Pörs, Yvonne: Anpassung von Tabakpflanzen (Nicotiana tabacum L.) an Licht- und Chlorophyllmangel

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Kapitel 1. Einleitung

Die Pflanze ist unter natürlichen Bedingungen vielen Schwankungen der Umweltfaktoren ausgesetzt, die ihr Wachstum und ihre Entwicklung entscheidend mitbestimmen. Diese werden, wenn sie zu stark vom Optimum der Wachstumsfaktoren abweichen und Stressreaktionen in der Pflanze auslösen, als Stressfaktoren bzw. Stressoren bezeichnet. Brunold (1996) definierte den Begriff “Stress“ folgendermaßen: “Aus belastenden Klimabedingungen, der Beschränktheit der Nährstoffe, der biologischen Konkurrenz und Schädigung sowie aus problematischen Eingriffen des Menschen ergeben sich also für Pflanzen vielfältige Beanspruchungszustände. Man verwendet dafür den Begriff Stress. Pflanzen können dann als gestresst betrachtet werden, wenn eine Belastungssituation zur Reduktion des Wachstums oder der Fortpflanzung führt.“ Dass der Begriff “Stress“ nicht nur für extreme Bedingungen anwendbar ist, wird durch ein Zitat von Larcher (1994) deutlich: “Stress ist daher kein Ausnahmezustand, sondern Bestandteil des Lebens.“ In diesem Zusammenhang wurden die Begriffe “Eustress“ für Belastungssituationen, bei welcher die Toleranzgrenze nicht überschritten wird und dementsprechend keinerlei Schädigungen auftreten, und “Distress“ für schädigende Belastungssituationen geprägt. Stressfaktoren können abiotischer (z. B. Lichtmangel und -überschuss, UV-Strahlung, hohe und niedrige Temperaturen, Wassermangel und Dürre, Überflutung, Nährstoffmangel und -überschuss, Luftschadstoffe) sowie biologischer Natur (z. B. Konkurrenz, Tierfraß, Insekten-, Pilz-, Bakterien- und Virusbefall) sein. Unter natürlichen Bedingungen wirken die einzelnen Stressoren meist nicht isoliert, sondern in Kombination. Auf die Einwirkung eines Stressfaktors reagiert die Pflanze mit entsprechenden Stressantworten. Die Reaktionen eines Organismus auf die verschiedensten Stressoren weisen Gemeinsamkeiten auf, die den Mediziner Selye schon 1936 (Selye, 1936) veranlassten, von einem “generellen Anpassungssyndrom“ zu sprechen. Allgemein für Pflanzen gültige Stresskonzepte sind z. B. in den Arbeiten von Levitt (1972), Larcher (1987 und 1994), Fowden et al. (1993), Smirnoff (1995), Srivastava und Strasser (1995), Brunold (1996), Hippeli und Elstner (1996) sowie Lichtenthaler (1996) dargestellt bzw. zusammengefasst. Hier steht v. a. die zeitliche Abfolge der Stressreaktionen bei spontaner, kurzzeitiger Einwirkung eines Stressfaktors, d. h. die Phasen der Stressdynamik, im Mittelpunkt der Betrachtungen. Es wird davon ausgegangen, dass ein Stressor zunächst eine Destabilisierung in der Alarmphase, dann die Normalisierung in der Restitutionsphase und schließlich eine Resistenzsteigerung in der Härtungsphase bewirkt, und bei Überschreiten der Anpassungsfähigkeit und Überforderung der


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Reparaturmechanismen in der Erschöpfungsphase zum Absterben der ganzen Pflanze oder Teilen von ihr führt (Larcher, 1987; Brunold, 1996; Lichtenthaler, 1996). Jedoch lässt sich laut Brunold (1996) “der Gültigkeitsbereich dieses Stresskonzepts laufend überprüfen, allenfalls modifizieren und weiterentwickeln.“

Wichtig bei der Betrachtung der verschiedenen Regel- und Kompensationsmechanismen, die der pflanzliche Organismus als Reaktion auf Stresseinflüsse ausbildet, ist die Tatsache, dass diese auf verschiedenen Hierarchieebenen des pflanzlichen Metabolismus ablaufen (Hoffmann, 1987; Polevoi, 1989). So sind bei höheren Pflanzen Regulationssysteme innerhalb und zwischen den Kompartimenten, auf zellulärer und interzellulärer Ebene sowie auf der Ebene des Organs und des Organismus zu unterscheiden.

