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

87

Kapitel 4. Diskussion

4.1. Von der Lichtenergie zum Wachstum

4.1.1. Zur Hierarchie der mit der Photosynthese verbundenen Prozesse

Ausgehend von den Beobachtungen von Aristoteles im 4. Jhd. v. u. Z., von van Helmont und Woodward in den Jahren 1634 bzw. 1699 sowie von Hales, Tull, Priestley und Ingen-Housz im 18. Jhd., dass eine grüne Pflanze zum Wachsen, d. h. zur Bildung von organischer Masse, Wasser, Erde, Luft und Licht benötigt (Hoffmann, 1987; Polevoi, 1989; Höxtermann, 1992), haben sich seitdem die Vorstellungen über die mit der Photosynthese zusammenhängenden Prozesse stark entwickelt. Der Weg vom Lichteinfang durch die chlorophyllhaltigen Organe über die komplexen Vorgänge in der Photosynthese - die im Licht zum Verbrauch von Wasser und Kohlendioxid, zur Freisetzung von Sauerstoff und zur Bildung von Zuckern und komplexen Assimilaten führen - bis hin zur Bildung und Akkumulation von Biomasse und damit letztendlich zum Wachstum ist eine komplizierte, durch eine Vielzahl von Faktoren beeinflussbare, mit vielen anderen metabolischen Abläufen in Wechselwirkung stehende, in Zeit und Raum hierarchisch geordnete Gesamtheit von Prozessen.

In Abb. 36 ist ein stark vereinfachtes Schema der von der Aufnahme des Lichtes bis zum Wachstum in Bezug zu und in Wechselwirkung mit der Photosynthese ablaufenden und unmittelbar zusammenhängenden Faktoren und Prozesse dargestellt. Diese wurden aus der Vielzahl der für das Pflanzenwachstum wichtigen Stoffwechselwege ausgewählt, da erstens die Photosynthese die Hauptantriebskraft für das Pflanzenwachstum, die Produktivität und den Ertrag ist (Lawlor, 1990). Zweitens stellen diese Prozesse die Betrachtungsgrundlage für die erhaltenen Ergebnisse in der folgenden Diskussion dar.

Die Prozesse auf den unteren Hierarchieebenen (im oberen Teil der Abb. 36 dargestellt) - z. B. die Lichtabsorption - laufen in kürzesten Zeitintervallen (nsec bis fsec) und in begrenzten (Sub)Kompartimenten ab und stehen mit einer geringeren Anzahl von anderen Prozessen in Wechselwirkung. In und zwischen diesen Vorgängen spielen Energieflüsse eine wesentliche Rolle. Die auf den höheren Ebenen der Hierarchie (im unteren Teil der Abb. 36 dargestellt) betrachteten Prozesse - z. B. das Wachstum - laufen in Zeitmaßstäben bis zu Jahren ab, schließen alle Kompartimente der pflanzlichen Zelle sowie alle Pflanzenteile ein und stehen mit einer Vielzahl von biochemischen und physiologischen Abläufen in Wechselwirkung. Bei


88

Abb. 36 Schematische Darstellung der grundsätzlichen, von der Lichtabsorption bis zum Wachstum ablaufenden und mit der Photosynthese verbundenen Prozesse sowie die zwischen ihnen existierenden wesentlichen Energie- ( ) und Substratflüsse ( ) (in Anlehnung an Hoffmann (1987) und Lawlor (1990)).


89

diesen Prozessen stehen die Flüsse von Substraten gegenüber denen von Energie im Vordergrund. Damit nimmt die Komplexität der Prozesse in Raum und Zeit mit der Hierarchieebene zu. Im folgenden Kapitel sollen die im Kap. 3 aufgeführten Analysenwerte den in Abb. 36 dargestellten Abläufen zugeordnet werden, so dass die Auswirkung der untersuchten Stressoren (Licht- bzw. Chl-Mangel) auf die jeweiligen Prozesse sowie existierende Zusammenhänge deutlich werden.

4.1.2. Physiologische und morphologische Veränderungen bei Tabakpflanzen infolge von Licht- bzw. Chlorophyll-Mangel

Es ist in der Literatur eine große Anzahl von Studien zu finden, die unter den verschiedensten Gesichtspunkten und Fragestellungen einerseits den Einfluss der Lichtquantität auf die eine oder andere Charakeristik des pflanzlichen Metabolismus (Lit. bei Boardman, 1977; Wild, 1979; Björkman, 1981; Lichtenthaler et al., 1981 und 1982; Barber und Baker, 1985; Strasser et al., 1996) und andererseits den Zusammenhang zwischen Chlorophyllgehalt bzw. -synthese und den verschiedensten Stoffwechselparametern (Michael, 1954; Sesták, 1981 und 1985; Osswald und Elstner, 1986; von Wettstein et al., 1995) untersuchten. Im vorliegenden Kapitel soll zunächst die Frage geklärt werden, ob und mit welcher Tendenz ein Einfluss von Lichtmangel während der Anzucht sowie von genetisch verursachter Chlorophylldefizienz auf die in Abb. 36 dargestellten Prozesse vorliegt.

In den Tab. 15 und 16 sind ausgewählte eigene und Literaturdaten zu Veränderungen von Parametern des pflanzlichen Stoffwechsels unter Licht- (Tab. 15) bzw. Chlorophyllmangel (Tab. 16) aufgeführt. Dabei wurden nur solche Literaturdaten berücksichtigt, die einen Vergleich mit den in dieser Arbeit erhaltenen Ergebnissen durch vergleichbare Anzuchtbedingungen (Lichtquantität und -qualität, Temperatur, ausreichende Wasser- und Nährstoffversorgung etc.), vergleichbare Physiologie der Pflanzen (C3-Typ, Lichtbedürftigkeit/Schatten- oder Sonnenarten etc.) sowie vergleichbare Messbedingungen und Bezugswerte (hier v. a. Blattfläche) zulassen. Jedoch ist die Vielzahl der Unterschiede v. a. zwischen HL- und LL-Pflanzen species-abhängig und Beobachtungen von einer Art können selten direkt auf andere Arten übertragen werden (Nikolaeva, 1994). Bei den HL-LL-Versuchen muss zudem genauestens


90-91

Tab. 15 Ausgewählte Literatur- und eigene Daten zur Auswirkung von LL-Bedingungen während der Anzucht auf Parameter und Prozesse des pflanzlichen Metabolismus im Vergleich zu HL-Anzuchtbedingungen. Die Umrechnung der verschiedenen in der Literatur angegebenen photophysikalischen Einheiten in µmol Quanten m-2 s-1 erfolgte nach Walter und Hoffmann (1988). Die Pfeile stellen eine Verringerung (darr) bzw. Erhöhung (uarr) des Parameters in den LL- im Vergleich zu den HL-Pflanzen dar; in den Klammern ist der LL-Wert als % des HL-Wertes angegeben.

Parameter

[Bedingung/Bezugsgröße]

Pflanzenart und Anzucht-PPFD

[µmol Quanten m-2 s-1] HL/LL

Vergleich LL mit HL

Literatur

Chl (a+b)-Gehalt
[pro Fläche]

* Tradescantia albiflora

225/25

darr

(43)

Adamson et al., 1991

* Nicotiana tabacum (SNN)

300/30

darr

(53)

vorl. Arbeit, Abb. 6

* Nicotiana sylvestris (WT)

240/50

darr

(61)

Eichelmann, Laisk, 1994

* Vicia faba

500/50

darr

(73)

Nikolaeva, 1994

* Sinapis alba

300/30

darr

(77)

Rühle und Wild, 1985

* Fagus crenata

440/30

darr

(90)

Liang et al., 1995

Chl a/b-Verhältnis

* Sinapis alba

300/30

darr

(73)

Rühle und Wild, 1985

* Raphanus sativus

275/25

darr

(78-83)

Lichtenthaler et al., 1981

* Schefflera arboricola

1200/20

darr

(82)

Grace und Logan, 1996

* Vinca major

1200/100

darr

(86)

Grace und Logan, 1996

* Vicia faba

500/50

darr

(86)

Nikolaeva, 1994

* Nicotiana tabacum (SNN)

300/30

darr

(88)

vorl. Arbeit, Abb. 6

* Fagus crenata

440/30

darr

(91)

Liang et al., 1995

* Tradescantia albiflora

225/25

darr

(96)

Adamson et al., 1991

a) JCO2 bei Anzuchtlicht bzw.
b) max. JCO2 (bei sättigendem Licht)
[bei natürl. CO2- und O2-Gehalten der Luft;
pro Fläche und Zeit]

* Fagus crenata

440/30

darr

( 5) a)

Liang et al., 1995

* Nicotiana tabacum (SNN)

300/30

darr

(13) a)

vorl. Arbeit, Abb. 24A

* Hydrocotyle bonariensis

1110/110

darr

(26) a)

Longstreth et al., 1981

* Sinapis alba

500/15

darr

(32) b)

Wild und Höhler, 1978

* Nicotiana tabacum (SNN)

300/30

darr

(41) b)

vorl. Arbeit, Tab. 7

* Nicotiana sylvestris (WT)

240/50

darr

(44) b)

Eichelmann, Laisk, 1994

* Fagus crenata

440/30

darr

(45) b)

Liang et al., 1995

* Raphanus sativus

275/25

darr

(52) b)

Lichtenthaler et al., 1981

* Hydrocotyle bonariensis

260/64

darr

(53) b)

Longstreth et al., 1981

* Vicia faba

500/50

darr

(63) b)

Nikolaeva,1994

* Hydrocotyle bonariensis

1110/110

darr

(63-69) b)

Longstreth et al., 1981

RD
[bei natürl. CO2- und O2-Gehalten der Luft;
pro Fläche und Zeit]

* Raphanus sativus

300/30

darr

(24)

Rühle und Wild, 1985

* Nicotiana tabacum (SNN)

300/30

darr

(37)

vorl. Arbeit, Abb. 23

* Calamagrostis arundinacea

200/25

darr

(49)

Gloser und Gloser, 1996

* Fagus crenata

440/30

darr

(76)

Liang et al., 1995

c) LKP bzw. d) LSP
[bei natürl. CO2- und O2-Gehalten der Luft]

* Raphanus sativus

300/30

darr

(22) c)

Rühle und Wild, 1985

* Nicotiana tabacum (SNN)

300/30

darr

(30) c)

vorl. Arbeit, Tab. 7

* Fagus crenata

440/30

darr

(77) c)

Liang et al., 1995

* Nicotiana tabacum (SNN)

300/30

darr

(36) d)

vorl. Arbeit, Tab. 7

* Raphanus sativus

300/30

darr

(40) d)

Rühle und Wild, 1985

* Fagus crenata

440/30

darr

(54) d)

Liang et al., 1995

* Hydrocotyle bonariensis

1110/110

darr

(54) d)

Longstreth et al., 1981

gH2O [bei natürl. CO2- und O2-Gehalten und Anzucht-PPFD; pro Fläche und Zeit]

* Nicotiana tabacum (SNN)

300/30

darr

(38)

vorl. Arbeit, Abb. 24B

* Fagus crenata

440/30

darr

(41)

Liang et al., 1995

* Hydrocotyle bonariensis

1110/110

darr

(84)

Longstreth et al., 1981

Stomataanzahl
[pro Fläche]

* Nicotiana tabacum (SNN)

300/30

darr

(35-36)

vorl. Arbeit, Abb. 13

* Sinapis alba

300/30

darr

(42-60)

Rühle und Wild, 1985

* Fagus crenata

440/30

darr

(56)

Liang et al., 1995

* Triticum aestivum

450/50

darr

(90-95)

Lichtenthaler et al., 1981

Stärkegehalt
[pro Fläche]

* Nicotiana tabacum (SNN)

300/30

darr

(12)

vorl. Arbeit, Abb. 32

* Triticum aestivum

450/50

darr

(11-17)

Lichtenthaler et al., 1981

* Trifolium repens

450/140

darr

(47)

Malinowski et al., 1998

Gehalt an lösl. Protein
[pro Fläche]

* Sinapis alba

500/15

darr

(13)

Wild und Höhler, 1978

* Nicotiana tabacum (SNN)

300/30

darr

(16)

vorl. Arbeit, Abb. 35

* Sinapis alba

300/30

darr

(32)

Rühle und Wild, 1985

Gehalt an e) C bzw. f) N
[pro Fläche]

* Nicotiana tabacum (SNN)

300/30

darr

(27) e)

vorl. Arbeit, Abb. 34

* Fagus crenata

440/30

darr

(41) e)

Liang et al., 1995

* Nicotiana tabacum (SNN)

300/30

darr

(35) f)

vorl. Arbeit, Abb. 34

* Fagus crenata

440/30

darr

(41) f)

Liang et al., 1995

g) spez. FM bzw.
h) spez. TM des Blattes
[pro Fläche]

* Tradescantia albiflora

225/25

darr

(43) g)

Adamson et al., 1991

* Sinapis alba

500/15

darr

(44) g)

Wild und Höhler, 1978

* Nicotiana sylvestris (WT)

240/50

darr

(64) g)

Eichelmann, Laisk, 1994

* Sinapis alba

300/30

darr

(68) g)

Rühle und Wild, 1985

* Nicotiana tabacum (SNN)

300/30

darr

(71) g)

vorl. Arbeit, Tab. 5

* Trifolium repens

450/140

darr

(27-34) h)

Malinowski et al., 1998

* Nicotiana tabacum (SNN)

300/30

darr

(32) h)

vorl. Arbeit, Tab. 5

* Fagus crenata

440/30

darr

(43) h)

Liang et al., 1995

* Vicia faba

500/50

darr

(55) h)

Nikolaeva, 1994

* Nicotiana sylvestris (WT)

240/50

darr

(63) h)

Eichelmann, Laisk, 1994

i) Blatt- bzw. k) Mesophylldicke

* Plectranthus parviflorus

590/13

darr

(30) i)

Nobel et al., 1975

* Triticum aestivum

450/50

darr

(55-75) i)

Lichtenthaler et al., 1981

* Nicotiana tabacum (SNN)

300/30

darr

(76) i)

vorl. Arbeit, Abb. 14

* Hydrocotyle bonariensis

1110/110

darr

(75) k)

Longstreth et al., 1981

Blattfläche

* Raphanus sativus

275/25

darr

(46-59)

Lichtenthaler et al., 1981

* Nicotiana tabacum (SNN)

300/30

darr

(64)

vorl. Arbeit, Abb. 12

* Tradescantia albiflora

225/25

darr

(73)

Adamson et al., 1991

* Vicia faba

250/50

darr

(92)

Nikolaeva, 1994

Pflanzenhöhe

* Fagus crenata

440/30

darr

(40)

Liang et al., 1995

* Nicotiana tabacum (SNN)

300/30

darr

(87)

vorl. Arbeit, Abb. 8

Wachstumsdauer

l) eines Blattes bis 100 % Ar; m) der Pflanze bis zur Blüte

* Nicotiana tabacum (SNN)

1110/110

uarr

(115) l)

vorl. Arbeit, Abb. 12

* Hydrocotyle bonariensis

500/15

uarr

(133) l)

Longstreth et al., 1981

* Sinapis alba

300/30

uarr

(261) m)

Wild und Höhler, 1978

beachtet werden, ob es sich bei dem jeweiligen experimentellen Ansatz für die jeweilige Pflanzenart um ein Modell zur Untersuchung von exzessivem im Vergleich zum Normallicht handelt oder eher um eines zur vergleichenden Studie von Normallicht und Lichtmangel. Die in dieser Arbeit gewählten Anzucht-PPFD´s von 300 bzw. 30 µmol Quanten m-2 s-1 stellen für die Pflanzen von Nicotiana tabacum Bedingungen von Normallicht bzw. Lichtmangel dar, da einerseits Tabak von Natur aus eher zu den Sonnenpflanzen zu zählen ist (Endemann, 1954)


92-93

und somit 300 µmol Quanten m-2 s-1 bei weitem keine überoptimalen Photonenflussdichten darstellen, andererseits 20 µmol Quanten m-2 s-1 als die untere Grenze für die Entwicklung von vaskulären Pflanzen einschließlich obligater Schattenspecies angesehen wird (Gloser und Gloser, 1996). unter Labor-Anzuchtbedingungen liegt der Wirkung von natürlichen Schattenbedingungen zudem immer ein nicht trennbarer komplexer Einfluss von Lichtquantität und -qualität zugrunde (Dale, 1988; Anderson et al., 1995). Bei Chlorophyll-Defizienz hängen die Art und Stärke der Ausprägung des Phänotyps und die damit verbundenen physiologischen Veränderungen außer vom Genotyp auch von den Kulturbedingungen wie dem Licht-, Temperatur- und Nährstoffangebot ab (s. Eskins et al., 1991; Höfgen et al., 1994; Falbel et al., 1996). Demzufolge können die erzielten Ergebnisse auch nur im Rahmen der im Kap. 2.1 beschriebenen Anzuchtbedingungen diskutiert werden.Die Zuordnung von Nicotiana tabacum zu den Sonnenpflanzen wird auch durch die Existenz von toten Blatthaaren (Pubeszenz) unterstützt, da diese bei hohen Lichtintensitäten die Oberflächenreflexion erhöhen und den Wasserverlust einschränken können (Rühle und Wild, 1985; Bolhár-Nordenkampf und Draxler, 1993; Eschrich, 1995; Strasser et al., 1996). Desweiteren ist wichtig, zwischen Versuchen mit Sonnen- (bzw. HL-) und Schatten- (bzw. LL-) Blättern einer Pflanze und Versuchen mit Sonnen- (bzw. HL-) und Schatten- (bzw. LL-) Pflanzen zu unterscheiden, da die Schattenblätter einer Pflanze z. T. die in den Sonnenblättern synthetisierten Assimilate nutzen und damit gänzlich andere Charakteristika als Schattenpflanzen entwickeln (s. Lichtenthaler et al., 1981). Im Vergleich zu Schwachlicht unter Labor-Anzuchtbedingungen liegt der Wirkung von natürlichen Schattenbedingungen zudem immer ein nicht trennbarer komplexer Einfluss von Lichtquantität und -qualität zugrunde (Dale, 1988; Anderson et al., 1995). Bei Chlorophyll-Defizienz hängen die Art und Stärke der Ausprägung des Phänotyps und die damit verbundenen physiologischen Veränderungen außer vom Genotyp auch von den Kulturbedingungen wie dem Licht-, Temperatur- und Nährstoffangebot ab (s. Eskins et al., 1991; Höfgen et al., 1994; Falbel et al., 1996). Demzufolge können die erzielten Ergebnisse auch nur im Rahmen der im Kap. 2.1 beschriebenen Anzuchtbedingungen diskutiert werden.

