Pflanzenpigmente und Photosynthese

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1 Vorlesung Zellbiologie Physiologie und Genetik SoSe 2016 Pflanzenpigmente und Photosynthese Prof. Dr. Iris Finkemeier Institut für Biologie und Biotechnologie der Pflanzen Chloroplasten 2 1

2 Die Photosynthese besteht aus zwei miteinander verbundenen Reaktionen 2 NADPH e 2 H + 2 NADP + 2 H 2 O O H e ADP ATP H + Chloroplast Die Lichtreaktionen in der Thylakoidmembran Die Kohlenstofffixierung im Stroma Adapted from Kramer, D.M., and Evans, J. R. (2010). The importance of energy balance in improving photosynthetic productivity. Plant Physiol.155: Linearer Elektronentransport dient der Erzeugung von Reduktionskraft (NADPH) und eines Protonengradienten, der die ATP-Synthese antreibt Buchanan et al., Biochemistry & Molecular Biology of Plants ; Amer. Soc. of Plant Physiol. 2

3 Photosynthetischer linearer Elektronentransport Oxidation von Wasser und Reduktion von NADPH Wellenlängen des Lichts Wellenlängen 1 nm 1 μm 1 mm 1 m Gammastrahlen UV IR Radiowellen Röntgenstrahlen Wellenlängen 400 nm Visible 500 nm 600 nm Mikrowellen Viel Energie Hohe Frequenz Kurze Wellenlänge Geringe Energie Geringe Frequenz Lange Wellenlänge 3

4 7 Lichtabsorption Das Blatt erscheint grün, weil alle Wellenlängen außer grün absorbiert werden Grünlücke Wichtige Pigmente der Photosynthese Tetrapyrrolring mit Mg im Zentrum Chlorophyll a Absorptionsspektrum photosynthetischer Pigmente Chlorophyll a Chlorophyll b β-carotin Phycoerythrin Phycocyanin Akzessorische Pigmente Wellenlänge (nm) β-carotin 4

5 Chlorophylle Porphyrin-Ringsystem mit zentralem Metall- Atom (Magnesium) Methyl Aldehyd bestehen aus: polarem Tetrapyrrol-Ring ( farbig, durch konjugierte Doppelbindungen) zentralem Magnesium-Atom (Mg 2+ -freies Chlorophyll = Phaeophytin, griech. hässlich) hydrophobem Phytolschwanz (dient der Membran-Verankerung) nicht-kovalenter Assoziation mit sogen. chlorophyll-binding proteins (CBPs) Chlorophylle unterscheiden sich in ihren Seitengruppen und im Tetrapyrrolring (Abb. ob.) Seitengruppen (Methyl-, Aldehyd-, etc.), bedingen die Position der Absorptionsbanden Carotinoide Alle photosynthetischen Membranen enthalten neben Chlorophyllen Carotinoide (nicht-kovalent an Chlorophyll-Bindeproteine gekoppelt) Carotinoide sind lipophile, gelb-orange Pigmente mit konjugierten Doppelbindungen (aliphat. Kette) und endständ. Ionon -Ringen ( -Carotin-Derivate) Xanthophylle enthalten Sauerstoff sind daher weniger lipophil als -Carotin Carotinoide sind akzessorische Photosynthese (PS)-Pigmente Funktion: Schutz des PS-Apparates vor zu hoher Lichtenergie (O 2 -Radikalen) Eigenschaften zeigen sich bei chromatographischer Trennung 5

6 Kein Pigment der Photosynthese Wird in der Vakuole gespeichert Wird vermehrt unter Stress gebildet Kommt vor allem in Epidermiszellen vor UV-Schutz für die Photosynthese Anthocyane 11 Der Absorptionsbereich wird außer von der Molekülstruktur auch vom ph-wert der Umgebung beeinflusst. Im sauren Milieu überwiegt die Rot-färbung, im basischen vor allem Blau- und Violetttöne. Das Grundgerüst der Anthocyane besteht aus einem sauerstoffhaltigen Heterocyclus (Pyran) mit ankondensiertem Benzolring. Photosynthese: Wirk- und Absorptionsspektrum 12 6

7 Eigenschaft der Pigmente: Wenn Chlorophylle oder andere Pigmente Licht absorbieren, werden Elektronen auf ein höheres Energieniveau gehoben Pigment + Licht = Pigment* Pigmente: Anregung durch Licht 14 S 2 Wärme S 1 E Flu S 0 7

