in Pflanzen Vortrag von H. Küpper in der Vorlesungsreihe Ökologie für Fachfremde, 13. November 2012

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1 Photosynthese und abiotischer Stress in Pflanzen Vortrag von H. Küpper in der Vorlesungsreihe Ökologie für Fachfremde, 13. November 2012

2 Interaktion autotropher und heterotropher Organismen... Von: de.wikipedia.org

3 ...Oder, anders gesagt: Die meisten Lebewesen würden ohne die Photosynthese ersticken und verhungern

4 Wo findet Photosynthese statt (I)? 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

5 Wo findet Photosynthese statt (II)?

6 Nur sichtbares Licht wird für die Photosynthese benutzt Ultraviolettes Licht ist zu energiereich (es zerstört die Moleküle) Ultraviolettes Licht ist zu energiereich (es zerstört die Moleküle) Dunkelrotes Licht ist zu energiearm (wird von Wasser und organischen Molekülen absorbiert)

7 Wirkungsspektrum der Photosynthese (die Effektivität der Lichtnutzung in den verschiedenen Spektralbereichen) Versuch von Theodor Wilhelm Engelmann (1883) Aus: de.wikipedia.org

8 Energieschema des Chlorophylls S2 Internal conversion S1 h ν h ν intersystem T1 crossing photochemistry absorption phosphorescence Internal conversion absorption Internal conversion fluorescence S0 Chlorophyll

9 Energieübertragung - Trichter-Prinzip (II): Energieübertragung zwischen einzelnen Teilen der PSII-Antenne bei Pflanzen Aus: Horton P, Ruban AV, Walters RG (1996) Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol 47:

10 Abstimmung der Absorptionsbanden Aus: Lawlor DW (1990) Thieme, Stuttgart, 377S Aus: Barber J (1978) Rep Prog Phys 41,

11 Abstimmung der Absorptionsbanden (II) Aus: Lawlor DW (1990) Thieme, Stuttgart, 377S

12 Energieübertragung: Trichter-Prinzip (I) Die Reaktionszentren wirken als Energiefalle

13 Photosystem = Antenne + Reaktionszentrum Licht Die Antennen absorbieren die Photonen und leiten deren Energie in die Reaktionszentren t weiter. Die in das Reaktionszentrum t geleiteten t Excitonen bewirken dort eine Ladungstrennung.

14 Schema der photosynthetischen Lichtreaktionen

15 Wie wird das von den Lichtreaktionen der Photosynthese produzierte ATP+NADPH weiter genutzt? Kohlendioxidfixierung ("Dunkelreaktionen")

16 C3-Weg der CO 2 -Fixierung (Photosynthese-Dunkelreaktion) Calvin-Zyklus = reduktiver Pentosephosphat-Zyklus Aus: de.wikipedia.org

17 Summengleichung der oxygenen Photosynthese: 6CO H 2 O + Lichtenergie C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O 2 2 g

18 Vergleich C4- und CAM-Photosynthese räumliche Trennung zeitliche Trennung Mesophyllzelle nachts Mesophyllzelle Leitbündel- scheidezelle tagsüber Schema von:

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

20 Carotinoide schützen gegen g Oxidation

21 Carotinoide schützen gegen Oxidation

22 Xanthophyllzyklus - die Umwandlung von Violaxanthin über b Antheraxanthin thi zu Zeaxanthin ist Lichtsammelantenne Zeaxanthin- Epoxidase Zeaxanthin- Epoxidase Violaxanthin- De-Epoxidase Violaxanthin-anthin De-Epoxidase wandelt von Anregungsenergie in Wärme um Aus: Commons.wikimedia.org (vereinfacht)

23 Regulation der Energieübertragung (IV): Kombination von LHCII- Aggregation mit Xanthophyllzyklus Violaxanthin Zeaxanthin LHCII Von: ng.aspx (Horton lab web page) Horton P, Johnson MP, Perez-Bueno ML, Kiss AZ, Ruban AV (2008) FEBS Journal 275,

24 Die Dosis macht das Gift - auch bei Schwermetallen!

25 Umweltrelevanz von Schwermetall-Toxizität Wo? Wodurch? Für Wen? Natürlicherweise auf schwermetallhaltigen Böden (Cu: z.b. in Zaire, Afrika; Zn/Cd: rel. häufig, auch in Mitteleuropa; Nickel: rel. häufig, Serpentinböden z.b. in Afrika, Australien, Nord- und Mittelamerika): Schwermetallkonzentrationen hoch genug für Toxizität gegen die meisten Organismen. Natürlicherweise in kupferhaltigen Bereichen der Ozeane (z.b. Sargasso-See): Kupferkonzentrationen im nanomolaren Bereich hemmen bereits empfindliche Cyanobakterien. Anthropogen wegen Einsatzes von Schwermetallsalzen (z.b. CuSO 4, z.b. Zn-Phosphid, Zn-Borat, oat, Zn-Fluosilikat): Konzentrationen o e im mikromolaren Bereich sind toxisch für viele Pflanzen, v.a. Wasserpflanzen in angrenzenden Gewässern Anthropogen durch Erz-Abbau und -Verhüttung, Konzentrationen in der Umgebung von Minen, Hütten und Abraumhalden können extrem hoch und für alle Organismen toxisch sein. Anthropogen in geringerem Umfang auch durch andere Industrien. Der Rhein enthielt in den 70er Jahren bis zu 0.5 µm Kupfer, was für empfindliche Wasserpflanzen wie Stratiotes, Ceratophyllum oder Elodea bei längerer Einwirkung letal ist.