Tab. 16 Ausgewählte Literatur- und eigene Daten zur Auswirkung von Chl-Mangel in Mutanten bzw. Transformanten auf Parameter und Prozesse des pflanzlichen Metabolismus im Vergleich zum Wildtyp. Die Pfeile stellen eine Verringerung (darr) bzw. Erhöhung (uarr) des Parameters in den Mu/TF im Vergleich zu den WT-Pflanzen dar; in den Klammern ist der Mu/TF-Wert als % des WT-Wertes angegeben.

Parameter

[Bedingung/ Bezugsgröße]

Pflanzenart - Art des Chl-Mangels

(Chl (a+b)-Gehalt der Mu/TF

in % vom WT [pro Fläche])

Vergleich Mu/TF mit WT

Literatur

Chl a/b-Verhältnis

* Nicotiana tabacum - TF #42 (HL)

8

uarr

(117)

vorl. Arbeit, Abb. 6

* N. tabacum - Su/su-aurea-Mu

60

uarr

(135)

Habash et al., 1994

* N. tabacum - Su/su-aurea-Mu

42

uarr

(135)

Schindler et al., 1994

* Glycine max - Y11y11-Mangel-Mu

27

uarr

(186)

Santrucek et al., 1992

* Vigna unguiculata - Mangel-Mu

19

uarr

(275-511)

Xu et al., 1993

Fapp [bei natürl. CO2- und O2-Gehalten der Luft; pro (mol Quanten)]

* Nicotiana tabacum - TF #42 (HL)

8

darr

(46)

vorl. Arbeit, Tab. 8

* Glycine max - Y11y11-Mangel-Mu

19

darr

(69-78)

Xu et al., 1993

* Vigna unguiculata - Mangel-Mu

60

darr

(83)

Habash et al., 1994

a) JCO2 bei Anzuchtlicht bzw.

b) max. JCO2 (bei sättigendem Licht)
[bei natürl. CO2- und O2-Gehalten der Luft;
pro Fläche und Zeit]

* Nicotiana tabacum - TF #42 (HL)

8

darr

(34) a)

vorl. Arbeit, Abb. 24A

* Philadelphus pubescens - var. aureus

35

darr

(53-64) a)

Michael, 1954

* Quercus robur - var. concordia

22

darr

(56-86) a)

Michael, 1954

* Ulmus glabra - var. lutescens

13

darr

(72-84) a)

Michael, 1954

* Chamaecyparis pisifera - var. aurea

16

darr

(77-89) a)

Michael, 1954

* Glycine max - y9y9-Mangel-Mu

27

darr

(81-94) a)

Luquez et al., 1997

* Nicotiana tabacum - TF #42 (HL)

8

darr

(21) b)

vorl. Arbeit, Tab. 7

* Glycine max - Y11y11-Mangel-Mu

19

darr

(74-90) b)

Xu et al., 1993

* Hordeum vulgare - chlorina-f2-Mu

42

darr

(79) b)

Leverenz et al., 1992

RD
[bei natürl. CO2- und O2-Gehalten der Luft;
pro Fläche und Zeit]

* Corylus avellana - var. aurea

28

darr

(40)

Michael, 1954

* Nicotiana tabacum - TF #42 (HL)

8

darr

(59)

vorl. Arbeit, Abb. 23

* Chamaecyparis pisifera - var. aurea

16

darr

(64)

Michael, 1954

* N. tabacum - Su/su-aurea-Mu

27

darr

(67)

Santrucek et al., 1992

* Quercus robur - var. concordia

22

darr

(73)

Michael, 1954

* Philadelphus pubescens - var. aureus

35

darr

(83)

Michael, 1954

* Ulmus glabra - var. lutescens

13

darr

(91)

Michael, 1954

LSP [bei natürl. CO2- und O2-Gehalten d. Luft]

* Nicotiana tabacum - TF #42 (HL)

8

darr

(46)

vorl. Arbeit, Tab. 7

* Hordeum vulgare - chlorina-f2-Mu

42

darr

(73)

Leverenz et al., 1992

gH2O [bei natürl. CO2- und O2-Gehalten der Luft und Anzucht-PPFD; pro Fläche und Zeit]

* Nicotiana tabacum - TF #42 (HL)

8

uarr

(104)

vorl. Arbeit, Abb. 24B

* Glycine max -Y11y11-Mangel-Mu

19

uarr

(100-131)

Xu et al., 1993

* Glycine max -y9y9-Mangel-Mu

27

uarr

(143-158)

Luquez et al., 1997

a) spez. FM bzw. b) TM
[pro Fläche]

* Nicotiana tabacum - TF #42 (HL)

8

darr

(81) a)

vorl. Arbeit, Tab. 5

* Nicotiana tabacum - TF #42 (HL)

8

darr

(37) b)

vorl. Arbeit, Tab. 5

* Glycine max -Y11y11-Mangel-Mu

19

darr

(50) b)

Xu et al., 1993

* N. tabacum - Su/su-aurea-Mu

27

darr

(55) b)

Santrucek et al., 1992

rel. Wassergehalt

* Nicotiana tabacum - TF #42 (HL)

8

uarr

(107)

vorl. Arbeit, Tab. 5

* Glycine max -y9y9-Mangel-Mu

27

uarr

(107)

Luquez et al., 1997

Blattdicke

* Philadelphus pubescens - var. aureus

35

darr

(82-87)

Michael, 1954

* Quercus robur - var. concordia

22

darr

(86)

Michael, 1954

* Corylus avellana - var. aurea

28

darr

(88-94)

Michael, 1954

* Chamaecyparis pisifera - var. aurea

16

darr

(93)

Michael, 1954

* Nicotiana tabacum - TF #42 (HL)

8

darr

(98)

vorl. Arbeit, Abb. 14

Blattfläche

* Nicotiana tabacum - TF #42 (HL)

8

darr

(73)

vorl. Arbeit, Abb. 12

* Quercus robur - var. concordia

22

darr

(57-62)

Michael, 1954

* N. tabacum - Su/su-aurea-Mu

42

darr

(75)

Schindler et al., 1994

Pflanzenhöhe

* Corylus avellana - var. aurea

28

darr

(38)

Michael, 1954

* Philadelphus pubescens - var. aureus

35

darr

(55)

Michael, 1954

* Nicotiana tabacum - TF #42 (HL)

8

darr

(62)

vorl. Arbeit, Abb. 8

* Ulmus glabra - var. lutescens

13

darr

(73)

Michael, 1954

* Chamaecyparis pisifera - var. aurea

16

darr

(82)

Michael, 1954

* Quercus robur - var. concordia

22

darr

(91)

Michael, 1954


94

Wie aus den Tab. 15 und 16 hervorgeht, bewirken sowohl eine verringerte Anzucht-Lichtintensität als auch eine genetisch bedingte Reduzierung des Chl-Gehaltes eine Modifizierung vieler Parameter und Prozesse auf den verschiedenen hierarchischen Niveaus des pflanzlichen Metabolismus. Dabei wird deutlich, dass beide Mangelbedingungen zu einer generellen Absenkung bzw. Verlangsamung der betrachteten Stoffwechselprozesse führen. Die im Gegensatz hierzu von einigen Autoren (Lit. bei Lichtenthaler et al., 1981; Longstreth et al., 1981; Höft et al., 1996; Furukawa, 1997) gefundene Erhöhung vor allem der gebildeten Blattfläche und des Chlorophyllgehaltes unter LL-Bedingungen im Vergleich zu HL entspricht den Beobachtungen an Blättern an Naturstandorten unter Sonnen- und Schattenbedingungen (Larcher, 1994; Furukuwa, 1997). Eine Erklärung des Widerspruchs ergibt sich hier aus der schon erwähnten Tatsache (S. 91 f.) der Relativität von HL/LL-Versuchen und der Vergleichbarkeit unterschiedlicher Versuchsbedingungen.

Für die beobachtete verminderte photosynthetische CO2-Assimilation in den LL- (Abb. 19 und 24A, Tab. 15) bzw. transformierten Pflanzen (Abb. 19 und 24A, Tab. 16) ist eine Vielzahl von Faktoren verantwortlich.

Generell besteht bei Pflanzen unter Normal- und den meisten Stressbedingungen ein Problem eher darin, dass die Energie des eingestrahlten Lichtes im Überangebot vorhanden ist und somit die ET-Kapazität im Vergleich zum NADPH+H+- und ATP-Bedarf des photosynthetischen Stoffwechsels im Überschuss vorliegt (Di Marco et al., 1989; Heldt, 1996), da die Carboxylierungs-Reaktion der RubisC/O im Calvin-Zyklus im allgemeinen der limitierende und geschwindigkeitsbestimmende Schritt im gesamten Prozess der Photosynthese darstellt (Heber et al., 1988; Krause, 1988; Di Marco et al., 1989; Lawlor, 1990; Haag und Renger, 1993; Muschak, 1997). In Blättern von unter nicht limitierenden Freilandbedingungen angezogenen Rhizophora stylosa wurde z. B. nachgewiesen, dass der Elektronenfluss durch PSII den Elektronenverbrauch durch die Aktivitäten des Calvin-Zyklus um mehr als das dreifache überstieg, sogar unter Berücksichtigung photorespiratorischer Aktivitäten (Cheeseman et al., 1997).

Im vorliegenden Versuchsansatz ist allerdings davon auszugehen, dass zumindest bei den extrem chl-armen TF sowie bei den LL-Pflanzen unter den gegebenen Bedingungen die niedrigeren CO2-Aufnahmeraten (Abb. 19 und 24A) z. T. aus einem verminderten Energiefluss aus der Lichtreaktion der Photosynthese resultieren. Immerhin ist die Reduktion des CO2 im C3-


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Zyklus gegenüber alternativen Senken für NADPH+H+ und ATP der quantitativ überwiegende Prozess bei der Photosynthese (die NO3-- und SO42--Reduktion verbrauchen z. B. dagegen weniger als 5 % der photosynthetisch erzeugten Gesamtenergie; Hoffmann, 1987; Lawlor, 1990; Gilmore und Björkman, 1994). Somit würde während der Anzucht der Energiefluss aus den Lichtreaktionen akklimatorisch die Kapazität der CO2-Fixierungsprozesse des Calvin-Zyklus bedingen. In Übereinstimmung mit dieser Annahme gehen Terry und Farquhar (1984) davon aus, dass auch die maximale Photosyntheserate der Blätter im Lichtsättigungsbereich bei der Aufnahme der Lichtabhängigkeitskurven der CO2-Aufnahme noch streng mit der photochemischen Kapazität korreliert. Ebenso schreiben von Willert et al. (1995), dass die maximale CO2-Aufnahmerate neben anderen pflanzeninternen Prozessen von der blattflächenbezogenen Kapazität des photosynthetischen Elektronentransportes abhängt. Unter Schwachlichtbedingungen kann zwar eine relative Zunahme der äußeren LHC´s der photosynthetischen Einheiten (indiziert durch ein verringertes Chlorophyll a/b-Verhältnis; Abb. 6) für eine höhere light harvesting-Kapazität der einzelnen Photosysteme sorgen (Lichtenthaler et al., 1981; Melis et al., 1985; Siefermann-Harms, 1985; Anderson et al., 1995), jedoch stellt unter diesen Bedingungen die Lichtabsorption den limitierenden Faktor für die nachfolgenden Photosynthese-Prozesse dar (Rühle und Wild, 1985; Melis et al., 1985). Die durch die LL-Blätter absorbierte Lichtmenge liegt entsprechend dem um 90 % reduzierten Lichtangebot bei 8 bis 12 % derer durch die Blätter der HL-Varianten (Abb. 17). Dadurch ist die blattflächenbezogene nichtzyklische Elektronentransportrate geringer (Boardman, 1977; Leegood, 1993; Gall et al., 1996) und die damit gekoppelte NADPH+H+- und ATP-Synthese begrenzt die Stoffwechselrate (Lawlor, 1990; s. Kap. 4.2.2). Ersteres bestätigen die fluorometrisch bestimmten Elektronentransportraten der Tabak-Varianten unter Anzuchtlichtbedingungen (Hansen, unpubliziert).

Eine Reduktion der Gesamtmenge an Chlorophyll pro Blattfläche unter Schwachlicht ist an eine Verringerung der Anzahl der photosynthetischen Einheiten pro Fläche gekoppelt, was als eine Adaptationsreaktion an das stark reduzierte Lichtangebot zu werten ist (Grahl und Wild, 1972; Hoffmann, 1987). Auch die Tabakpflanzen, die unter LL angezogen wurden, wiesen einen geringeren Chl-Gehalt (in mol cm-2; Abb. 6) gegenüber den HL-Pflanzen auf. Solch eine Abnahme des flächenbezogenen Chl-Gehaltes mit der Anzucht-Lichtintensität bei insgesamt geringer Lichtquantität entspricht Ergebnissen von Hansen (unpubliziert), die an Buchenblättern mit unterschiedlicher Lichtexposition innerhalb der Schattenkrone gewonnen wurden. Von anderen Autoren wurde bei Schatten- bzw. LL-Pflanzen ein infolge einer


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verringerten Lichtabsorption reduzierter Gehalt an Komponenten der ETK pro Chl-Einheit gefunden (Leong und Anderson, 1984; Melis et al., 1985; Lawlor, 1990; Burkey, 1993; Nikolaeva, 1994).

Bei den chl-armen Pflanzen beruht der verminderte Substrat- und Energiefluss aus den Lichtreaktionen der Photosynthese vorrangig auf Modifikationen der Photosyntheseeinheiten, die letztendlich zu einem verringerten Absorptionsvermögen im Vergleich zum WT führen (Abb. 17). Zu gleichem Schluss kamen Adams et al. (1990) und Luquez et al. (1997), die Chl-Differenzen an Platanus occidentalis bzw. Glycine max untersuchten. Ob dieses nun in den hier untersuchten Tabak-Varianten eher auf eine Reduzierung der komplett ausgebildeten Photosynthese-Einheiten pro Fläche oder/und auf eine Reduzierung der Antennengröße zurückzuführen ist, kann anhand der vorliegenden Daten nicht entschieden werden. Eine Reduzierung der vollständig ausgebildeten Photosynthese-Einheiten pro Fläche wurde z. B. für chl-defiziente Mutanten von Glycine max (Xu et al., 1993) und von Hordeum vulgare (Harrison et al., 1993) bzw. für unter 70 µmol Quanten m-2 s-1 angezogene GSA-AT-TF von Nicotiana tabacum (Härtel et al., 1997) beschrieben. Eine Reduzierung der Antennengröße zeigten Thielen und van Gorkom (1981) für gelbe Su/su (var. aurea)-Mutanten von Nicotiana tabacum, Eskins et al. (1991) für gelbe y9y9-Mutanten von Glycine max, Leverenz et al. (1992) für chlorina f2-Mutanten von Hordeum vulgare sowie Habash et al. (1994) für chl-defiziente Mutanten von Vigna unguilata.