Aufgrund seiner zentralen Stellung im pflanzlichen Stoffwechsel kommt dem Energiestoffwechsel, und hier insbesondere den Adenylaten und Pyridinnucleotiden, bei den regulatorischen Vorgängen, die als Reaktion der Pflanzen auf das Einwirken von Stressfaktoren ablaufen, eine wesentliche Rolle zu. Dieses beruht vor allem darauf, dass Adenylate und Pyridinnucleotide sowohl als Energie- und Wasserstoffüberträger als auch als regulatorische Substanzen fungieren sowie universell in der Zelle vorkommen und damit sowohl innerhalb der Hierarchieebenen als auch übergreifend wirken können (Melis et al., 1985; Raymond et al., 1987; Kitzmann, 1996).

Unter der Vielzahl der externen (Umwelt-) Bedingungen spielt die Lichtqualität und -quantität eine Schlüsselrolle. Licht wirkt als Signal, welches verschiedenartige Prozesse auslöst oder ihre Geschwindigkeit reguliert sowie als Energiequelle. Es ist die Haupttriebkraft für die photosynthetischen Prozesse und somit unmittelbare Voraussetzung für sämtliche Vorgänge, die zu Pflanzenwachstum und -entwicklung, Produktivität und Ertrag führen. Abhängig von der Lichtverfügbarkeit während des Wachstums können Pflanzen innerhalb eines großen Bereiches reagieren. Einerseits existieren Anpassungsreaktionen an Stark- bzw. überschüssiges Licht, andererseits können die Pflanzen sich an Schwachlicht bzw. Lichtmangel anpassen. Die Fähigkeit der Pflanzen und Chloroplasten, sich an die unterschiedlichen Lichtbedingungen zu adaptieren, ist die zentrale Grundantwort beim Wachstum und der Differenzierung, welche mit spezifischen Änderungen in der Anatomie, Morphologie, Physiologie und Biochemie der Blätter und Chloroplasten verbunden ist. Im Zusammenhang mit der Langzeitadaptation der Pflanzen an die jeweiligen Lichtverhältnisse erfolgt eine Einteilung in Starklicht- und Schwachlicht-


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pflanzen bzw. in Sonnen- und Schattenpflanzen (Boardman, 1977; Lichtenthaler et al., 1981; Rühle und Wild, 1985; Morales et al., 1991; Hikosaka und Terashima, 1995; Kazda et al., 1998).