26 Wirkungsmechanismen von Schwermetall-Toxizität und Resistenz-Mechanismen, die diese gezielt verhindern --> Hemmung der Wurzelfunktion --> direkte Hemmung der Photosynthese --> oxidativer Stress, entweder direkt durch die Schwermetall hervorgerufen oder durch die Fehlfunktion der Photosynthese induziert. --> Substitution von aktiven Zentren in Enzymen --> Hemmung der Atmung und anderer weniger sensitiver Prozesse

27 Hemmung der Wurzelfunktion Warum Wurzeln? Bei terrestrischen Pflanzen ist die Wurzel generell das erste Organ der Pflanze, das mit den Schwermetallen in Berührung kommt. Bei Schwermetallen mit relativ geringer Mobilität, z.b. Cu +, werden auch die höchsten Konzentrationen in der Wurzel erreicht Mechanismen Kompetition in der Aufnahme mit weniger verfügbaren essentiellen Spurenelementen, da z.t. von denselben Proteinen transportiert: umstritten da widersprüchliche Daten Vermutlich Hemmung von Transportproteinen Diverse relativ unspezifische Inhibierungen von cytoplasmatischen Enzymen Hemmung der Zellteilung (Wirkmechanismus unbekannt) Also Folge der Wurzeltoxizität sterben zunächst die Wurzelhaare und Wurzelspitzen ab

28 Strategien Hemmung der Wurzelfunktion: Resistenzmechanismen Verringerung der unspezifischen Durchlässigkeit der Wurzel für unerwünschte Schwermetalle: Expression von Peroxidasen verstärkt Lignifizierung Aktive (ATP-abhängige) Ausschleusung durch Efflux-Pumpen: Wurde für Cu in Silene vulgaris und für diverse Metalle in Bakterien gefunden. Zn-sensitive Zn-resistant Chardonnens AN, Koevoets PLM, vanzanten A, Schat H, Verkleij JAC, 1999, PlantPhysiol120_

29 Angriffspunkte in den photosynthetischen Lichtreaktionen heavy metals Antenna Chl-protein complexes, main protein: LHCII 4 h ν Chl Chl excitation energy transfer Chl P680* Pheo P680 Q A Q B PQ electron transport FeS/ Rieske e PC P700* A0 A P700 Chl A 1 Chl E 4 WSC e- 2 H 2 O O H +

30 Der Mechanismus der Hemmung der photosynthetischen Lichtreaktionen ist in Chlorophyta lichtabhängig Schatten-Reaktion Bei geringer Lichtintensität mit einer Nachtphase ist der größte Teil der Antennenchlorophylle (v.a. LHCII) der MgSubstitution zugänglich. Werden dabei stabile Schwermetallchlorophylle p y wie z.b. Kupferchlorophyll gebildet, bleiben die Pflanzen auch nach ihrem Absterben grün. Sonnen-Reaktion In hoher Lichtintensität ist dagegen nur ein kl i A t il d h ll d kleiner Anteil der Chl Chlorophylle der M MgSubstitution zugänglich, statt dessen findet die Hemmung direkt im PSIIRC statt. Der größte Anteil der Chlorophylle bleicht im Zusammenhang mit der Zerstörung des Photosyntheseapparates aus. Küpper H, Küpper F, Spiller M (1998) Photosynthesis Research 58,

31 Warum sind Schwermetallchlorophylle untauglich zur Photosynthese? Instabiler S1-Zustand Blauverschobene Absorptionsbande des S1-Zustandes Wegen der vorgenannten Gründe wirken Schwermetallchlorophylle in einem Mg-Chlbasierten System als schwarze Löcher für Anregungsenergie nur wenige (3-10) Prozent des Gesamtchlorophylls müssen in Schwermetallchlorophyll umgewandelt werden, um komplette Hemmung der Photosynthese zu erreichen. Schwermetall-Chlorophylle haben eine geringere Tendenz als Mg-Chl, eine Ladungstrennung durchzuführen. Schwermetall-Chlorophylle binden, im Gegensatz zu Mg-Chl, axiale Liganden nur schwach (z.b. Zn-Chl) oder gar nicht (Cu-Chl)

32 Bedeutung Oxidativer Stress Umstritten: Studien mit geringen aber noch toxischen Schwermetall-Konzentrationen zeigen oft keinen oxidativen Stress Oxidativer Stress kann zur Oxidation von Lipiden in Membranen und somit zu deren Undichtigkeit führen. Populärer aber in seiner Bedeutung in vivo umstrittener Mechanismus. Mechanismen Direkt: Katalysiert von redox-aktiven Metallionen (Fe 2+, Cu + ) werden aus Wasserstoffperoxid durch die Fenton-Reaktion reaktive Sauerstoff-Radikale: populärer aber in vivo höchstwahrscheinlich irrelevanter Mechanismus. Indirekt: Durch Fehlfunktion der Photosynthese und Atmungskette können reaktive Sauerstoff-Spezies entstehen. Deswegen kann auch bei in vivo redox-inerten Metallionen wie Zn 2+ und Cd 2+ oxidativer Stress auftreten. Vermutlich der Normalfall.