Infolge einer Langzeitadaptation der Tabakpflanzen an die vorherrschende Chlorophyll- bzw. Lichtmangelsituation und somit an den limitierenden Energiefluss aus der photosynthetischen Lichtreaktion könnte die beobachtete verminderte CO2-Assimilation im Vergleich zu den Kontrollpflanzen aus einer down-Regulation nicht nur der ET-Leistung, sondern auch der mit dem Calvin-Zyklus verbundenen Aktivitäten resultieren. Darauf weisen u. a. die ebenfalls verringerten maximalen CO2-Aufnahmeraten unter sättigendem Messlicht hin (Abb. 19, Tab. 7), die zumindest für die LL-Pflanzen keine Einschränkung durch eine Limitierung der absorbierten Energie bedeuten. Der um 56 - 84 % reduzierte Gehalt an löslichen Proteinen in den LL-Pflanzen (Abb. 35) dürfte neben einer allgemeinen Verringerung der Enzymmengen, z. B. der Nitratreduktase (Wild und Zerbe, 1977), Nitritreduktase und Glutaminsynthetase (Rühle und Wild, 1985), v. a. auf eine Reduzierung der RubisC/O-Proteinmenge zurückzuführen sein. Gleiches wurde durch Untersuchungen von Rühle und Wild (1985) an Sinapis alba bestätigt. Außerdem macht RubisC/O 40 bis 60 % der Gesamtproteinmenge in grünem, metabolisch


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aktivem Gewebe von C3-Pflanzen aus (Wild und Höhler, 1978; Lawlor, 1990; Leegood, 1993; Stryer, 1995; Eckardt et al., 1997; Taiz und Zeiger, 1998). Primärblätter von unter 30 µmol Quanten m-2 s-1 angezogenen Senf-Pflanzen beinhalteten 55 bis 70 % weniger Protein der großen RubisC/O-Untereinheit als die unter 300 µmol Quanten m-2 s-1, was mit einem Aktivitätsabfall der RubisC/O-Carboxylase um reichlich 50 % einherging (Gall et al., 1996). Auch Boardman (1977) und Lichtenthaler et al. (1981) sehen als Hauptursache für verminderte CO2-Aufnahmeraten unter Schwachlichtbedingungen den geringeren Proteingehalt von RubisC/O an.

Das gleiche könnte für die Chl-Mangel-Pflanzen unter HL mit 44 - 90 % der Menge an löslichem Protein des WT (Abb. 35) der Fall sein. Eskins et al. (1991) fanden in gelben Sojabohnenmutanten eine um ca. 20 % geringere Akkumulation an RubisC/O-Protein als in Wildtyppflanzen, die in allen Pflanzen zudem noch, wie oben diskutiert, mit der Lichtintensität positiv korrelierte. Solch eine Verringerung der RubisC/O-Menge könnte hauptsächlich zu der Reduzierung der CO2-Aufnahmeraten beitragen. Wright et al. (1995) sprechen generell davon, dass verringerte Mengen von im Calvin-Zyklus wirkenden Enzymen zu einer down-Regulation desselben führen. Ein direkt proportionaler Zusammenhang zwischen RubisC/O-Gehalt und Photosyntheseraten wurde in chl-defizienten Pflanzen von Glycine max (Jiang et al., 1997) und in verschiedenen Sojabohnenkultivaren (Hesketh et al., 1981) gezeigt.

Außer dieser Regulation der RubisC/O über die Enzymmenge, die als Langzeitadaptation die wesentlichere Rolle in den durch Licht- bzw. Chl-Mangel gestressten Tabakpflanzen spielt, existiert weiterhin eine Regulationsmöglichkeit der RubisC/O über den Aktivierungszustand des Enzyms. Letzteres besitzt jedoch vorwiegend Bedeutung als eine durch Licht induzierte, reversible, kurzzeitige Anpassung (Haag und Renger, 1993). Es ist bekannt, dass die in-vivo-Aktivität der RubisC/O, die übrigens sehr gut mit den Nettophotosyntheseraten korreliert (Reyss und Prioul, 1975; Wild und Höhler, 1978; Xu et al., 1993; Jiang und Rodermel, 1995; Jiang et al., 1997), durch eine RubisC/O-Aktivase reguliert wird (Portis et al., 1986; Andrews et al., 1995; He et al., 1997). Dabei spielt die ATP-Verfügbarkeit bzw. das ATP/ADP-Verhältnis im Stroma eine entscheidende Rolle (s. S. 120). Solch ein Kontrollmechanismus könnte den Aktivierungszustand der RubisC/O und somit die CO2-Assimilation in Abhängigkeit von der verfügbaren Lichtintensität und von anderen zellulären Prozessen regeln (Streusand und Portis, 1987; Woodrow und Berry, 1988; Jensen, 1990; Lawlor, 1990; Quick et al., 1991). In den jüngsten Trifoliaten von Glycine max-Mutanten wurde infolge des Chl-Mangels eine Reduzierung der RubisC/O-Aktivität um 30 % (auf RubisC/O-Proteinbasis)


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bzw. um 45 % (auf Blattflächenbasis) gegenüber den Kontrollpflanzen nachgewiesen (Eskins et al., 1991).

Die niedrigeren Raten der CO2-Assimilation in den chlorophyllarmen bzw. unter LL gewachsenen Tabakblättern waren nicht die Folge einer Limitierung durch die Stomata, wie das unter anderen Stress-Situationen, z. B. bei Wassermangel (Farqhar und Sharkey, 1982; Dua et al., 1994; Cornic, 1994; Larcher, 1994; Fiedler, 1998; Tezara et al., 1998) der Fall sein kann. Gegen eine solche stomatäre Limitierung sprechen folgende, das stomatäre Verhalten charakterisierende Parameter: die Werte der CO2-Konzentration in den Interzellularräumen (ci; Abb. 21 und 24C), die RSL-Werte (Abb. 26) sowie die Blattleitwerte für Wasserdampf (gH2O; Abb. 20 und 24B).

Die in den Tabakpflanzen von 193 (SNN-HL) bis auf 306 ppm CO2 (#42-LL) erhöhten ci-Werte unter Anzuchtlicht (Abb. 24C) bzw. die ci-Werte in Abhängigkeit von der Mess-PPFD v. a. in den Blättern der TF (Abb. 21) zeigen, dass trotz Veränderungen in der Blattmorphologie und -anatomie (Kap. 3.2.2) keinerlei negative Beeinflussung der photosynthetischen CO2-Assimilation durch diese Faktoren vorlag, sondern sogar noch eine “überoptimale“ Versorgung der Carboxylierungszentren der RubisC/O mit CO2 gewährleistet war. Auch Talwar et al. (1996) schlossen aus unveränderten ci-Werten in unter geringen Lichtintensitäten angezogenem Brassica campestris, dass stomatäre Faktoren nicht die Ursache für reduzierte CO2-Aufnahmeraten waren.

Als ein weiterer Beweis gegen eine durch die Stomata verursachte Einschränkung der CO2-Assimilation in den Schwachlicht-Varianten sowie in den chl-ärmsten Tabakpflanzen dienen die ermittelten geringeren Werte der relativen stomatären Limitierung gegenüber den jeweiligen Kontrollpflanzen (RSL; Abb. 26).

Ferner zeigten die Pflanzen, die durch Chl-Mangel gestresst waren, gleichbleibende bzw. erhöhte Blattleitwerte für H2O (Abb. 20 und 24B, Tab. 16) und somit laut von Caemmerer und Farquhar (1981) bzw. Forseth und Norman (1993) auch für CO2. Unter LL angezogene Pflanzen wiesen dagegen parallel zu ihren im Vergleich zu den HL-Varianten reduzierten CO2-Aufnahmeraten geringere stomatäre und intrazelluläre Leitwerte für die H2O- und CO2-Diffusion auf (Abb. 19, 20, 24A und 24B, Tab. 15; Prioul, 1971; Larcher, 1994; Talwar et al., 1996). Jedoch sind im Gegensatz zu der Aussage von Prioul (1971) letztere nicht als Ursache, sondern eher als Folge der verminderten Photosyntheseraten zu werten. Dieses ergibt sich aus der Tatsache, dass unter Lichtmangel u. a. die Verringerung von gH2O weniger stark


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ausgeprägt war als die von JCO2 (Abb. 19, 20, 24A und 24B, Tab. 15), was gleichfalls bei Untersuchungen anderer Autoren der Fall war (Wong et al., 1979; Rühle und Wild, 1985; Talwar et al., 1996). In Beschattungs-Versuchen an Vitis vinifera wurde ebenso gezeigt, dass die stomatäre Leitfähigkeit nicht zur Depression oder zur Erhöhung der CO2-Assimilation beiträgt (Iacono et al., 1995). Diese Schlussfolgerung wird für die Tabak-Varianten in vorliegender Arbeit auch durch die höheren JH2O/JCO2-Werte (1/WUE; Abb. 22 und 24D) in den LL- im Vergleich zu den HL- bzw. in den #42- im Vergleich zu den WT-Blättern unterstützt, die ein Ausdruck für einen höheren H2O-Verlust bei gleicher Netto-CO2-Aufnahme bzw. für einen geringeren Kohlenstoffgewinn pro transpirierter Wassermenge sind (von Willert et al., 1995).

Die in den Blättern der chl-ärmsten TF und der LL-Pflanzen ermittelten kleineren Werte der Stomatafrequenz (Abb. 13, Tab. 15) könnten ebenso wie die physiologischen stomatären Kenngrößen im Endeffekt mit den reduzierten CO2-Assimilationsraten im Zusammenhang stehen, da weniger Stomata zur Gewährleistung einer optimalen Versorgung der RubisC/O mit CO2 notwendig sind (s. auch S. 135). Zudem wäre es denkbar, dass diese verringerte Stomataanzahl pro Fläche in den transgenen Pflanzen mit der Bildung von größeren - und somit weniger pro Fläche - Epidermiszellen verbunden sein könnte, da der Stomataindex sowohl auf der Blattunter- als auch der -oberseite in den TF nicht signifikant unterschiedlich zum entsprechenden WT war (Tab. 6). Ebenso wie in vorliegender Arbeit an Tabak-Mangelpflanzen wurden von Boardman (1977), Tichá (1982), Mansfield et al. (1990) sowie Bolhár-Nordenkampf und Draxler (1993) bzw. von Niewiadomska und Miszalski (1995) eine Verringerung der Stomatafrequenz sowie eine Beeinflussung der Stomatagröße durch die Anzucht-Lichtintensität an verschiedenen krautigen Pflanzen bzw. durch den Chl-Gehalt an panaschierten Blättern von Chlorophytum comosum beschrieben.

Der Einfluss sowohl von einem experimentell veränderten Chlorophyllgehalt, aber v. a. von einem unterschiedlichen Lichtangebot während der Anzucht auf morphologische und anatomische Aspekte der Blätter und insbesondere der Chloroplasten wurde in einer Reihe von Studien untersucht (Bachmann et al., 1973; Boardman, 1977; Lichtenthaler et al., 1981; Rühle und Wild, 1985; Adamson et al., 1991; Eschrich, 1995; Falbel et al., 1996). Beide Mangelbedingungen rufen Veränderungen der Blattgewebe- sowie Chloroplastenstruktur hervor.


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Vor allem im Zusammenhang mit der Akklimation der Pflanzen an verschiedene Lichtintensitäten spielen Modifikationen in der Blattanatomie mindestens eine ebenso wichtige Rolle wie biochemische Anpassungsprozesse (Niinemets und Tenhunen, 1997). Pflanzen, die sich an LL-Bedingungen adaptiert haben, zeigen in der Regel ein schwächer ausgebildetes Palisaden- und Schwammparenchym, was in einer geringeren Mesophyllzelloberfläche, dünneren Blättern und geringeren spezifischen FM resultiert (Ballantine und Forde, 1970; Boardman, 1977; Longstreth et al., 1981; Lichtenthaler et al., 1981; Rühle und Wild, 1985; Eschrich, 1995; Liang et al., 1995; Talwar et al., 1996), so auch die unter Schwachlicht angezogenen Tabakpflanzen (Abb. 14, Tab. 5 und 15). Schon Turell (1936) sowie Nobel et al. (1975) fanden eine positive Korrelation zwischen Blattdicke und Mesophylloberfläche unter dem Einfluss verschiedener Lichtintensitäten bei Blättern von Syringa vulgaris bzw. Plectranthus parviflorus. In Blättern wird mit einem hohen Verhältnis von Mesophyllzelloberfläche zu Blattfläche der Mesophyllwiderstand gering gehalten, und diese Blätter weisen eine hohe photosynthetische Kapazität auf (Farquhar et al., 1980; Sharkey, 1985). In unter HL gewachsenen Blättern war anhand von Blattquerschnitten im Vergleich zu denen unter Schwachlicht im allgemeinen eine größere Anzahl von Palisaden- und Schwammparenchymzellen (Abb. 14; Boardman, 1977; Bolhár-Nordenkampf und Draxler, 1993) sowie von Chloroplasten pro Zelle (Abb. 15; Lichtenthaler et al., 1981; Sebaa et al., 1987) zu verzeichnen. Daraus ergab sich, erstens, eine vergrößerte Mesophyllzelloberfläche pro Blattfläche, die laut Nobel (1976), Longstreth et al. (1981) bzw. Bolhár-Nordenkampf und Draxler (1993) primär für die höheren Photosyntheseraten in unter hohen PPFD´s angezogenen Pflanzen von Hyptis emoryi, Hydrocotyle bonariensis und Phaseolus vulgaris verantwortlich sind. Zweitens, ist dadurch unter Lichtmangel-Bedingungen eine niedrigere Anzahl an Chloroplasten pro Blattfläche ausgebildet. Diesen Faktor halten Lichtenthaler et al. (1981) und Talwar et al. (1996) ebenso für eine, jedoch nicht die wesentlichste Ursache für die in solchen Blättern geringere Photosynthesekapazität. Eine um das 1.8fache steigende Anzahl von Chloroplasten pro Palisadenzelle mit (von 50 bis auf 750 µmol Quanten m-2 s-1) steigender PPFD wurde auch in Blättern von Vicia faba nachgewiesen (Nikolaeva, 1994). Die geringere Blattdicke sowie vergrößerte und durchgehende Interzellularräume in den LL-Blättern (Abb. 14, Tab. 15) führen zu einem erhöhten Transmissions- und damit zu einem niedrigeren Absorptionsanteil (Abb. 17) im Vergleich zu den HL-Blättern, da das Licht laut Eschrich (1995) an solchen Stellen ungehindert durchtreten kann. Auffallend waren die größeren, in geringerer Zahl pro Blattfläche vorliegenden Mesophyllzellen in den gelben Blattgeweben der #42


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im Vergleich mit den grünen Arealen der SNN-Blätter (Abb. 14). Ähnliches wurde auch für die Blattspreiten mit gelben Querbändern von Miscanthus sinensis (Eschrich, 1995) und für chlorotische Mutanten von Pisum sativum (Vaishlya et al., 1998) beschrieben. Dieses ermöglicht den Pflanzen, die Blattoberfläche unter ungünstigen Bedingungen, welche zu Substratmangel führen, so groß wie möglich zu formieren und damit eine ausreichende Absorptionsoberfläche zu schaffen. Dieses ist jedoch mit einer verminderten Festigkeit (s. Kap. 3.2.1.1 und S. 132) und mit höheren Wassergehalten (Tab. 5) verbunden. Andererseits resultiert diese Bildung von weniger und größeren Zellen pro Blattfläche in einer Verringerung des Verhältnisses der inneren Zell- zur äußeren Blattoberfläche, was mit den verminderten CO2-Aufnahmeraten im Zusammenhang steht (Bolhár-Nordenkampf und Draxler, 1993).