Neben den die Pflanze umgebenden Bedingungen spielt eine Anzahl von endogenen Faktoren für die zu pflanzlichem Wachstum und Entwicklung führenden Prozesse eine entscheidende Rolle. Unter anderen zählen hierzu die genetische Determination von Strukturen und Funktionen (Fosket, 1994), der Ertragsbildung (Hoffmann, 1987; Casey, 1990) sowie der Ontogenese (Sestak, 1981; Tichá, 1985; Hoffmann, 1987; Kutik, 1998), welche den Rahmen für Pools und Flüsse von Metaboliten und Substraten innerhalb und zwischen den Kompartimenten pflanzlicher Zellen (Hoffmann, 1982; Kacser, 1987; Heldt, 1996) festlegt, sowie das Wirken von Phytohormonen für die Umsetzung der subzellulären Stoffwechselreaktionen in Wachstums- und Entwicklungsprozesse der gesamten Pflanze (Polevoi, 1989; Beck, 1996; Leung und Giraudat, 1998). Eine wesentliche Bedeutung innerhalb der endogenen Faktoren kommt den grünen Photosynthesepigmenten, den Chlorophyllen a und b zu. Chlorophyll-Protein-Komplexe sowie die Reaktionszentren in den Thylakoiden photoautotropher Pflanzen sind Funktionsstrukturen für die Lichtabsorption, den Energietransfer sowie die photochemische Verwertung der Strahlungsenergie und stellen somit eine Voraussetzung für den Ablauf der nachfolgenden photosynthetischen Prozesse dar. Die Biosynthese der Chlorophylle ist ein komplizierter, von vielen Faktoren abhängiger Prozess. Sie beginnt in den Chloroplasten mit der Bildung von delta-Aminolevulinat, dem sogannten C5-Weg, in welchen die 3 Enzyme Glutamyl-tRNA-Synthetase, Glutamyl-tRNA-Reduktase und GSA-AT integriert sind. Aus delta-Aminolevulinat wird in mehreren Schritten über verschiedene Tetrapyrrolformen Protochlorophyllid und Chlorophyllid synthetisiert, aus welchen letztendlich Chlorophyll a und b gebildet werden (Grimm, 1992; Trainotti et al., 1993; Averina et al., 1994; von Wettstein et al., 1995). In den Pflanzen von Nicotiana tabacum L., die in dieser Arbeit zum Einsatz kommen, wurde die cDNA-Sequenz, welche das Enzym GSA-AT codiert, in antisense-Richtung mit Hilfe eines CaMV S35-Promotors exprimiert. Die Prozedur wurde ausführlich in Höfgen et al. (1994) beschrieben. Dieses hatte zur Folge, dass eine geringere Menge an GSA-AT-Protein synthetisiert wurde und so eine verminderte Gesamt-Aktivität der GSA-AT bewirkte, die letztendlich zu einer eingeschränkten Chlorophyllbiosynthese führte (Höfgen et al., 1994). Bisherige Untersuchungen der Pflanzen, vor allem auf molekularbiologischem und photochemischem bzw. -physikalischem Gebiet, sind in den Publikationen von Höfgen et al.


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(1994), Pörs et al. (1996), Härtel et al. (1997), Härtel und Grimm (1998) und Matorin et al. (1997 und 1999) dargestellt.

Die Akklimation an Licht, d. h. die Anpassung an die während der Anzucht vorherrschenden Lichtbedingungen, basiert auf der morphologischen und physiologischen Plastizität der Pflanzen und kann auf den unterschiedlichen hierarchischen Niveaus untersucht werden (Boardman, 1977; Björkman, 1981). Ebenso werden Adaptationsmechanismen auf verschiedenen Hierarchiestufen durch Veränderungen in der Fähigkeit zur Lichtabsorption und -verwertung infolge einer variierten Chlorophyllsynthese, die entweder zu einem verminderten Chl-Gesamtgehalt (s. o.) oder zu einem völligen Ausfall von Chlorophyll b führen kann (Lit. bei Falbel und Staehelin, 1996; Falbel et al., 1996) sowie infolge von Modifikationen von Proteinen und Lipiden der Thylakoidmembran (z. B. Dörmann et al., 1995; Brüggemann und Wolter, 1995) hervorgerufen. Intensiv wurde und wird die Frage nach den Auswirkungen von veränderten Lichtbedingungen und/oder einer veränderten Struktur des Photosyntheseapparates auf die Primärprozesse in den Thylakoiden untersucht (Siefermann-Harms, 1985 und 1990; Wild, 1988; Mathis und Burkey, 1989; Adams et al., 1990; Adamson et al., 1991; Siffel et al., 1993; Schmid und Schäfer, 1994; Anderson et al., 1995; Falbel et al., 1996; Fetene et al., 1997). Sehr häufig steht ebenso der Zusammenhang zwischen hohen Lichtintensitäten und entsprechenden Schutzmechanismen im Mittelpunkt der Betrachtungen (Krause, 1988; Demmig-Adams, 1990; Demmig-Adams und Adams, 1992 und 1993; Bassi et al., 1993; Falbel et al., 1994; Schäfer et al., 1994; Schindler et al., 1994). Desweiteren existiert eine Vielzahl von Arbeiten zum Einfluss von Faktoren wie Lichtquantität (und -qualität) sowie veränderte Lichtabsorptionseigenschaften auf die Dunkelreaktionen der Photosynthese, speziell die CO2-Assimilation und die RubisC/O-Aktivität (Ostareck, 1990a; Morales et al., 1991; Gloser und Gloser, 1996; Hikosaka und Terashima, 1995; Liang et al., 1995; Luquez et al., 1997; Niinemets und Tenhunen, 1997).