33 Vergleich der Superoxid-Produktion während Cr- and Cu-stress in Euglena gracilis Photosynthesis is much more sensitive, respiration changes later as a secondary effect Erhöhung der Superoxid-Produktion unter Schwermetallstress ist vor allem eine Folge falsch funktionierender Photosynthese! Rocchetta I, Küpper H (2009) New Phytologist 182,

34 Relevanz Genotoxizität Hängt STARK vom Metall ab: NICHT relevant für Kupfer und Zink- Toxizität, weil andere Mechanismen (v.a. Photosynthese-Hemmung) VIEL effizienter sind SEHR relevant für Arsen, da effizient - andere Mechanismen hier wenig erforscht. Relevant für Cadmium, da ähnlich effizient wie Photosynthese-Inhibition Nicht sehr effizient für Blei, aber andere Mechanismen der Toxizität sind hier bei Pflanzen noch weniger effizient Pb- Toxizität für Pflanzen ist generell NICHT umweltrelevant! Hängt auch von der Pflanzenart ab! Poin nt mutations s: spots per plant Kovalchuk O, Titov V, Hohn B, Kovalchuk I, 2001, Nature Biotechnol. 19,

35 Allgemeine Resistenz-Mechanismen Schwermetall-Entgiftung mit starken Liganden Phytochelatine Binden mit sehr hoher Affinität Cd 2+, andere Metallionen aber wenig Speziell zur Cd 2+ -Bindung synthetisiert von Phytochelatin-Synthase Sind der wichtigste Cd-Resistenzmechanismus in den meisten Pflanzen (außer Hyperakkumulatoren) und vielen Tieren Phytochelatin-Synthase wird von (z.b. durch Cd-Bindung) blockierten Thiolen von Glutathion und ähnlichen Peptiden aktiviert Phytochelatine binden Cd 2+ im Cytoplasma, dann Tranport des Komplexes in die Vakuole. In der Vakuole bilden sich große Phytochelatin-Cd-Aggregate

36 Schwermetall-Entgiftung durch Kompartimentierung Mechanismen Generell: aktive Transportprozesse gegen den Konzentrationsgradienten Transportproteine beteiligt. Ausschluss aus der Zellen: - in Algen: bei Braunalgen beobachtet - in Wurzeln: siehe Wurzeln Einlagerung in wenig sensitive Gewebe, z.b. Epidermis ohne Photosynthese statt Mesophyll mit Photosynthese Einlagerung in die Vakuole: - Pflanzen-spezifischer Mechanismus (Tiere haben keine Vakuolen...) - sehr wirksam, da die Vakuole keine zu hemmenden Enzyme enthält - spart den Aufwand der Synthese von starken Liganden wie Phytochelatinen - wichtigster Mechanismus in Hyperakkumulatoren

37 Schwermetall-Aufnahme-Charakteristika verschiedener Pflanzentypen

38 Cadmium-Mangel im Cd/Zn-hyperaccumulator Thlaspi caerulescens Mit 10 µm Cadmium in der Nährlösung --> gesunde Pflanzen Ohne Cadmium in der Nährlösung --> Schaden durch Parasitenbefall Küpper H, Kroneck PMH (2004) MIBS 44 (Sigel et al., eds), chapter 5

39 mm / mm Ca 8 Junge Blätter Kompartimentierung der Metalle in Blättern Zn/Cd/Ni -Akkumulation in Epidermis- Vakuolen von Thlaspi und Alyssum -Arten Epidermis Mesophyll oben unten Vakuole 0 8 Zn Mg P S Cl K Ausgereifte Blätter mm / mm Ca Zn Mg P S Cl K obere Épidermis oberes Mesophyll unteres Mesophyll untere Epidermis Element-Konzentrationen Zn Kα α Linienscan & dot map Ni Kα α Linienscan & dot map in T. caerulescens-blattgeweben eines T. caerulescens-blattes eines A. bertolonii-blattes Zn: Küpper H, Zhao F, McGrath SP (1999) Plant Physiol 119, Ni: Küpper H, Lombi E, Zhao FJ, Wieshammer G, McGrath SP (2001) J Exp Bot 52 (365),

40 Die Powerpoint-Bilder des Vortrags sind auf meiner Homepage (Uni KN FB Bio Arbeitsgruppen Küpper) und dem ILIAS-System verfügbar