Der Chl-Mangel in den Blättern der Tabak-TF steht in Beziehung mit einer Reduzierung der Chloroplastenanzahl pro Zelle sowie pro Blattquerschnitt (Abb. 14 und 15), wie das ebenso von Tietze (1963) und Eschrich (1995) für panaschierte Blätter von Chlorophytum comosum bzw. von Miscanthus sinensis beschrieben wurde. Auch der infolge der Anzucht unter Schwachlicht beobachtete verminderte Chlorophyllgehalt in den LL-Pflanzen (Abb. 6) ging mit einer geringeren Anzahl an Chloroplasten pro Zelle (Abb. 15) einher. In Übereinstimmung damit wurde in Blättern von Vicia faba, die unter 4 verschiedenen Lichtintensitäten wuchsen, eine positive Korrelation zwischen verändertem Chlorophyllgehalt und der Anzahl an Chloroplasten sowohl pro Zelle, als auch pro Blattfläche beobachtet (Nikolaeva, 1994). Die Entwicklung der Chloroplasten ist in aurea-Formen bzw. unter Lichtmangel parallel zu der generellen Wachstumsverzögerung solcher Pflanzen verlangsamt (Bachmann et al., 1973; Siffel et al., 1993). In Abhängigkeit vom Chl-Gehalt nahmen die Chloroplasten eine langgestreckte, linsenförmige (viel Chlorophyll) oder eine runde bzw. irreguläre Form (wenig Chlorophyll) an (Abb. 15 und 16). Bachmann et al. (1973) beschrieben das gleiche Bild in einer ausführlichen Studie über die Chloroplastenstruktur verschiedener Pigment-Mangelmutanten von Zea mays.

Die Ultrastruktur der Chloroplasten, die eng mit der photosynthetischen Funktion verbunden ist, ändert sich stark in Abhängigkeit von der verfügbaren Chl-Menge und von der Lichtintensität (Abb. 16.1 und 16.2). Eine enge Korrelation zwischen Chlorophyll-Biosynthese und der Bildung, Differenzierung und Stapelung von intakten Photosynthesemembranen wurde z. B. von Hoffmann (1968), Adamson et al. (1980), Siffel et al. (1993), von Wettstein et al. (1995) und Kutik (1998) berichtet. So zeigten Chloroplasten aus chl-defizienten Blättern der


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#42 (Abb. 16), von Hordeum vulgare (Knoetzel und Simpson, 1991), Glycine max (Xu et al., 1993) und Triticum aestivum (Falbel et al., 1996) aufgrund des stark reduzierten Chl-Gehaltes im Vergleich zum WT eine reduzierte Anzahl - in vorliegender Arbeit unter HL sogar nur noch Fragmente - von Grana- und Stromathylakoiden sowie eine erhöhte Anzahl von lipidhaltigen Partikeln. Das Stromavolumen nahm im Verhältnis zum Thylakoidvolumen drastisch zu. Da als eine der wichtigsten Membrankomponenten, die das stacking der Thylakoidmembranen kontrollieren sollen, der light harvesting complex gilt (Wilhelmova und Kutik, 1995; von Wettstein et al., 1995), waren die beschriebenen ultrastrukturellen Veränderungen infolge der gehemmten Chl-Biosynthese in den TF mit einer geringeren light harvesting-Kapazität verbunden, und das Absorptionsvermögen war reduziert (Abb. 17).

In der Literatur wird häufig beschrieben, dass unter Starklicht (überschüssiges Licht) das chloroplastidäre Membransystem schwächer ausgebildet ist, d. h. eine Verminderung von Thylakoidanzahl und -volumen, eine geringere Stapelhöhe sowie eine Verringerung von Granabreite und -volumen gefunden wurde (Ballantine und Forde, 1970; Bachmann et al., 1973; Boardman, 1977; Lichtenthaler et al.,1981; Rühle und Wild, 1985; Adamson et al., 1991; Haag und Renger, 1993; Talwar et al., 1996; Sebaa et al., 1987; Kutik, 1998). Durch den in dieser Arbeit gewählten Ansatz des Vergleiches von normalen zu mangelnden Anzucht-Lichtbedingungen lassen die dargestellten Aufnahmen für den Wildtyp (Abb. 16.1A und 16.2A) kaum einen Unterschied zwischen HL- und LL-Chloroplasten erkennen. Jedoch lag hier unter Schwachlicht eine Tendenz zu etwas großflächigeren Granastapeln vor. In den Blättern der #42 wird dagegen die stärker ausgeprägte Membranstruktur unter Lichtmangelbedingungen sehr deutlich (Abb. 16.1B und 16.2B). Wie für Sonnen- und Schattenblätter von Anderson (1986) bzw. Anderson et al. (1995) gezeigt, steht das Ausmaß des stackings der Thylakoidmembranen in umgekehrter Beziehung zum Chlorophyll a/b-Verhältnis. So war unter Lichtmangel eine vermehrte Granabildung mit der Folge einer erhöhten light harvesting-Kapazität (s. S. 95) bei gleichzeitig verringerten Chlorophyll a/b-Verhältnissen (Abb. 6) zu beobachten. Da jedoch unter diesen Bedingungen viel weniger Chloroplasten pro Fläche zu finden waren, kam es im Endeffekt zu einer verringerten Anzahl der photosynthetischen Einheiten pro Blattfläche und damit zu geringeren Photosyntheseraten. Im Verlaufe der Ontogenese (Bondada und Oosterhuis, 1998b; Kutik, 1998) bzw. bei Pigment-Mangel im Vergleich zum WT (Ballantine und Forde, 1970) zeigte sich, dass das Granavolumen (Anzahl der Granastapel und der Thylakoiden pro Granum) in einem engen Bezug zu den CO2-Aufnahme- sowie Wachstumsraten steht. In den Tabakpflanzen der extrem chl-armen TF, die


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unter normalen Lichtintensitäten angezogen wurden, war der stacking-Grad parallel zu den verringerten CO2-Aufnahme- (Abb. 19 und 24A) und Wachstumsraten (Abb. 8, 9 und 12, Tab. 3) im Vergleich zu den SNN-Pflanzen niedriger (Abb. 16.1).

Die Photorespiration zeigte unter Chlorophyll- bzw. Lichtmangelbedingungen eine verringerte Rate (Abb. 25), die ebenso wie die Netto-CO2-Assimilation sowohl durch Energielimitierung aus der photosynthetischen ETK als auch durch down-Regulation, z. B. der RubisC/O-Menge und -Aktivität, vermittelt sein kann. Infolge eines in normaler Gasatmosphäre (21 % O2, 340 ppm CO2) konstanten Verhältnisses von Oxygenase- zu Carboxylase-Aktivität der RubisC/O (Laing et al., 1974; Wild und Höhler, 1978) war unabhängig von Anzuchtlicht und Genotyp eine enge lineare Korrelation zwischen den unter Anzucht-PPFD gemessenen CO2-Aufnahme- und Photorespirationsraten (r2 = 0.9968; Werte aus Abb. 24A und 25) in den Tabakblättern zu verzeichnen, und alle Tabakvarianten mit Ausnahme der #42-LL (27 %) gaben etwa 30 % des assimilierten Kohlenstoffes über die Photorespiration wieder ab (Tab. 9). Generell wird dieser relative Anteil der Photorespiration für C3-Pflanzen mit ca. 25 bis 40 % angegeben (Hoffmann, 1985; Keys, 1986; Heber et al., 1990; Lea und Blackwell, 1993; von Willert, 1995; Muschak, 1997). Dieses Ergebnis bestätigt die Vorstellung, dass das Verhältnis der beiden RubisC/O-Reaktionen vom Metabolismus im Calvin-Zyklus weitgehend unabhängig ist (Di Marco et al., 1994) und im wesentlichen durch das Verhältnis der Substrate CO2 und O2 im Stroma bestimmt wird (Jensen und Bahr, 1977; Lawlor und Keys, 1993; Taiz und Zeiger, 1998).

Die Menge des fixierten CO2 bestimmt die obere Grenze der Kohlenstoffverfügbarkeit für die Nutzung im source-Organ sowie für den Export in und die Aufteilung auf die verschiedenen sink-Organe (Sharma und Sengupta, 1997; Escobar-Gutiérrez und Gaudillère, 1997). Verschiedene Autoren fanden einen engen Zusammenhang zwischen C-Verfügbarkeit und Photosyntheserate (Aoki und Yabuki, 1977; Sharma und Sengupta, 1997) sowie der Größe des Kohlenhydrat-Pools (Cave et al., 1981) bei verschiedenen unter CO2-Anreicherung der Außenluft angezogenen C3-Pflanzen. Gleichermaßen bedingten auch Licht- und extremer Chlorophyllmangel eine Reduzierung der verfügbaren Menge an Kohlenstoff (Abb. 34) infolge der verringerten Netto-CO2-Fixierung. Resultierend daraus war der Kohlenhydrat-Pool in den source-Blättern der LL- bzw. der chl-ärmsten Pflanzen, gemessen als Stärke- (Abb. 32A, Tab. 15) und Zuckergehalte in den Tagesproben (Sac, Fru, Glu; Abb. 33) im Vergleich zu den


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jeweiligen Kontrollpflanzen geringer. Eine reduzierte Akkumulation von transienter Stärke in den Tabakblättern infolge von Licht- bzw. Chl-Mangel wird auch durch die Tagesdifferenzen der TM (Abb. 32B) deutlich. Die niedrigeren Dunkelatmungsraten in den Schwachlicht- (um 63 - 71 %; Abb. 23, Tab. 15) bzw. den transgenen Pflanzen (um 42 - 61 %; Abb. 23, Tab. 16) könnten eine Folge der geringeren Gehalte an Zucker und Stärke (Abb. 33 und 32A), d. h. einer verringerten Assimilatbereitstellung durch die Photosynthese sein. Farrar (1993) betont eine solche Beziehung von Atmung und Photoassimilaten im Zusammenhang mit der C-Aufteilung in der Pflanze. Die verminderten Raten der Dunkelrespiration bei Anzucht von Pflanzen unter Schwachlicht werden von Duarte und Ferreira (1995) sowie Gloser und Gloser (1996) als eine wichtige Adaptation zur Senkung von Energieverlusten beschrieben. Die Menge an Stärke, die in der Dunkelphase in den Chloroplasten der source-Blätter abgebaut und damit für die Atmung in den Mitochondrien sowie für den Export in die sink-Organe und hier für Wachstum und Speicherung zur Verfügung steht (Heldt, 1996; Sharma und Sengupta, 1997), war in den LL- bzw. transgenen Tabakpflanzen niedriger als in den entsprechenden Kontrollen und korrelierte stark mit der tagsüber akkumulierten Menge an transienter Stärke (r2 = 0.9642; Daten aus Abb. 32A). Der in den LL-Blättern ermittelte höhere relative Stärke-Abbau im Dunkeln von 95 - 98 % der tagsüber akkumulierten Menge im Vergleich zu 81 - 86 % in den HL-Blättern (Abb. 32A) dürfte v. a. darauf zurückzuführen sein, dass die LL-Pflanzen aufgrund ihrer geringeren photosynthetischen Leistung zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Produktivität sämtliche Reserven nutzen mussten (s. auch Kap. 4.3). Außerdem war in den LL- im Vergleich zu den HL-Pflanzen die Menge an tagsüber akkumulierter Stärke weitaus drastischer reduziert als die Dunkelrespirationsrate (Abb. 23), was zu einem höheren relativen Wert an durch die Respiration genutzter Stärke führen kann. Die im Vergleich mit den HL-Varianten niedrigeren Dunkelatmungsraten in den LL-Pflanzen (um 63 bis 71 %; Abb. 23) waren mit den erhöhten apparenten Quantenausbeuten (auf 111 bis 175 %; Tab. 8) die Ursache für die um 68 bis 79 % geringeren LKP, d. h. für die Reduktion der Photonenflüsse, die zur Kompensation der respiratorischen CO2-Produktion durch die photosynthetische CO2-Assimilation notwendig sind (Tab. 7 und 15, Abb. 19). Auch bei ökophysiologischen Studien an Fagus sylvatica wurden reduzierte Dunkelrespirationsraten sowie geringere LKP mit abnehmendem relativem Lichtgenuss (Klumpp et al., 1998) bei gleichzeitig erhöhten Quantenausbeuten (Schulte, 1993) gezeigt. Bei den TF, die neben niedrigeren Raten der Dunkelrespiration, zumindest bei stärkerem Chl-Mangel, allerdings auch geringere apparente Quantenausbeuten aufwiesen (Tab. 8 und 16), trat die Lichtkompensation bei ähnlichen


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(ca. 5 µmol Quanten m-2 s-1 (#42 und SNN) unter LL) bzw. sogar bei höheren Lichtintensitäten (22 (#42) gegenüber 18 µmol Quanten m-2 s-1 (SNN) unter HL) ein (Tab. 7, Abb. 19). Vergleichsweise dazu waren bei chl-defizienten Mutanten von Glycine max bei verminderten CO2-Aufnahmeraten die apparente Quantenausbeuten um 20 bis 30 % niedriger und die LKP deutlich höher als im WT (Xu et al., 1993). Die reellen Quantenausbeuten waren in den Tabakpflanzen, die unter 30 µmol Quanten m-2 s-1 angezogen wurden, im Vergleich zu denen unter HL signifikant erhöht (Tab. 8), da die Photosynthese von Schattenblättern bei Photonenflüssen, an die sie adaptiert sind, effizienter arbeitet als die der Blätter, die an höhere PPFD´s angepasst sind, und sie somit pro aufgenommenes mol CO2 erheblich weniger Photonen absorbieren müssen (Boardman, 1977; Lichtenthaler et al., 1981; Lawlor, 1990; Schulte, 1993). Dieses ergibt sich einerseits durch die an geringe Photonenflussdichten angepasste Morphologie der Blätter und Chloroplasten (s. S. 99 ff.), andererseits durch Adaptation des biochemischen Apparates (s. S. 96 ff. und Kap. 4.3). Auch in den Blättern der TF wurde unter geringen Lichtintensitäten die infolge des reduzierten Chl-Gehaltes geringere absorbierte Photonenmenge (Abb. 17) für die CO2-Assimilation effektiver genutzt als in den vergleichbaren SNN-Blättern (Tab. 8) (s. auch S. 135). Bei hohen, sättigenden PPFD´s ergab sich für die Tabak-Varianten, dass mit einer Verringerung der durch Chlorophyll- oder Lichtdefizienz bedingten maximalen CO2-Aufnahmeraten eine Verminderung der Lichtsättigungspunkte einherging (r2 = 0.9034; Werte aus Tab. 7). Solch eine positive Korrelation zwischen den maximalen, gesättigten Photosyntheseraten und den Lichtintensitäten, unter denen die Lichtsättigung eintritt, wurde von Forseth und Norman (1993) als allgemein vorherrschend beschrieben.

In der Literatur finden sich in letzter Zeit Hinweise darauf, dass lösliche Zucker mittels unterschiedlicher, zum großen Teil noch unbekannter Mechanismen eine große Anzahl von Genen regulieren, die in Funktionen involviert sind, die mit der Photosynthese, dem sink-Metabolismus und verschiedenen Abwehrmechanismen assoziiert sind (Lit. bei Koch, 1996; Herbers et al., 1996a und 1996b; Martin et al., 1997; Furbank et al., 1997; Lee und Daie, 1997). Kovtun und Daie (1995) sowie Furbank et al. (1997) zeigten an Beta vulgaris bzw. Nicotiana tabacum, dass ein experimentell bewirkter Anstieg der Saccharose-Konzentration in source-Blättern zu höheren maximalen Photosynthese- und Wachstumsraten, Aktivitäten photosynthetischer Enzyme und blattflächenbezogenen Gehalten an Stärke und Chlorophyll führt. Für die Diskrepanz dieser Ergebnisse zu denen anderer Autoren (z. B. Sheen, 1994;


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Herbers et al., 1996a und 1996b; Ono und Watanabe, 1997), die eine durch erhöhte Zuckergehalte vermittelte Repression von Photosynthese-Genen fanden, machen Furbank et al. (1997) einen Schwellenwert verantwortlich, wobei Saccharose unterhalb dieses Wertes als positives Signal für die Expression von in die Photosynthese involvierten Genen agiert, oberhalb jedoch eine Inhibierung der Genexpression initiiert. Inwieweit die in den Licht- bzw. Chl-Mangelpflanzen als Folge der niedrigeren Photosyntheseraten (s. S. 94 ff.) ermittelten geringeren Zuckergehalte (Abb. 33) ihrerseits wiederum auf die Genexpression photosynthetischer Enzyme feedback wirken können, kann aufgrund der z. Zt. noch widersprüchlichen Literaturdaten hier nicht erörtert werden. Jedoch scheint solch eine feedback-Kontrolle der Genexpression durch das Endprodukt des C-Metabolismus eher eine Rolle bei einer Glucosezufuhr von außen bzw. bei einem gestörten Zuckertransport aus dem source-Organ zu spielen, was beides zu einem Rückstau von Metaboliten und somit zum Energieüberschuss im hierarchischen System führt. Unter den gegebenen Bedingungen von Energie-/Substratmangel ist dieses weniger wahrscheinlich (s. auch S. 133 ff.).