8 Licht Photosynthese Wärme Fluoreszenz Zellen des Schwammparenchyms (Tabak-Blatt) Die Chlorophyll-Fluoreszenz ist ein diagnostisches Werkzeug zum Nachweis und zur Untersuchung der Photosynthese (Effizienz) Der angeregte Zustand von Chlorophyll ist kurzfristig. Rückkehr zum Grundzustand kann auf vier Wegen erfolgen: Photon Chl* 1. Relaxation (Nicht-photochemisches quenchen; Energie wird in Wärme umgewandelt) 2. Fluoreszenz (Energie wird in Form von langwelligerem Licht abgestrahlt) Chl 3. Resonanzenergieübertragung (Excitonentransfer):Energie wird auf anderes Pigmentmolekül übertragen und regt dieses an. 4. Elektronenübertragung (Photochemie): Energie wird als energiereiches Elektron auf benachbartes Molekül übertragen (Elektronenakzeptor) und hinterlässt Elektronenlücke im ursprünglichen Molekül (Ladungs-trennung). 8

9 START Carotinoide Chl b, a -Carotin Dünnschichtchromatographische Trennung von Blattpigmenten (feste Phase: Papier, Kieselgel) abnehmende Polarität (bessere Pigment-Löslichkeit in der mobilen Phase (hydrophobes Laufmittel) Trennplatte im Dunkeln (bei Blaulicht-Anregung) Carotinoide Chl b, a -Carotin Chlorophylle relaxieren vom 1. Anregungszustand durch Abgabe von rotem Fluoreszenz-Licht Carotin(oide) relaxieren dagegen thermisch (strahlungslos) Photosynthese und Lichtintensität Rate of photosynthesis Optimal conditions Bei hoher Lichtintensität: Zu viel Licht kann die Photosynthesekomplexe schädigen Bei geringer Lichtintensität: Lichtintensität limitiert Photosyntheseleistung Stressed conditions Der metabolische und physiologische Status der Pflanze oder Zelle definiert wieviel Licht zu viel ist Light intensity Adapted from Li, Z., Wakao, S., Fischer, B.B. and Niyogi, K.K. (2009). Sensing and responding to excess light. Annu. Rev.Plant Biol. 60:

10 Dissipation von zu viel Licht via nonphotochemical quenching NPQ 1 Chl* Photon Non-photochemical quenching (NPQ) Chl Non-photochemical quenching Setzt sich zusammen aus: qe = Energie-abhängiges Quenching: Xanthophyll-Zyklus qt = State transition: Bewegung von LHCII qi = Photoinhibition: Verlust der Photosyntheseleistung durch Licht-induzierte Schädigung Energie-abhängiges quenching (qe) macht den Haupteil von NPQ aus LHC PSII Normallicht: Hohe Effizienz der Photosynthese bei Ausnutzung der vollen Lichtenergie [H + ] Starklicht: Energie-abhängiges quenching 1. Ansäuerung des Lumens aktiviert die Violaxanthin Deepoxidase (VDE) [H + ] [H + ] [H + ] LHC VDE [H + ] PSII 2. VDE wandelt Violaxanthin in Zeaxanthin um. Absorption des Lichts durch Zeaxanthin führt zur Dissipation der Lichtenergie 10

11 Zu viel Anregungsenergie kann zu photooxidativen Schäden führen Photonen-angeregtes Chlorophyll bildet angeregtes Singulett Chlorophyll 1 Chl* 1 Chl* kehrt zum Grundzustand zurück durch: P Photochemie F Fluoreszenz D Dissipation (z.b., Hitze, NPQ) NPQ Alternativ, wird 1 Chl* zum angeregten Triplett Chlorophyll 3 Chl* umgewandelt, welches seine Energie auf Sauerstoff transferiert. Dabei entsteht Singulett- Sauerstoff, der Zellschäden verursachen kann. Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd Demmig-Adams, B. and Adams, W.W. (2000). Photosynthesis: Harvesting sunlight safely. Nature. 403: Salzstress 11

12 Verschiedene Pflanzenspezies haben eine unterschiedliche Salztoleranz Saltbush (Atriplex amnicola) ist ein Halophyt Arabidopsis thaliana Reprinted by permission of Annual Reviews from Munns, R. and Tester, M. (2008). Mechanisms of salinity tolerance. Annu. Rev. Plant Biol. 59: Warum bedeutet zu viel Salz Stress für die Pflanze? Salzstress Ionen Imbalance: zu wenig K + / zuviel Na + Influx Oxidativer Stress Osmotischer Stress inhibiert: Enzymaktivitäten, Photosynthese inhibiert: Enzymaktivitäten, Photosynthese inhibiert: Wasseraufnahme, Wachstum, Photosynthese resultiert in: Blatt Seneszenz Adapted from Horie, T., Karahara, I. and Katsuhara, M. (2012). Salinity tolerance mechanisms in glycophytes: An overview with the central focus on rice plants. Rice. 5: 11; see also Munns, R. and Tester, M. (2008). Mechanisms of salinity tolerance. Annu. Rev. Plant Biol. 59: and Shabala, S. and Pottosin, I. (2014). Regulation of potassium transport in plants under hostile conditions: implications for abiotic and biotic stress tolerance. Physiol. Plant. 151:

13 Praktikumsversuch: 1. Pigmentkonzentrationen 25 To do: Pro Arbeitsgruppe: Entnehmen sie pro Behandlung vier Blattscheiben für je zwei Replikate für: 1. Chlorophyll a,b und Carotinoide Bestimmung 2. Anthocyan Bestimmung Für die zuverlässige Bestimmung der Mittelwerte benötigen wir insgesamt 5 Replikate. Die anderen 3 Replikate messen sie mit Extrakten ihrer Nachbar- AGs. Kontrolle 50 mm NaCl 150 mm NaCl Praktikumsversuch: 1. Pigmentkonzentrationen 26 Chl a = 0, A 663 0, A 537 0, A 647 Das Lambert-Beer sche Gesetz stellt einen quasilinearen Zusammenhang zwischen Konzentration und Absorption her (< 0.8). 13

14 Ergebnisse 27 Abb. 1: Konzentration von Pigmenten in Arabidopsis thaliana Blättern nach einwöchiger Behandlung mit 0, 50 und 150 mm NaCl an vier Wochen alten Pflanzen (n= 5, MW +- SA) Fluoreszenz basierte Photosynthesemessungen mit Hilfe der Puls Amplituden Modulations Fluorometrie (PAM) 14

15 Nach gesättigtem Lichtpuls: Maximale Fluoreszenz, es sind alle PSII Reaktionszentren geschlossen Pheo Pheo e - P680 P680* P680 + Q B Q B Q A Q A e - e - Gesättigter Lichtpuls führt zu Fluoreszenzpuls (emittiertes Licht) Reaktionszentren vorübergehend geschlossen Murchie, E.H. and Lawson, T. (2013). Chlorophyll fluorescence analysis: a guide to good practice and understanding some new applications. J. Exp. Bot. 64: by permission of Oxford University Press. 15

16 Y(II) 90 µe = Die Quanteneffizienz Y(II) wird bei ansteigenden Lichtintensitäten gemessen (0, 90, 190, 420, 820 μe). Daraus lässt sich eine Schätzung der Elektronentransportrate der Photosynthese zu unterschiedlichen Lichtbedingungen ermitteln. 16

17 Praktikumsversuch: 2. Photosynthese 33 To do: Pro Arbeitsgruppe: Messen sie an je einem Rosettenblatt der drei Behandlungen (0, mm NaCl): 1. Fv/Fm-Wert (dunkeladaptiert), 2. Y(II) bei (90, 190, 420, 820 μe) Blatt jeweils vorher 5 min an neue Lichtintensität gewöhnen. Notieren sie gleichzeitig den ETR-Wert Kontrolle 50 mm NaCl 150 mm NaCl Benutzeroberfläche PAM-Software 34 Für Y(II)-Messung anklicken Stufen für Einstellung der Lichtstärke Für Messung Fo,Fm anklicken Aktinisches Licht an = Photosynthese an Für Messung Y(II) maximaler anschalten! Quanteneffizienz von PSII (Fo, Fm) vorher ausschalten! 17

18 (A) (B) 35 (C) Abb. 2: PAM-Messungen an Arabidopsis thaliana Blättern nach einwöchiger Behandlung mit 0, 50 und 150 mm NaCl an vier Wochen alten Pflanzen. (A) Maximale Effizienz von PSII, (B) Quanteneffizienz von PSII bei vier verschiedenen Lichtintensitäten, (C) Elektronentransportrate bei vier verschiedenen Lichtintensitäten (n= 5, MW +- SA). Das Protokoll Kurze Einleitung: Bedeutung von Salzstress für die Photosynthese (1 Seite maximal) 2. Ergebnisse: Beschreibung der Ergebnisse. Was passiert unter den verschiedenen Salzkonzentrationen mit Pigmenten und Photosyntheseleistung. Beantwortung der Fragestellung. Darstellung der Tabellen und Abbildungen. Verweis auf Abbildungen im Text. Beschriften sie ihre Abbildung richtig! Achsenbeschriftung, Legende und Abbildungsunterschrift! 3. Diskussion: Entsprechen die Ergebnisse den Erwartungen der Versuchshypothese? 4. Quellen 18

19 Arbeitssicherheit 37 Aceton Methanol Salzsäure Viel Erfolg! 19