

6 Formen von Pflanzenzellen und Zellwandstrukturen Bilder: Blüte von Arabidopsis halleri, aufgenommen von H. Küpper, 1999, unpubliziert

7 Funktion von Pflanzengeweben am Beispiel des Eisentransports root uptake intracellular distribution From: Colangelo EP, Guerinot ML, 2006, CurrOpinPlantBiol9:

8 Kompartimentierung von Metallen in Blättern Epidermis Vakuole Mesophyll Zn-Verteilung in Blatt von Thlaspi caerulescens (Zn- Hyperakkumulator) Obere Epidermis und Al- Verteilung in altem Blatt von Camellia sinensis leaf (Tee) Ni-Verteilung in der Epidermis eines Alyssum bertolonii- Blattes Zn: Küpper H, Zhao F, McGrath SP (1999) Plant Physiol 119, Al: Carr HP, Lombi E, Küpper H, McGrath SP, Wong MH* (2003) Agronomie 23, Ni: Küpper H, Lombi E, Zhao FJ, Wieshammer G, McGrath SP (2001) J Exp Bot 52 (365),

9 Wichtigster Prozess des Pflanzen-Stoffwechsels: Photosynthese (Wir alle leben davon!)

10 Gesamtgleichung der Photosynthese: CO 2 + H 2 O + Lichtenergie --> chemische Energie in Kohlenhydraten (CH 2 O) + O 2

11 Schema der photosynthetischen Lichtreaktionen

12 Beispiele wichtiger Lichtsammelkomplexe Name des Komplexes Vorkommen Pigmente Absorptions-Maxima PSII innere Antennenkomplexe LHC I Höhere Pflanzen, Grünalgen, Braunalgen, Rotalgen, Cyanobakterien,... Höhere Pflanzen, Grünalgen, Chlorophyll a Carotinoide Chlorophyll a, Chlorophyll b, Carotinoide ca. 680 nm ca. 680 nm LHC II Höhere Pflanzen, Grünalgen Chlorophyll a Chlorophyll b Carotinoide ca. 670 nm Chl a/c-lhc Braunalgen, Diatomeen Chlorophyll a Chlorophyll c Carotinoide ca. 670 nm Phycobiliproteine Rotalgen, Cyanobakterien Phycobiline: fest (kovalent) gebunden! sehr variabel, ca. 450 nm (Phycourobiline) bis ca. 670 nm (Allophycocyanine) LH II Purpurbakterien Bakteriochlorophyll a, Bakteriochlorophyll b, Carotioide ca. 850 nm

13 Photosynthetische Pigmente: Gemeinsame Charakteristika (I) ß-Carotin Chlorophyll a

14 Photosynthetische Pigmente: Gemeinsame Charakteristika (II)

15 Photosynthetische Pigmente: Gemeinsame Charakteristika (II) S2 intersystem crossing S1 h ν h ν intersystem T1 crossing photochemistry absorption phosphorescence intersystem crossing absorption intersystem crossing fluorescence S0 Chlorophyll

16 Voraussetzung der Energieübertragung: Überlappende Emissions-/Absorptionsbanden M g-c hl a A bso rptio n in A c eton M g-c hl a Fluo re sz en z in A c eton Absorption W ellenläng e / nm

17 Abstimmung der Absorptionsbanden

18 Abstimmung der Absorptionsbanden (II)

19 Energieübertragung: Trichter-Prinzip (I)

20 Energieübertragung - Trichter-Prinzip (II): Schema und Absorptionsspektren in Cyanobakterien (Beispiel Trichodesmium) Transmission von Filtern für selektive Anregung Car PUB = Phycourobilin PE = Phycoerythrin PC = Phycocyanin APC = Allo- Phycocyanin Chl RC (Chl)

21 Geschwindigkeiten der Energieübertragung in Reaktionszentren

22 Regulation der Energieübertragung (I): state transitions Höhere Pflanzen, viele Algen

23 Regulation der Energieübertragung (I) Cyanobakterien und Rotalgen

24 Excitation energy transfer between chlorophyll derivatives and singlet oxygen S2 intersystem crossing S1 h ν h ν S0 intersystem T1 crossing EET photochemistry absorption phosphorescence intersystem crossing absorption intersystem crossing fluorescence chlorophyll S1 phosphorescence intersystem crossing T1 oxygen

25 Regulation der Energieübertragung (II) Mechanismen der Energieregulierung durch Carotinoide

26 Regulation der Energieübertragung (III): Xantophyll-Zyklus wenig Licht viel Licht wenig Licht viel Licht

27 ...und Methoden zu ihrer Untersuchung

28 Funktionsprinzip Sauerstoff-Elektrode Kathodenreaktion: O 2 + 2H 2 O --> 4 OH - Anodenreaktion: 4Ag --> 4AgCl + 4e - Schaltung:

29 Wichtige Methoden zur Messung der Photosynthese-Aktivität Beispiel: IR-Messung von CO 2 -Assimilation

30 Extinktionsänderungen von PS II und PSI nach Belichtung

31 Grundlage der in vivo Chl-Fluoreszenzkinetik: Energiezustände des Chls S2 intersystem crossing S1 h ν h ν intersystem crossing photochemistry absorption intersystem crossing absorption fluorescence S0 Chlorophyll

34 Fluorescence kinetic microscopy Methods of data processing Method 1: images of fluorescence parameters To obtain images of fluorescence parameters, frames within the relevant time periods are selected and the necessary mathematical operations are performed on every pixel. False colour image of F m Chl fluorescence calculated from fluorescence kinetic film False colour map of F v /F m, showing the differences in this parameter over the entire image. Method 2: kinetics of selected areas (objects) To obtain kinetic traces, the relevant regions are selected on a captured frame or parameter image. The kinetics of all pixels within the selected areas are averaged. Manual selection of objects for kinetic analysis. Fluorescence induction of selected objects, showing all differences in kinetics for representative cells.

36 Der heutige Vortrag wird ab morgen auf meiner Homepage verfügbar sein: /kuepper/homepage/ag_kuepper_education.html

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