Andererseits existiert eine Zahl von Literaturdaten, die eine Hemmung von Enzymen der mitochondrialen Atmung durch verringerte Saccharose- bzw. Glucose-Gehalte zeigten (Lit. bei Koch, 1996). Das entspricht der oben erwähnten Tatsache (S. 104), dass die für die Dunkelrespiration notwendigen, jedoch in limitierender Menge vorliegenden Substrate diese begrenzen. So gingen in den Licht- und Chl-Mangelpflanzen reduzierte RD-Werte (Abb. 23) mit, soweit signifikant unterschiedlich, verminderten Sac- und Glu-Gehalten (Abb. 33A und 33B) einher. Rühle und Wild (1985) erklären dagegen die niedrigere Dunkelatmung in Schwachlichtpflanzen primär mit Einsparungen aus dem Protein-turnover. Unter den in dieser Arbeit untersuchten Stressbedingungen ist es jedoch wahrscheinlicher, dass die reduzierte Bereitstellung an Substraten ausschlaggebend für die verminderten Raten der mitochondrialen Atmung in den Tabak-Varianten war.

Eine enge positive Korrelation zwischen Photosyntheserate und Stickstoffaufnahme bzw. -gehalt wurde vielfach in der Literatur dokumentiert, wie z. B. für Blätter von Lolium perenne (Nijs et al., 1995), von Glycine max (Hayati et al., 1995), von Fagus crenata (Liang et al., 1995), von Acer saccharum (Niinemets und Tenhunen, 1997) sowie von Gossypium hirsutum (Bondada und Oosterhuis, 1998a und 1998b). Diese Beziehung ergibt sich zum einen daraus, dass 50 bis 80 % des gesamten im Blatt enthaltenen Stickstoffes in Proteinen, die


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in die Photosynthese involviert sind, enthalten ist (Chapin et al., 1987; Makino und Osmond, 1991). Zum anderen erfordert die NO3--Assimilation, d. h. der Einbau des Nitratstickstoffs in verschiedene organische Verbindungen (v. a. in Aminosäuren) einen großen Teil der photosynthetisch gebildeten Energieequivalente (Hikosaka und Terashima, 1995; Lara et al., 1995). In den Blättern der unter Lichtmangel angezogenen Tabakpflanzen und der extrem chl-armen TF waren die Blatt-Stickstoffgehalte parallel zu den verringerten CO2-Aufnahmeraten unter Anzucht- bzw. sättigendem Licht (Abb. 19 und 24A, Tab. 7) um 30 bis 70 % gegenüber den HL-Pflanzen bzw. um 20 bis 60 % gegenüber dem entsprechenden WT niedriger (Abb. 34). Eine Zunahme des N-Gehaltes im Blatt mit steigenden Lichtintensitäten, welcher zudem noch die Rate der täglichen C-Fixierung maximieren soll (Hikosaka und Terashima, 1995), wurde u. a. auch von Liang et al. (1995), Xia (1995) sowie Zhang et al. (1997) beobachtet. Eine durch Lichtmangel bedingte verringerte Gesamtverfügbarkeit an Stickstoff bewirkt eine Verschiebung der N-Aufteilung im Blatt; sie führt zu einem verminderten Einbau von N in e--Carrier und in Enzyme des Calvin-Zyklus, v. a. der RubisC/O, und zu einem verstärkten Einbau von N in Chl-Protein-Komplexe (Hikosaka und Terashima, 1995). Diese Tatsache unterstützt ihrerseits die Aussagen hinsichtlich der Änderungen der LHC-Oberfläche (s. S. 95), der ETR (s. S. 96) bzw. der RubisC/O-Menge (s. S. 96 f.) unter Lichtmangel. Die gleichzeitige Assimilation von C und N in belichteten Blättern erfordert eine regulierte Aufteilung von Reduktionsequivalenten und Photosynthaten, um den Bedarf für die Aminosäure- (und Protein-) und die Kohlenhydrat-Synthese zu decken (Champigny, 1995). Bei diesem Zusammenhang zwischen CO2-Fixierung und NO3--Assimilation, der ein in einem weiten Bereich wenig verändertes C/N-Verhältnis bedingt (Tab. 14; Foyer et al., 1995; Liang et al., 1995), gehen Lara et al. (1995) von einer strikten C-Abhängigkeit der NO3--Assimilation infolge einer Kontrolle der Nitratreduktase-Aktivität durch Produkte der Kohlenstoff-Assimilation aus. Liang et al. (1995) vermuten dagegen, dass der Stickstoff-Gehalt - zumindest unter Schwachlichtbedingungen - der Hauptfaktor in der Determinierung der Photosynthesekapazität ist. Unter starkem Chl-Defizit bzw. unter LL spricht allerdings der leichte Abfall des C/N-Verhältnisses (Tab. 14) infolge einer stärkeren Reduzierung des Kohlenstoff- als des Stickstoffgehaltes in den Blättern (Abb. 34, Tab. 14) für eine Nachregulierung der N-assimilierenden Prozesse durch die C-Fixierung.

Desweiteren hat die Stickstoff-Assimilation als ein wesentlicher anabolischer Prozess im photosynthetischen Metabolismus einen entscheidenden Einfluss auf den Proteingehalt und das


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pflanzliche Wachstum (Lara et al., 1995). Die Wachstumsintensität sowie die Menge an akkumulierter pflanzlicher Biomasse korrelieren mit dem zur Verfügung stehenden Stickstoff (Kühl, 1990; Muthuchelian, 1992; Kühl und Kohl, 1993; Höft et al., 1996). Auch in den Tabakblättern zeigten Stickstoffgehalt (Abb. 34) und Gehalt an löslichen Proteinen (Abb. 35) einerseits und Stickstoffgehalt und Blattwachstum (max. Fläche und Wachstumsrate; Abb. 12) andererseits ein paralleles Verhalten unter Licht- bzw. Chl-Mangel.

Sowohl Lichtmangel in den LL-Pflanzen als auch Chl-Defizit in den TF rufen spezifische Änderungen in der Morphologie und im Wachstums- und Entwicklungsverhalten der Pflanzen hervor (Kap. 3.2, Tab. 15 und 16). Dass Tabakpflanzen auf Lichtmangel empfindlich mit Absterben der unteren Blätter und Wachstumsstörungen reagieren, wurde schon von Endemann (1954) beschrieben. Die verlängerten Entwicklungszeiten von Nicotiana tabacum (Tab. 3) und anderen an geringe Lichtintensitäten angepassten Pflanzen (Tab. 15) weisen zusammen mit verminderten Wachstumsraten sowie verringerten Pflanzenhöhen (Abb. 8, Tab. 3 und 15) und Blattflächen (Abb. 12, Tab. 15) auf eine allgemeine Retardation von Wachstum und Entwicklung in unter LL angezogenen Pflanzen im Vergleich zu HL hin. Diese unterschiedliche Entwicklungsgeschwindigkeit von unter 300 bzw. 30 µmol Quanten m-2 s-1 angezogenen Pflanzen war primär auf die verringerte Verfügbarkeit von Assimilaten unter Schwachlicht-Bedingungen zurückzuführen (s. S. 103 f.). Zu gleichem Schluss kommen Lichtenthaler et al. (1981) im Rahmen einer vergleichenden Studie nicht nur von LL- mit HL-Pflanzen, sondern auch von Schatten- mit Sonnenpflanzen. Da die Photosynthese als Hauptantriebskraft für das Pflanzenwachstum, die Produktivität und den Ertrag eine grundlegende Rolle in der Bereitstellung von Assimilaten für die Biomasse-Produktion spielt, wurde in vielen Untersuchungen zum Zusammenhang von photosynthetischen Prozessen und Produktivität, z. T. in Abhängigkeit von verschiedenen Umweltbedingungen wie der Lichtintensität, eine, wie erwartet, enge positive Korrelation zwischen CO2-Assimilationsrate und Wachstumsrate (Küppers et al., 1988; Liang et al., 1995; Atkin et al., 1997) sowie von CO2-Assimilationsrate unter Anzucht- bzw. sättigendem Licht und akkumulierter Bio-Frischmasse aufgezeigt (Muthuchelian, 1992; Nikolaeva, 1994; Liang et al., 1995). Die in den Tabakpflanzen aus veränderten Chl-Gehalten und verschiedenen Anzuchtlichtbedingungen resultierenden unterschiedlichen Netto-CO2-Aufnahmeraten stehen in einem statistisch gesicherten linearen Zusammenhang mit den maximalen Wachstumsraten der Blattflächen (r2 = 0.8039), mit den spezifischen Blatt-Frischmassen (r2 = 0.8624) sowie den spezifischen Blatt-Trockenmassen


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(r2 = 0.8523) (Werte aus Abb. 12 und 24A, Tab. 4 und 5). Da die TM-Produktion und das Pflanzenwachstum nicht nur durch die CO2-Aufnahmerate bestimmt wird, sondern es sich hier um eine komplizierte Gesamtheit von Prozessen handelt (s. Abb. 36), wurde in einigen Studien eine direkte lineare Beziehung zwischen Photosyntheserate und akkumulierter TM bzw. Wachstumsparametern nicht bestätigt (Lawlor, 1990 und 1995; Bolhár-Nordenkampf und Draxler, 1993; Sharkova und Bubolo, 1996). Dieses ist v. a. darin begründet, dass erstens Erhaltungsprozesse sowie Atmungs“verluste“ (Hoffmann, 1985; Lambers, 1987; Farrar, 1993; Lawlor, 1995; Hopkins, 1995) eine wesentliche Rolle im Gesamtstoffwechsel der Pflanze spielen (s. Kap. 4.3) und zweitens unter den meisten Bedingungen eher eine Limitierung des Wachstums durch andere Faktoren als die verfügbare Menge an Photosynthaten, wie z. B. die Verfügbarkeit an Nährstoffen bzw. Wasser oder die Fähigkeit der Pflanze zur Nutzung der Photosynthate, zu erwarten ist (Evans, 1975; Höft et al., 1996; Hansen et al., 1996, 1997 und 1998). Für den hier untersuchten Tabak handelt es sich jedoch aufgrund des Licht- bzw. Chlorophyllmangels um Photosynthat-limitierende Bedingungen, was durch die oben gezeigte gute Korrelation zwischen Wachstum und Photosyntheserate bestätigt wird. Von anderen Autoren wurde ein Zusammenhang ebenso zwischen der Rate der mitochondrialen Atmung im Dunkeln und der Wachstumsrate der Blätter nachgewiesen (Amthor, 1989; Criddle et al., 1996; Hansen et al., 1998), der sich für die Tabakpflanzen mit einer Korrelation von r2 = 0.7811 (Werte aus Abb. 23 und 12, Tab. 4) ergab. Diese Beziehung erklärt sich höchstwahrscheinlich aus der Tatsache, dass sowohl die Dunkelrespirationsrate als auch die Wachstumsrate unmittelbar von den durch die Photosynthese bereitgestellten Assimilaten abhängen.

Unter Etiolement sowie unter sehr geringer Lichtverfügbarkeit ist das Festigungsgewebe von Pflanzen nur schwach ausgebildet (Eschrich, 1995), so auch bei den hier untersuchten LL-Varianten (Kap. 3.2.1.1). Dieses hängt, wie generell für das Wachstum festgestellt worden ist (s. o.), mit einem verringerten Angebot an Assimilaten für die nachfolgenden Stoffwechselwege zusammen. So können neben der Protein- u. a. auch die Zellwand- sowie die Fettsäure-Biosynthese beeinflusst sein (Krapp et al., 1993; Browse, 1997). Lozovaya et al. (1996) zeigten in Versuchen mit 14CO2 und photoautotrophen Glycine max-Suspensionskulturen, dass nach 96 h 80 % des aufgenommenen 14C in die Zellwand eingebaut worden und unter weiterer Anzucht im Dunkeln der Einschluss von 14C in die Zellwand parallel zu dem eingeschränkten Wachstum drastisch vermindert war.


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Auch in den extrem chl-armen TF führt die verminderte Biomassebildung zu einer verringerten TM-Akkumulation, was sich äußerlich in weniger festen Stengeln und Blättern widerspiegelt (Kap. 3.2.1.1). Adäquat zu dem Bestreben der Pflanzen, trotz verminderter TM-Bereitstellung durch die Photosynthese, eine ausreichend große Absorptionsoberfläche zu schaffen, war der relative Wassergehalt sowohl in den Pflanzen unter Lichtmangel als auch in denen der #42 signifikant erhöht (Tab. 5).

4.1.3. Schlussfolgerung

Bei der Anpassung der Pflanzen an unterschiedliche Lichtbedingungen oder veränderte Lichtabsorptionsmöglichkeiten infolge einer gehemmten Chl-Biosynthese handelt es sich um komplexe, ausbalancierte Veränderungen, die in Differenzen von Struktur, Zusammensetzung und Funktion der Chloroplasten, Blätter sowie der gesamten Pflanze resultieren. Dabei ist v. a. die Anpassung des Photosyntheseapparates an unterschiedliche Lichtintensitäten die primäre, grundlegende zentrale Antwort während des Wachstums.

Schwachlichtbedingungen während der Anzucht bewirkten eine geringere Chloroplasten-Anzahl sowie stärker granahaltige Chloroplasten und einen reduzierten blattflächenbezogenen Chl-Gehalt, eine verringerte photosynthetische Aktivität (ETR, CO2-Aufnahmeraten, RubisC/O-Menge und -Aktivität) sowie verminderte Photo- und Dunkelrespirationsraten, eine reduzierte Biomasseakkumulation (Zucker- und Stärkegehalte, spezifische Frisch- und Trockenmassen, Blattdicken etc.) und ein retardiertes Wachstums- und Entwicklungsverhalten (Pflanzenhöhen und Einzel- bzw. Gesamt-Blattflächen, Wachstums- und Entwicklungsdauer der Blätter sowie Pflanzen).

Ein verminderter Chl-Gehalt durch eine gehemmte Chl-Biosynthese hatte Chloroplasten mit weniger entwickelten Thylakoiden zur Folge, desweiteren ebenfalls eine Reduzierung von Aktivitäten und Parametern photosynthetischer Prozesse (ETR, apparente Quantenausbeuten, CO2-Aufnahmeraten), eine Verringerung der Photorespirationsrate sowie der mitochondrialen Atmungsrate, eine Verminderung der Bildung und Akkumulation von Biomasse (Stärkegehalte, spez. Frisch- und Trockenmassen) sowie eine Reduzierung und Verzögerung von Wachstumsparametern und -prozessen (Pflanzenhöhen, Blattflächen, Wachstumsraten und -dauer).


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Somit führten Licht- und extremer Chlorophyllmangel in den Tabakpflanzen über Energie- und Substratlimitierung sowie infolge der Langzeitadaptation über down-Regulation zu einer generellen Reduzierung von Stoffwechselraten und metabolischen Kenngrößen auf dem Weg von der Lichtenergie zum Wachstum.

Aus diesen Befunden leiten sich für die vorliegende Arbeit folgende Fragen ab:


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4.2. Die Rolle des Energiestoffwechsels

4.2.1. Zum Energie- und Reduktionsstatus

AdN und PN besitzen im pflanzlichen Metabolismus eine zentrale Bedeutung - einerseits als universeller Energieüberträger bzw. als Wasserstoff- und Elektronenüberträger, andererseits wegen ihrer regulatorischen Funktion. Aufgrund ihres universellen Vorkommens in der Zelle, ihres hohen prozentualen Anteiles am Gesamtpool der freien Nucleotide, ihrer Beteiligung an einer Vielzahl von Stoffwechselprozessen, ihren extrem hohen Umsatzraten und ihrer wechselseitigen Beeinflussung ermöglichen die AdN und PN eine sehr sensible dynamische Abstimmung des Stoffwechsels in Abhängigkeit von den jeweiligen Bedingungen (Lit. bei Krause, 1975; Kitzmann, 1996). Deshalb stehen die AdN und die PN im Mittelpunkt vieler Untersuchungen mit unterschiedlichsten Zielstellungen auf subzellulärer, Zell- bzw. Organ-Ebene, beispielsweise in Abhängigkeit von Tagesrhythmen, Induktionsprozessen und extern und intern variierenden Bedingungen (z. B. Hampp et al., 1982; Hoffmann, 1982; Peine, 1985; Melis et al., 1985; Heber et al., 1986 und 1987; Nicolai, 1990; Rao et al., 1990; Gerst et al., 1994; Gilmore und Björkman, 1994; Huner et al., 1996; Kitzmann, 1996) sowie Literaturübersichten (z. B. Krause, 1975; Everse et al., 1982; Pradet und Raymond, 1983; Raymond et al., 1987; Foyer et al., 1990).