Sehr selten wird aber aufgrund der Komplexität dieser Fragestellung die gesamte Pflanze betrachtet und Regulationszusammenhänge, Korrelationen und Kausalitäten innerhalb und zwischen den einzelnen, parallel ablaufenden bzw. nachfolgenden Prozessen analysiert. Der Ansatz der vorliegenden Arbeit basiert auf der Applikation von Lichtmangel während der Anzucht (externer Stressor) sowie einer experimentell eingeschränkten Chlorophyll-Biosynthese (interner Stressor) in Pflanzen von Nicotiana tabacum L. und der Untersuchung der


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Auswirkung dieser auf Prozesse in verschiedenen Hierarchieebenen. Während in der Mehrzahl der Stresskonzepte v. a. Dissipations- und Schutzmechanismen, z. B. unter exzessivem Licht, im Mittelpunkt der Betrachtungen stehen, führen die hier untersuchten Stressfaktoren nicht zu einem Energieüberschuss und damit nicht zur Auslösung bzw. Verstärkung von Dissipationsvorgängen. Studien zur Wirkung solcher zu Energiemangel führenden Stressoren sind in der Literatur selten zu finden. So wurde beispielsweise in der ausführlichen Zusammenfassung über Vegetationsstress bei Pflanzen von Lichtenthaler (1996) Lichtmangel gar nicht in der Liste der natürlichen Stressfaktoren aufgeführt.

Vor allem die dynamische Akklimation der photosynthetischen Prozesse in Reaktion auf die Umweltfaktoren spielt eine zentrale Rolle bei der Ausprägung einer bestimmten Toleranz der Pflanzen gegenüber Stress und hält eine optimale photosynthetische Effizienz und Ressourcennutzung aufrecht. Somit sollen auch in dieser Arbeit v. a. die Prozesse, die die photosynthetische Leistung des pflanzlichen Gewebes charakterisieren, sowie die, die indirekt mit den Prozessen von der Lichtabsorption zum Wachstum verbunden sind, betrachtet werden. Bei der Auswahl der zu untersuchenden Prozesse und Parameter standen v. a. die Regulations- und Kompensationsmöglichkeiten, die zur Aufrechterhaltung der normalen Lebens- und Entwicklungsfunktionen führen, im Mittelpunkt der Betrachtungen. Somit erfolgten Messungen zur Lichtabsorption der Blätter, die Ermittlung von Parametern des CO2- und H2O-Gaswechsels, die Bestimmung von Stärke- und Zucker-, Stickstoff- und Kohlenstoffgehalten sowie von Proteinmengen, und es wurden morphometrische Daten zur Charakterisierung der Blätter und gesamten Pflanzen erhoben. Desweiteren wurden als Charakteristika des Energiestoffwechsels die Menge an Adenylaten und Pyridinnucleotiden sowie die Aktivität der NADP+-Malatdehydrogenase ermittelt. Untersuchungen der Struktur des Blattgewebes sowie der Chloroplasten runden die Ergebnisse zur Bewertung der biochemischen und physiologischen Parameter ab.


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Ziel der vorliegenden Arbeit war somit die Klärung folgender Fragen:

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Welche Konsequenzen hat ein reduziertes Anzuchtlichtangebot sowie eine limitierte Chlorophyllbiosynthese für wichtige photosynthetische und mit der Photosynthese verbundene Prozesse? Wie wird dadurch Wachstum und Entwicklung beeinflusst? Welche Veränderungen können in Beziehung zu physiologischen Änderungen in der Blatt- und Chloroplastenstruktur beobachtet werden?

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Welche regulativen Funktionen kommen bei diesen Veränderungen dem Energiestoffwechsel zu?

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Erfolgt die Veränderung der in dieser Arbeit untersuchten Parameter und Prozesse unterschiedlicher Komplexität nach einem einheitlichen Grundprinzip und welche Mechanismen könnten der Realisierung desselben zugrunde liegen?


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