Die Bedeutung der AdN und PN wird auch dadurch deutlich, dass für sämtliche pflanzen- sowie human-/tierphysiologische Prozesse, angefangen bei der Systemerhaltung über Befruchtungs- und Keimungs-, Transport- und Stressreaktions- bis hin zu Apoptoseprozessen, als primäre Voraussetzung ein bestimmtes Potential an AdN und PN bzw. als Auslöser Änderungen im Energiestoffwechsel in engeren Betracht gezogen werden (Kleber und Schlee, 1991; Noack, 1994; Havel und Durzan, 1996; Larcher, 1994; Chao und Lin, 1996). Auch als Signalmetaboliten bei der Signaltransduktion für die Regulation der Expression von Kern- und chloroplastidären Genen sollen der ATP- und/oder der NADPH+H+-Pool eine wichtige Rolle spielen (Melis et al., 1985; Danon und Mayfield, 1994; Anderson et al., 1995; Kusian und Bowien, 1997).

In den photosynthetischen Prozessen im Chloroplasten stellen ATP und NADPH+H+ die Bindeglieder zwischen den an den Thylakoiden ablaufenden Lichtreaktionen und den stromalen reduktiven Prozessen dar (s. Abb. 36). Dabei fungieren sie nicht nur als Überträger der durch die Lichtreaktionen bereitgestellten Energie und Elektronen, sondern spielen eine wichtige


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regulatorische Rolle bei der Anpassung an unterschiedliche Bedingungen mit dem Ergebnis einerseits einer maximalen Effizienz der Energieverwertung, andererseits des Schutzes des Systems vor überschüssiger Energie. Die Ausbalancierung zwischen ATP- und NADPH+H+-Angebot und -Verbrauch steht somit im Mittelpunkt der feedback-Kontrolle der in den Thylakoiden ablaufenden Prozesse - z. B. bei Lichtüberschuss, bei limitierter CO2-Versorgung, bei Inhibierung von Calvin-Zyklus-Enzymen oder bei limitiertem Abtransport von primären oder sekundären Photosyntheseprodukten - bzw. der feedforward-Kontrolle der Kohlenstoffassimilation - z. B. bei limitiertem Lichtangebot oder bei Inhibierung der ETK - (Kobayashi et al., 1982; Foyer et al., 1990; Haag und Renger, 1993; Polle und Eiblmeier, 1995; Elstner, 1996; Huner et al., 1996; Kitzmann, 1996). Von Foyer et al. (1990) wurde dafür der Begriff der “photosynthetischen Kontrolle“ eingeführt. Dabei spielen weniger die absoluten Gehalte bzw. Konzentrationen der Nucleotide selbst, sondern eher die Poolrelationen eine entscheidende Rolle (Hoffmann, 1985 und 1987; Raymond et al., 1987; Kitzmann, 1996).

Die energetische Situation der Zelle kann dabei durch das ATP/ADP-Verhältnis oder durch den adenylate energy charge (EC; Atkinson, 1968; Gleichung [16] in Kap. 2.2.5), der ein Kriterium für den Vorrat an energiereichen Phosphoanhydrid-Bindungen (Raymond et al., 1987; Kleber und Schlee, 1991; Schlee, 1992) ist, beschrieben werden. Für metabolisch aktive Zellen sind EC-Werte in einem Bereich von 0.5 bis 0.9 charakteristisch (Tab. 10; Krause, 1975; Giersch et al., 1980; Hampp et al., 1982; Hoffmann, 1987; Kumazawa et al., 1987; Raymond et al., 1987; Löffler, 1990; Kleber und Schlee, 1991), d. h. dass die ATP-regenerierenden Prozesse sättigend oder im Überschuss im Vergleich zu den ATP-verbrauchenden vorliegen (Raymond et al., 1987). Bei einem unter 0.5 abfallenden EC-Wert in metabolisch aktiven Zellen kann die Stoffwechselhomöostase nicht mehr aufrechterhalten werden und der Zelltod tritt ein (Mohr und Schopfer, 1992; Larcher, 1994).

Analog zum EC wurden von Wildner (1975), Andersen und von Meyenburg (1977) sowie Quebedeaux (1981) der anabolic (ARC) und catabolic reduction charge (CRC) bzw. der redox charge (RC; Gleichungen [17] - [19] in Kap. 2.2.6) als Maß für den zur Verfügung stehenden Anteil an Reduktionsequivalenten entweder des NAD(H+H+), des NADP(H+H+) oder des Gesamt-PN-Systems definiert. Diese Parameter dienen neben den Verhältnissen von reduzierten zu oxidierten PN (NAD(P)H+H+/NAD(P)+) der Charakterisierung des Reduktionszustandes der Zelle bzw. als wichtige Regelgröße für den Stoffwechsel zwischen NAD+- bzw. NADP+-reduzierenden Kompartimenten (Kleber und Schlee, 1991). Für den ARC finden sich


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in der Literatur für Blattmaterial mit aktivem Stoffwechsel Werte von 0.3 bis 0.7, meist jedoch liegen NADPH+H+ und NADP+ in ca. äquimolaren Konzentrationen vor, das entspricht einem ARC von 0.5 (Tab. 11; Lit. in Hoffmann, 1985; Peine et al., 1985, 1990 und 1993; Raymond et al., 1987; Rao et al., 1990; Hoffmann et al., 1993; Batini et al., 1995). Das NADH+H+/NAD+-Paar ist meist im oxidierten Zustand zu finden, daraus ergeben sich Werte für den CRC zwischen 0.1 und 0.4 (Tab. 11; Lit. in Hoffmann, 1985; Peine et al., 1985, 1990 und 1993; Raymond et al., 1987; Rao et al., 1990; Hoffmann et al., 1993). Der Gesamt-Redoxstatus der Zelle (RC) wird in der Literaturzusammenstellung von Hoffmann (1985) und in der Arbeit von Rao et al. (1990) mit Werten zwischen 0.25 und 0.44 angegeben und lag auch bei den Tabakpflanzen genau in diesem Bereich (Tab. 11).

Der von anderen Autoren verwendete Begriff der “assimilatory power“ ist ein Ausdruck für das gesamte während der Lichtreaktion der Photosynthese gebildetete Reduktions- (PN) und Energiepotential (AdN) (Heber et al., 1986, 1987 und 1990; Lawlor, 1990; Foyer et al., 1990; Gerst et al., 1994; Kitzmann, 1996) und fasst damit die Aussagen von ARC und EC zusammen.

4.2.2. Energie- und Reduktionsstatus während der steady state-Photosynthese unter Licht- bzw. Chlorophyll-Mangel

Wie in Kap. 4.1 gezeigt, resultieren ein reduziertes Lichtangebot während der Anzucht in den LL-Pflanzen bzw. ein verminderter Chl-Gehalt der veränderten Chl-Biosynthese in den TF in einer verringerten Lichtabsorption der Blätter (Abb. 17) und damit in einer verminderten ETR (Hansen, unpubliziert). Somit wäre zu vermuten, dass unter beiden Bedingungen NADPH+H+ und/oder ATP aus den Lichtreaktionen in limitierenden Mengen für die nachfolgenden Stoffwechselprozesse zur Verfügung stehen und somit u. a. in geringeren CO2-Aufnahmeraten (Abb. 19 und 24A) resultieren. Vor allem unter Lichtmangel kann ein vermindertes, z. T. sogar begrenzendes Angebot an Energie- bzw. Reduktionsequivalenten die CO2-Assimilation beeinflussen (Sharkey, 1985; Lawlor, 1990). Von Kitzmann (1996) wurde jedoch gezeigt, dass der reduktive Teil des Calvin-Zyklus selbst unter extremer Belastung der ETK keinerlei Limitierung durch unzureichend bereitgestelltes NADPH+H+ unterliegt und eine Elektronenlimitierung nur durch eine erhöhte Aktivität elektronenverbrauchender Prozesse eintreten kann. Auch andere Autoren (Heber, 1973; Krause und Heber, 1976; Ostrovskaja, 1982;


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Nicolai, 1990; Tabrizi et al., 1994; Pfeffer, 1997) gehen davon aus, dass im Prozess der Photosynthese weniger das NADPH+H+ als vielmehr das synthetisierte ATP limitierend wirkt. Jedoch führt ein ATP-Defizit automatisch zu einem verminderten NADPH+H+-turnover und zu einer Unterdrückung des nichtzyklischen Elektronentransport (Foyer et al., 1990). Aufgrund des notwendigen Gleichgewichtes zwischen endergonischen und exergonischen Reaktionen führt solch eine ATP-Limitierung dazu, dass die endergonischen Prozesse nur in dem Ausmaß ablaufen, welches durch die Energiefreisetzung der ATP-Spaltung gedeckt ist. Andererseits kann teilweise eine Erhöhung der Energetisierung der Thylakoidmembran durch zusätzliche PSI-Akzeptoren, wie z. B. Mehler-Reaktion und NO3--Metabolismus, dazu beitragen, das durch den Elektronenfluss ungenügend für den Calvin-Zyklus bereitgestellte ATP zu liefern (Vanselow, 1993; Hansen et al., 1993).

Als sättigende Lichtintensität für die ATP-Synthesekapazität wurden für Vicia faba PPFD´s von mehr als 250 µmol Quanten m-2 s-1 bestimmt (Nikolaeva, 1994). Infolge der Langzeitadaptation des photosynthetischen Apparates war die Menge des CF0-CF1-Komplexes (Wild et al., 1986) sowie die Rate der nichtzyklischen Photophosphorylierung und der ATP-Synthese in Sinapis alba um ca. das 2fache (Rühle und Wild, 1985) und die Photophosphorylierungsrate in Vicia faba um ca. 25 % (Nikolaeva, 1994) in HL- größer als in LL-Blättern. In HL-Chloroplasten von Sinapis alba erfolgte die Photoreduktion von NADP+ ca. 1.5mal schneller als in LL-Chloroplasten (Boardman, 1977). Dementsprechend zeigten die in dieser Arbeit untersuchten Blätter der unter 30 µmol Quanten m-2 s-1 angezogenen Pflanzen im Vergleich zu denen der HL-Varianten parallel zu ihren verminderten Photosynthese- (Abb. 19 und 24A) und Wachstumsraten (Abb. 8, 9 und 12, Tab. 3 und 4) signifikant (mit p < 0.001) geringere steady state-Gehalte des Gesamt-AdN-Pools (um 61 - 77 %) und an ATP (um 51 - 71 %) (Abb. 27) sowie des totalen PN-Pools (um 59 - 83 %) und an NADPH+H+ (um 44 - 71 %) (Abb. 29). Auch bei kurzzeitigen Lichtänderungen, wie z. B. einem Dunkel-Licht-Transfer von Beta vulgaris (Rao et al., 1990) oder Spinacia oleracea (Bonzon et al., 1981 und 1983), finden parallel zu einem Anstieg der CO2-Aufnahmeraten eine Erhöhung der Menge des totalen NADP(H+H+)-Pools im Blatt sowie ein Anstieg des Blattgehaltes an ATP, verbunden mit einer Erhöhung des Gesamt-AdN-Pools, im Blatt statt. Dies ist zweifelsohne eine Folge der induzierten und ansteigenden photosynthetischen ET- und Phosphorylierungsraten, jedoch erfolgt die Ansammlung von ATP im Licht zusätzlich infolge einer Nettoakkumulation aller Adenylate und die von NADPH+H+ zusätzlich infolge einer lichtgetriebenen Phosphorylierung von NAD+ zu NADP+ und somit einem Anstieg des Gesamt-NADP(H+H+)-Pools (Rao et al.,


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1990). Generell korrelieren hohe AdN-, v. a. ATP-levels mit hohen metabolischen Aktivitäten (Krause, 1975; Fader und Koller, 1984; Raymond et al., 1987; Brix und Sorrell, 1996) oder aktivem Wachstum (Mangat, 1982) und niedrigere Adenylatmengen wurden unter limitierenden (Stress-)Bedingungen gefunden (Lit. bei Raymond et al., 1987). Bei Untersuchungen an Beta vulgaris zur Tagesrhythmik (Rao et al., 1990) und Nährstoff-Versorgung (Rao und Terry, 1994) bzw. zur Funktion verschiedener Pflanzenteile (Pavlinova und Afanasjeva, 1962) ergab sich ebenso, dass Gewebe unter Bedingungen einer verstärkten Stoffwechselaktivität entsprechend höhere Nucleotidmengen (AdN und PN) besitzen. Auch in isolierten Chloroplasten von Spinacia oleracea (Kitzmann, 1996) standen höhere AdN- und PN-Poolgrößen im Zusammenhang mit einer verstärkten photosynthetischen Leistung. Raymond et al. (1987) behaupten jedoch, dass sinkende AdN-levels eher eine Konsequenz als die Ursache von sinkenden metabolischen Aktivitäten sind. Höhere plastidäre ATP-, aber konstante NADPH+H+-Gehalte bei durch steigende LI zunehmenden Photosyntheseraten wurden auch von Gerst et al. (1994) in Spinacia oleracea gefunden. Dagegen blieben die Poolgrößen von ATP und ADP in Nadeln von Picea abies durch Änderungen der Lichtintensität von 60 bis 1500 µmol Quanten m-2 s-1 unbeeinflusst (Weidmann et al., 1990).

In den in vorliegender Arbeit untersuchten transgenen Tabakpflanzen fand sich im Unterschied zu den durch Lichtmangel gestressten Pflanzen keine klare und einheitliche, den verminderten ET- und Photosyntheseraten entsprechende Tendenz in den Nucleotidgehalten (Abb. 27 und 29). Bei Anzucht der Pflanzen unter 300 µmol Quanten m-2 s-1 waren zwar die Gehalte an PN bzw. NADPH+H+ in allen TF gegenüber dem WT vermindert (Abb. 29), doch die Menge des Adenylat-Pools bzw. ATP war in den #57 und #25 höher als in den Pflanzen der SNN und erst ein extremer Chl-Mangel, wie er in den Pflanzen der #42 vorlag, führte zu verringerten Gehalten an AdN bzw. ATP (Abb. 27). In den unter Schwachlicht angezogenen Pflanzen der #57 und #25 fanden sich dagegen Nucleotidmengen, die sich nicht wesentlich von denen in WT-Blättern unterschieden und nur in den Blättern der #42 waren diese Gehalte signifikant erhöht. Möglicherweise können hier die Effekte des vorherrschenden Lichtmangels, der zu einer eindeutigen Verminderung der Nucleotidgehalte in den LL-Pflanzen führte (s. o.), die Auswirkungen des Chl-Defizits überdecken. Jedoch erklärt das nicht, dass auch unter HL-Bedingungen die AdN-Gehalte in den weniger chlorophylldefizienten TF (#57 und #25) im Vergleich zum WT erhöht waren. Auch in der Literatur gibt es bezüglich der Nucleotidmengen in Pflanzen mit variierendem Chlorophyll-Gehalt nur wenige, z. T. widersprüchliche Ergebnisse. So zeigten Soldatini et al. (1998) in panaschierten Blättern von Hedera canariensis, dass in


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den weißen Gewebeabschnitten zwar bei funktionierender ETK ATP und NADPH+H+ gebildet werden kann, allerdings in viel geringerem Umfang als in den grünen Blattarealen. Bei chlorophyll-defizienten TF von Pisum sativum mit verminderten CO2-Aufnahme- und O2-Freisetzungsraten stellte sich heraus, dass ein mit einer verringerten Rate der zyklischen Photophosphorylierung verbundenes ATP-Defizit teilweise durch eine Aktivierung der nichtzyklischen Photophosphorylierung kompensiert wird (Vaishlya et al., 1998). Eine Erhöhung des photosynthetischen ATP-Pools, wie sie in verschiedenen Chl-Mangel-Mutanten von Pisum sativum beobachtet wurde, könnte außerdem durch eine Zunahme der Kopplungszentren in der Thylakoidmembran verursacht sein (Roshchina et al., 1983; Schwarz, 1983; Vaishlya et al., 1998). So wurde von Krendeleva et al. (1996) ebenfalls in chl-armen Mutanten von Pisum sativum eine in Relation zum Chl-Gehalt erhöhte H+-ATPase-Aktivität gemessen. Verschiedene Autoren fanden dagegen keine Unterschiede im Adenylat- (Lewenstein und Bachofen, 1972; Krause, 1975) und Pyridinnucleotidspiegel (Peine et al., 1990) in grünen und etiolierten Pflanzen und erklären dies mit der Existenz von wirksamen Regelsystemen bzw.mit einer hohen Pufferkapazität zur Bereitstellung von ATP und NADPH+H+ auf der Grundlage innerer Reserven. Aber auch unter der Wirkung anderer Stressoren, die zu einer eingeschränkten bzw. inhibierten Photosynthese führten, wurden keinerlei Änderungen im zellulären AdN- bzw. ATP-Pool gefunden (Quick et al., 1989; Quick et al., 1991; Weidmann et al., 1990).

Aufgrund der Tatsache, dass die Verringerung der ATP- (um 51 - 71 %; Abb. 27) und NADPH+H+-Gehalte (um 44 - 71 %; Abb. 29) durch Schwachlicht-Bedingungen nicht so drastisch wie die Reduzierung von JCO2 (um 79 - 87 %; Abb. 24A) und der Blatt-Wachstumsraten (um 47 - 86 %; Tab. 4) war bzw. unter Chl-Mangel gar keine parallele Entwicklung dieser Werte nachgewiesen werden konnte, ist zu bezweifeln, dass die gemessenen CO2-Assimilationsraten während der steady state-Photosynthese allein auf eine Limitierung durch eine nicht ausreichende Versorgung mit ATP und Reduktionsequivalenten zurückzuführen ist. Hierbei spielt die regulatorische Funktion der Nucleotide, v. a. über Änderungen in deren Poolrelationen, wie schon in Kap. 4.2.1 erwähnt, wohl die entscheidendere Rolle. Dabei sind die Prozesse in der Zelle hochreguliert und so sensibel aufeinander abgestimmt, dass für eine Regulation im steady state der Photosynthese umfangreiche Änderungen in PN- und AdN-Pool mit Extremwerten des PN-Reduktions- und des AdN-Energiestatus bzw. des NADPH+H+/NADP+- und des ATP/ADP-Verhältnisses und damit der assimilatory power nicht


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erforderlich sind und diese über einen weiten Bereich der Lichtintensitäten und des Metabolitenstatus relativ konstant sind (Sharkey, 1985; Foyer et al., 1990; Haag und Renger, 1993; Kitzmann, 1996). Diese Komponenten werden demnach gegen Modulationen des PSII auf der einen Seite und die Aktivitäten des Calvin-Zyklus auf der anderen Seite abgepuffert (Foyer et al., 1990). Dabei sind die Flüsse von ATP und von NADPH+H+ in den C-Metabolismus unabhängig voneinander über unterschiedliche Mechanismen regulierbar (Scheibe, 1987). Die in Tab. 10 und 11 dargestellten Ergebnisse belegen diese hohe Stabilität des EC und des PN-Redoxstatus (ARC, CRC, RC). Auch unter extremem Licht- bzw. Chl-Mangel lag der EC-Wert nur um 0.14 bzw. 0.06 höher als der Kontrollwert von 0.66 in der SNN-HL (Tab. 10) und somit in dem für aktive Zellen typischen Bereich (s. S. 113). Die maximale Auslenkung der Parameter zur Charakterisierung des Redoxstatus der Zelle, konkret des ARC zwischen 0.32 und 0.55, des CRC zwischen 0.06 und 0.13 und des RC zwischen
0.25 und 0.43 (Tab. 11) belegt, dass unter den gewählten Versuchsbedingungen der PN-Pool im steady state der Photosynthese ebenfalls keine Extremwerte erreichte, sondern in dem für aktive metabolische Zellen charakteristischen Bereich lag (s. S. 114).

Jedoch bewirken schon geringfügige Änderungen des EC bzw. RC eine sehr sensible Reaktion zur Balancierung von Energieaufnahme und -verwertung und sind auch im steady state der Photosynthese als eine Reaktion auf veränderte Bedingungen zu werten. Unter den vorherrschenden Lichtmangelbedingungen lag eine größere Kapazität für ATP- und NADPH+H+-verbrauchende Prozesse vor als in den entsprechenden HL-Pflanzen. Das beweisen die in den unter Schwachlicht angezogenen Tabakpflanzen signifikant (mit p < 0.01) höheren Werte für das ATP/ADP-Verhältnis (Tab. 10) und den EC (Tab. 10), für das NADPH+H+/NADP+-Verhältnis (Tab. 12) bzw. das Gesamt-Verhältnis der reduzierten zu den oxidierten PN (NAD(P)H+H+/NAD(P)+ (Tab. 12), für den ARC bzw. RC (Tab. 11) sowie dementsprechend der größere prozentuale Anteil von ATP (Abb. 28) und NADPH+H+ (Abb. 30) am jeweiligen Gesamtpool. In den transgenen Pflanzen der #57 waren die genannten Parameter unter beiden Anzucht-Lichtintensitäten nicht signifikant unterschiedlich zum entsprechenden WT. In den chl-ärmeren TF jedoch zeichnete sich die Tendenz zu einer Erhöhung v. a. der PN-Parameter (mit mind. p < 0.05, meist aber mit p < 0.001), aber auch der AdN-Parameter (allerdings oft nicht signifikant) ab. Generell soll das ATP/ADP-Verhältnis in nichtgrünen Zellen größer sein als in grünen Zellen (Raymond et al., 1987). Das bedeutet, dass in den Blättern der Schwachlicht-Varianten sowie in den chlorophylldefizienten Blättern der durch die verminderte Lichtabsorption und ETR entstandene Energiemangel letztendlich zu einer down-Regulation


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nach dem Prinzip der Ausbalancierung von ATP- und NADPH+H+-Angebot und
-Verbrauch via feedforward-Modulation (s. Kap. 4.2.1) führte und somit in einer wesentlichen Reduzierung der energieverbrauchenden Prozesse, wie z. B. die Aktivitäten des Calvin-Zyklus oder die Kohlenhydrat- und Protein-Biosynthese (Abb. 24A, 32, 33 und 35) resultierte. Somit war das ATP/NADPH+H+-Verhältnis in den LL- bzw. transgenen Pflanzen nicht wesentlich verändert, die lineare Beziehung zwischen ATP und NADPH+H+ blieb weitestgehend aufrechterhalten (r2 = 0.8936; Werte aus Abb. 27 und 29). Sogar noch unter Extrembedingungen, die zu einer starken Einschränkung der chloroplastidären Prozesse führen, können starke Schwankungen des ATP/NADPH+H+-Verhältnisses durch eine parallele Hemmung der hauptsächlich am Umsatz der PN und AdN beteiligten Stoffwechselsequenzen verhindert werden (Kitzmann, 1996).

Ein steigender EC-Wert bei einer starken Reduzierung von NADPH+H+ und der ETR wurde auch von Lawlor (1990) beschrieben. Mit sinkender Photosyntheserate steigt der energy charge an, maximale EC-level wurden erreicht, wenn die ETR am stärksten inhibiert war (Gilmore und Björkman, 1994). Hohe Photosyntheseraten bedingen eine Stabilisierung der assimilatory power der Kohlenstoff-Assimilation auf einem niedrigen Niveau (Dietz und Heber, 1986; Heber et al., 1986; Siebke et al., 1990), dementsprechend werden auch ARC und EC niedrig stabil gehalten (Kitzmann, 1996). Umgekehrt steigt die assimilatory power bei sinkenden Photosyntheseflüssen entweder durch erhöhte NADP+-Reduktion und/oder ADP-Phosphorylierung (Heber et al., 1990; Gerst et al., 1994).

Auch unter dem Einfluss anderer Stressfaktoren zeigte sich, meist parallel zu verminderten AdN- bzw. PN-Poolgehalten sowie einer eingeschränkten Photosyntheseleistung, dass der EC und das ATP/ADP-Verhältnis sowie der RC und das Verhältnis NADPH+H+/NADP+ erhöht, zumindestens aber konstant im Vergleich zur jeweiligen Kontrolle ist; wie z. B. unter Salzstress bei Sonneratia alba (Akatsu et al., 1996), Kältestress gekoppelt mit HL bei Lactuca sativa (Gilmore und Björkman, 1995), Kältestress bei Hordeum vulgare (Pärnik et al., 1995), Ozon und SO2-Stress bei Nadeln von Picea abies (Weidmann et al., 1990), CO2-Mangelbedingungen für Gossypium hirsutum und Aegialitis annulata (Gilmore und Björkman, 1994), bei Belichtung von Etioplasten von Avena sativa (Peine et al., 1990), Verdunklungsversuchen (Rao et al., 1990) und Phosphatmangel bei Beta vulgaris (Rao und Terry, 1994), Verwundung von Bidens pilosa (Henryvian et al., 1996) und einem experimentell reduzierten RubisC/O-Gehalt in Nicotiana tabacum (Quick et al., 1991). Somit wird deutlich, dass der


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AdN- und PN-Stoffwechsel in der Reaktion der Pflanzen auf die unterschiedlichsten Stressfaktoren - sehr wahrscheinlich über die gleichen Regulationsmechanismen (s. S. 133 ff., Abb. 38) - eine zentrale Rolle spielt. Erhöhte ATP/ADP-Verhältnisse, die in vielen Fällen parallel mit einer Zunahme der EC-Werte auftreten, wurden von Atkinson (1977) und Weidmann et al. (1990) als ein Indikator für eine erhöhte anabolische Aktivität interpretiert. Die in dieser Arbeit gezeigten Ergebnisse der CO2-Assimilation, der Gehalte an Kohlenhydraten und Stärke sowie an Proteinen weisen jedoch nicht darauf hin, dass der anabole Stoffwechsel in den Licht- bzw. Chlorophyll-Mangelpflanzen gegenüber den Kontrollpflanzen absolut erhöht war. Zumindest könnte man aber die höheren ATP/ADP-Verhältnisse und EC-Werte in den Blättern der LL- und transgenen Pflanzen im Sinne von Atkinson (1977) und Weidmann et al. (1990) dahingehend werten, dass die anabolischen relativ zu den katabolischen Stoffwechselwegen aufgrund einer down-Regulation letzterer Prozesse zugenommen haben (s. Kap. 4.3).

Die Aussage, dass die erhöhten Werte des Energie- und Reduktionsstatus in den Mangelpflanzen auf eine down-Regulation der energieverbrauchenden Prozesse mittels feedforward-Modulation hinweisen, wird durch die Tatsache bekräftigt, dass die Aktivitäten einer Vielzahl von zentralen Enzymen in ATP-verbrauchenden Reaktionen des C- und N-Stoffwechsels an die verfügbare ATP- und NADPH+H+-Menge angepasst (Geiger und Servaites, 1994) bzw. durch den EC der Zelle direkt kontrolliert werden (Atkinson und Fall, 1967; Hoffmann, 1982 und 1985; Foyer et al., 1990; Kitzmann, 1996). Vor allem die Aktivität der RuBP-Carboxylase wird über die RubisC/O-Aktivase durch die Verfügbarkeit von ATP und das ATP/ADP-Verhältnis im Stroma reguliert (Streusand und Portis, 1987; Robinson und Portis, 1988; Quick et al., 1991; Eckardt et al., 1997). Für die steady state-Modulation der Photosynthese sind außerdem die FBPase und die PGK entscheidende Kontrollstellen im Calvin-Zyklus, die maßgeblich in die Abstimmung von Bereitstellungs- und Verbrauchsreaktionen für Reduktionsequivalente und ATP sowie die Verteilung der primären Assimilationsprodukte einbezogen sind (Kitzmann, 1996). Die Regulation der Aktivität und der Proteinmenge von Enzymen der CO2-Fixierung durch das Lichtregime (Photokontrolle) - einer der Regelmechanismen der CO2-Fixierung - wird über Redoxsysteme, wie z. B. das NADP+/NADPH+H+ -Paar, realisiert (Kluge, 1977; Danon und Mayfield, 1994).

Die Ergebnisse zur in vivo-Aktivität und zum Aktivierungsstatus der im Chloroplasten lokalisierten NADP+-abhängigen MDH (Abb. 31, Tab. 13) - als ein metabolischer Indikator für


121

den Reduktionsstatus des stromalen NADP+-Pools in C3-Pflanzen (u. a. Scheibe und Stitt, 1988; Scheibe, 1990; Foyer et al., 1990; Batini et al., 1995; Grace und Logan, 1996) - scheinen nur auf den ersten Blick widersprüchlich zu den PN-Parametern zu sein. In den durch Chlorophylldefizienz bzw. Schwachlicht beeinflussten Tabakpflanzen wurden bei einer stärkeren Reduzierung des NADP(H+H+)-Pools, indiziert durch ein höheres NADPH+H+/NADP+-Verhältnis (Tab. 12) sowie einen größeren Pool-Anteil von NADPH+H+ (Abb. 30), ein geringerer Aktivierungszustand der NADP+-MDH (Tab. 13) bzw. unter LL auch verminderte absolute in vivo- und Vollaktivitäten (Abb. 31) gemessen. Im Gegensatz dazu wurde jedoch von mehreren Autoren gezeigt, dass der Aktivierungszustand dieses Enzyms (A/VA) mit einem steigenden NADPH+H+/NADH+H+-Verhältnis zunimmt (Scheibe, 1987 und 1990; Grace und Logan, 1996; Heldt, 1996). Dieses ist der Fall unter Stressbedingungen, die zu einem Überschuss an Produkten der Lichtreaktionen der Photosynthese und somit zu einer Diskrepanz zwischen NADPH+H+-Angebot und -Verbrauch führen und erklärt sich durch die Funktion des Enzyms als Ventil für überschüssige Reduktionsequivalente, um so das für eine optimale C-Reduktion im Licht geforderte ATP/NADPH+H+-Verhältnis aufrechtzuerhalten (Scheibe, 1987 und 1990; Biehler et al., 1996; Grace und Logan, 1996; Heldt, 1996; Vaishlya et al., 1998). Das erscheint um so notwendiger, da das während der Photosynthese bereitgestellte NADPH+H+ eher im Überschuss vorliegt als das ATP oder vice versa das ATP eher als das NADPH+H+ limitierend wirkt (s. S. 114 f.). Unter Normal- bzw. Mangelbedingungen, v. a. unter limitierendem Licht, kann daher ebenso eine bestimmte in vivo-Aktivität dieses Enzyms nachweisbar sein (Scheibe und Stitt, 1988). Außerdem agiert die NADP+-MDH nicht nur als “Überdruck- bzw. overflow-Ventil“, sondern spielt auch für den Export von Reduktionsequivalenten in Form von Malat aus dem Chloroplasten zur Versorgung des Zytosols, z. B. für photorespiratorische Prozesse, selbst unter nichtexzessiven Bedingungen, in vivo eine Rolle (Scheibe, 1987 und 1990; Scheibe und Stitt, 1988; Ivanitsev und Kurganov, 1993; Preiss et al., 1994; Heldt, 1996). Der durch einen verminderten photosynthetischen Elektronenfluss infolge des Defizits an Chlorophyll bzw. PPFD in den Tabakpflanzen entstandene Mangel an ATP und NADPH+H+ kann als Resultat der Langzeitadaptation mittels einer down-Regulation von Energie- und Reduktionsequivalente-verbrauchenden Reaktionen kompensiert werden. Zu letzteren zählt auch das Malatventil, so dass in den LL- und transgenen Pflanzen eine Verringerung der in vivo-Aktivität in Relation zur Vollaktivität (Tab. 13), unter Lichtmangelbedingungen auch der absoluten Aktivitäten (Abb. 31) gefunden wurde. Niedrigere Werte für die Aktivität bzw. den Aktivierungsstatus der NADP+-


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abhängigen MDH bei verminderten ET- bzw. Photosyntheseraten durch verringerte Lichtintensitäten wurden ebenfalls in Pisum sativum (Boardman, 1977; Foyer et al., 1990), in Spinacia oleracea (Scheibe und Stitt, 1988), in Gossypium hirsutum (Ivanitsev und Kurganov, 1993), in Triticum sp. (Biehler, 1995) sowie in Vinca major, Schefflera arboricola und Mahonia repens (Grace und Logan, 1996) nachgewiesen, wobei aber auch bei sehr hohen PPFD´s ein Aktivierungsstatus von 30 % der maximalen Aktivität nicht überschritten wurde (Foyer et al., 1990; Grace und Logan, 1996). Die um bis zu 70 % verminderten Aktivitäten der NADP+-MDH in beschatteten Bohnenpflanzen führte Boardman (1977) z. T. auf die generelle Reduzierung des gesamten zellulären Metabolismus unter diesen Bedingungen zurück. Die Verminderung der MDH-Aktivitäten kann letztendlich neben der Reduzierung anderer NADPH+H+-verbrauchender Reaktionen zu einem Anstieg des NADPH+H+/NADP+-Verhältnisses (Abb. 12) - z. T. sogar höher als in den jeweiligen Vergleichspflanzen - und somit zu einer Aufrechterhaltung der für den Ablauf der photosynthetischen Prozesse notwendigen NADPH+H+/NADP+ und ATP/NADPH+H+-Verhältnisse unter steady state-Bedingungen beitragen.

Desweiteren stellt sich die Frage, ob eine eventuelle Kompensation der verminderten Energiebereitstellung bei reduzierter Photosyntheseleistung durch die mitochondriale Atmung stattfinden könnte, wie z. B. von Hoffmann (1985), Lawlor (1990) und Krömer (1995) vorgeschlagen wurde. Obwohl die Frage nach den Mechanismen bisher noch weitgehend ungeklärt ist, gehen die meisten Autoren davon aus, dass im Licht eine Inhibierung der mitochondrialen Atmung um 25 bis 70 % stattfindet (Peisker und Apel, 1980; Apel und Peisker, 1995; Krömer, 1995; Atkin et al., 1997). Auch in den Pflanzen der SNN und der TF war - mit Ausnahme der SNN und #57 unter LL - im Rahmen der Gültigkeit des angewandten Modelles die mitochondriale Atmung in sättigendem Licht gehemmt (Reinhardt, 1996). Es bleibt zu klären, wie sich dieses unter Anzuchtbedingungen verhält. Die Raten der Dunkelrespiration in den Schwachlicht- und transgenen Tabakpflanzen (Abb. 23) waren jedoch schon geringer als in den entsprechenden Kontrollpflanzen. Daher ist es wenig wahrscheinlich, dass die höheren Werte für den EC und das ATP/ADP-Verhältnis von einer verstärkten respiratorischen Tätigkeit herrühren, zumal der CRC und das NADH+H+/NAD+-Verhältnis (Tab. 11 und 12) ebenfalls eine sinkende Tendenz unter den vorherrschenden Mangelbedingungen aufweisen und somit für eine verminderte Kapazität der mitochondrialen ETK sprechen.


123

4.2.3. Schlussfolgerung

Aus den hier diskutierten Ergebnissen zum Energie- und Reduktionsstatus unter steady state-Bedingungen der Photosynthese in den Tabakpflanzen unter Licht- bzw. Chlorophyllmangel ergibt sich die Schlussfolgerung, dass die verminderten CO2-Aufnahme-, Wachstums- und Entwicklungsraten letztendlich nicht nur durch eine ständige unzureichende Bereitstellung von ATP und NADPH+H+ aus den Lichtreaktionen in den Thylakoiden für die reduktiven Prozesse im Stroma bedingt waren. Es ist eher der Fall, dass infolge des primär verminderten photosynthetischen Energieflusses und der damit verbundenen verringerten Produktion an ATP und NADPH+H+ via feedforward-Kontrolle eine down-Regulation von Energie- und Reduktionsequivalente-verbrauchenden Prozessen erfolgte. Zu letzteren zählt auch die Aktivität der NADP+-abhängigen MDH. In den stark durch Chlorophyll- und/oder Lichtmangel gestressten Pflanzen ergab sich infolge dessen sogar noch eine Reserve für die exergone Kapazität des Metabolismus. Die Balancierung von ATP und NADPH+H+-Angebot und
-Verbrauch ist ein wesentliches Grundprinzip im pflanzlichen Metabolismus unter veränderten, z. T. extrem belastenden Bedingungen und dient der Erhaltung der energetischen Homöostase.

Eine Kompensation des Energiemangels durch die mitochondriale Atmung scheint dabei nur eine untergeordnete Rolle zu spielen.


124

4.3. Kompensations- und Regulationsmechanismen im pflanzlichen Stoffwechsel

Wie aus den vorangegangenen Kapiteln hervorgeht, bewirken sowohl Chlorophyll- als auch Lichtmangel im Stoffwechsel der untersuchten Pflanzen von Nicotiana tabacum generell eine Substrat- bzw. Energielimitierung und rufen nachfolgend eine down-Regulation mittels feedforward-Modulation hervor. Dabei wird jedoch deutlich, dass das Ausmaß dieser Drosselung der verschiedenen Stoffwechselprozesse und -parameter unterschiedlich ist. Schon Willstätter und Stoll (1918), nachfolgend auch andere Autoren (Tietze, 1963; Jenkins et al., 1989; Krendeleva et al., 1996; Tab. 16) beobachteten bei chlorophyllarmen Formen, dass im Vergleich zu den normalgrünen Pflanzen die CO2-Assimilationsraten weniger drastisch reduziert waren als der Chlorophyllgehalt. Auch unter Lichtmangelbedingungen zeigte sich, dass das Angebot an eingestrahlter PPFD (10 % von HL) stärker als die physiologischen Charakteristiken der Versuchspflanzen im Vergleich zu den Kontrollpflanzen vermindert war (Tab. 15).

In Tab. 17 sind einige der wichtigsten, in dieser Arbeit untersuchten physiologischen Prozesse “vom Licht zum Wachstum“ (s. Abb. 36) aufgeführt. Dabei wurden die Tabakpflanzen, die unter extremem Chlorophyllmangel (#42-HL), die nur unter Lichtmangel (SNN-LL) bzw. die unter dem Einfluss beider Stressoren (#42-LL) angezogen wurden, ausgewählt und die entsprechenden Werte jeweils in Relation zur Kontrolle (SNN-HL) angegeben. Bei der Betrachtung der Daten in Hinsicht auf eine Wechselwirkung zwischen der Komplexität des betrachteten Stoffwechselvorganges und dem Ausmaß der Auswirkung der untersuchten Stressoren wird schnell folgende Tendenz deutlich:

Je höher der betrachtete Prozess in der Hierarchie im pflanzlichen System eingeordnet ist, d. h. je komplexer der Stoffwechselprozess, desto größer der Wert in Relation zur Kontrolle, d. h. desto schwächer die Wirkung der untersuchten Stressoren!

Aufgrund dieser Erkenntnis kann folgende Hypothese formuliert werden:

Je höher der betrachtete Prozess in der Hierarchie im pflanzlichen System eingeordnet ist, d. h. je komplexer der Stoffwechselprozess, desto größer die Kapazität zur Kompensation der Wirkung des Stressors!


125

Tab. 17 Relation ausgewählter Stoffwechselparameter (Raten durch Unterstreichung hervorgehoben) auf verschiedenen Hierarchie-Ebenen (lt. Abb. 36) von Nicotiana tabacum unter Chlorophyll- (#42-HL) oder Lichtmangel (SNN-LL) sowie Chlorophyll- und Lichtmangel (#42-LL) zu denen der Kontrollpflanzen (SNN-HL). Die Daten stammen aus den Abb. 6, 16, 24A, 25, 33A und 35 sowie den Tab. 3, 4 und 5, die Werte für die ETR von Hansen (unpubliziert).

Hierarchie-Ebene

Stoffwechsel-
Parameter

Chl- Mangel

Licht-Mangel

Chlorophyll- und Licht-Mangel

#42-HL

SNN-LL

#42-LL

[SNN-HL = 100 %]

äußerer Stressfaktor

eingestrahlte PPFD

100

10

10

innerer Stressfaktor

Chlorophyll (a+b)-Gehalt

8

52

11

photosynthetische Primärprozesse

Lichtabsorptionsrate

ETR

27

21

9

10

3

5

Calvin-Zyklus

CO 2 -Aufnahmerate

34

13

7

plastidäre und extraplastidäre Biosynthesen

Saccharose-Gehalt

Photorespirationsrate

Protein-Gehalt

26

39

44

6

14

16

7

6

19

source-Blatt

Blatt-Frischmasse

Blattflächen - Wachstumsrate

max. Blattfläche

48


69

73

26


53

64

11
10

17

gesamte Pflanze (oberirdische Biomasse)

Gesamt-Blattflächen-Wachstumsrate

max. Gesamt-Blattfläche


70

98


54

99


8
1)

27 1)

1) Der Wert der #42-LL ist im Vergleich zu denen der anderen Varianten nicht gemessen, sondern über eine Modellkurve (Abb. 9) extrapoliert worden, da diese Pflanzen zum Abschluss der einzelnen Versuche ihr Wachstum nicht beendet hatten. Möglicherweise ergibt sich daraus eine Unterschätzung des reellen Wertes.

Dieser steigenden Kompensationskapazität innerhalb des hierarchischen Systems können verschiedene Mechanismen zugrunde liegen. So würde dies durch die Existenz eines sogenannten “overflow-Anteilesneben dem hauptsächlichen “Erhaltungsanteil“ eines Prozesses erklärbar sein. Ein Modell, welches diese Hypothese verdeutlichen soll, ist in Abb. 37 dargestellt.


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Abb. 37 Schematische Darstellung des overflow-Modells auf Prozessebene (oben) und Konsequenzen dessen für Messdaten verschieden gestresster Varianten im Vergleich zur Kontrolle (unten)

oben: Zur Darstellung des overflow-Modells wird von 4 Prozessen (A, B, C, D) ausgegangen, die in unmittelbarem Zusammenhang zueinander stehen und unbeeinflusst von anderen Prozessen sind. Das absolute Messsignal, welches den jeweiligen Prozess quantitativ charakterisiert (Rate, Aktivität, Gehalt an Endprodukt), setzt sich für jeden Prozess jeweils aus dem Erhaltungs- und dem overflow-Anteil zusammen. Das Produkt des Erhaltungsanteiles des vorangegangenen Prozesses (Energie bzw. Materie) dient vollständig als Ausgangsprodukt für den nächsten Prozess. Infolge des Abfließens von Energie oder Substrat durch den overflow-Anteil verringert sich der absolute Energie- bzw. Metabolitengehalt innerhalb des Stoffwechselsystems.

unten: In den 3 Varianten (V1, V2, V3) ist infolge des Einwirkens eines Stressors der Prozess A in unterschiedlichem Ausmaß im Vergleich zur Kontrolle (K) reduziert.

In Variante 1 (V1) erfolgte diese Reduktion nur um den overflow-Anteil des Prozesses A, der notwendige Erhaltungsanteil ist nicht beeinflusst. Somit sind in den Prozessen B bis D keinerlei Auswirkungen erkennbar und es werden Messwerte gleich denen der Kontrolle erhalten.

In Variante 2 (V2) erfolgte die Reduktion des primären Prozesses A durch einen Stressor drastischer als in V1, so dass es zum “Aufbrauch“ des overflow-Anteiles und zusätzlich zu einer Reduzierung des Erhaltungsanteiles kommt. Damit stehen für die nachfolgenden Prozesse B und C weniger Ausgangsprodukt zur Verfügung als notwendig und es kommt zu einer Reduzierung der Messgrößen in Relation zur Kontrolle. Jedoch kann in diesem Beispiel der Einfluss, der zur Senkung der Prozesse A bis C geführt hat, durch den overflow-Anteil eines jeden Prozesses im letzten hier dargestellten Prozess D aufgehoben werden und es ist keinerlei Veränderung des Messparameters im Vergleich zur Kontrolle nachweisbar.

In Variante 3 (V3) wurde der Prozess A so drastisch reduziert, dass diese Störung im Ablauf der hierarchisch nachfolgenden Prozesse nicht vollständig kompensiert werden kann. Allerdings zeigt sich: Je weiter die nachfolgenden Prozesse vom beeinflussten Prozess (A) entfernt sind, desto geringer ist die Auswirkung des Stressors! Somit zeigt V3 in den Prozessen A bis D ein prozentual zur Kontrolle stetig steigendes Messsignal.


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Solch ein overflow-Anteil würde in seiner Funktion als Puffer bzw. als Ventil einen gewissen Teil an Energie bzw. Materie in jedem metabolischen Prozess abfließen lassen, der somit nicht der Versorgung der nachfolgenden Prozesse dienen kann. Die Flexibilität dieses Anteiles kann z. B. von der Belastung des pflanzlichen Metabolismus, aber auch vom Rang des Prozesses und von einer genetischen Determination abhängig sein. Das Wirken eines solchen Kompensationsmechanismus hätte zur Folge, dass die Strenge des Einflusses eines zur Reduzierung eines primären Prozesses führenden Stressors in der Hierarchie der nachfolgenden Prozesse immer mehr abgeschwächt werden kann. So ergibt sich in vorliegender Arbeit für den Vergleich von Stoffwechselraten der #42-HL prozentual zum SNN-HL folgende Entwicklung: Absorption (27 %) - CO2-Aufnahme (34 %) - Blattflächen-Wachstumsrate (69 %) - Flächenwachstumsrate der gesamten Blattsubstanz (70 %). Dadurch akkumulierten die Tabakpflanzen der #42-HL trotz eines verminderten Chl-Gehaltes von 8 % dessen der SNN-HL und der daraus resultierenden geringeren Lichtabsorption letztendlich eine Gesamt-Blattfläche, die fast der von den WT-HL-Pflanzen ausgebildeten maximalen Fläche der Blätter entsprach (98 %) (3. Spalte in Tab. 17). Die Pflanzen der #42-LL, die sowohl durch eine gehemmte Chlorophyll-Biosynthese (11 % Chl-Gehalt dessen der SNN-HL) als auch durch ein mangelndes Lichtangebot während der Anzucht (10 % dessen für die SNN-HL) gestresst waren, erreichten zwar keine der Kontrolle adäquate maximale Gesamtblattfläche; es wurde aber die Strenge der Auswirkung der Stressoren im Stoffwechsel abgeschwächt und die Pflanzen entwickelten immerhin 27 % der Fläche aller Blätter, die von den Pflanzen der SNN-HL ausgebildet wurde (5. Spalte in Tab. 17).

Es ist weithin bekannt, dass Enzymaktivitäten, Prozessraten und Metabolitgehalte in Reaktion auf veränderte Bedingungen variieren können, ohne dabei Veränderungen anderer physiologischer Charakteristika im pflanzlichen Metabolismus hervorzurufen. Im Zusammenhang damit ist häufig die Rede von Schwellenwerten (z. B. Lichtenthaler, 1996; Brunold, 1996). Laut overflow-Modell (Abb. 37) entspräche der Erhaltungsanteil eines Prozesses dem sogenannten Schwellenwert, d. h. dem Wert, auf den Enzymgehalte und -aktivitäten, Stoffwechselraten etc. ohne nachweisbare Veränderungen im Stoffwechselgeschehen reduziert werden. So wurde von verschiedenen Autoren gezeigt, dass Pflanzen über höhere Aktivitäten von Calvin-Zyklus-Enzymen verfügen als sie unter moderaten Bedingungen benötigen. Eine Limitierung der CO2-Assimilationsraten trat erst ein, wenn in Transformanten von Solanum tuberosum 36 % der Fructose-1,6-Bisphosphatase-Aktivität des WT (Muschak et al., 1997) sowie in TF von Nicotiana tabacum 43 % der RubisC/O- (Quick et al., 1991), 40 % der Glycerinaldehydphosphat-Dehydrogenase- (Price et al., 1995), 20 % der Phosphoribulokinase- (Paul et al., 1995) und 57 % der Sedoheptulose-1,7-Bisphosphatase-Aktivität des WT (Harrison et al., 1998) unterschritten wurde. Dagegen zeigten transgene Tabakpflanzen mit einer verminderten RubisC/O-Proteinmenge zwar eine reduzierte CO2-Assimilationsrate, jedoch war eine Retardierung der Wachstumsrate erst unterhalb von 35 % des RubisC/O-Gehaltes des WT offensichtlich (Krapp et al., 1994). Eine 50 %ige Verminderung des Chlorophyll (a+b)-Gehaltes durch Mutation in Zea mays, einer C4-Pflanze, bewirkte keinerlei Veränderungen der Photosyntheseraten und ausgewählter Aktivitäten von Calvin-Zyklus-Enzymen (Jenkins et al., 1989). Eine Reduzierung der chloroplastidären NADP+-MDH in transgenen Pflanzen von


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Nicotiana tabacum führte unter natürlichen Anzuchtbedingungen erst unterhalb von 20 % des WT-levels zu Verzögerungen im Pflanzenwachstum (Faske et al., 1997). Jedoch zeigt sich vor dem Hintergrund des overflow-Modelles die Relativität der Bestimmung des tatsächlichen Schwellenwertes, da außer den konkreten gegebenen Versuchsbedingungen von entscheidender Bedeutung ist, welcher Prozess mit welcher (zeitlichen und räumlichen) Distanz im hierarchischen System zum primär reduzierten Prozess als Vergleich herangezogen wird.

Für die mitochondriale Atmung, die einerseits von der durch die Photosynthese tagsüber bereitgestellten Menge an Assimilaten abhängt, wäre ein solcher Erhaltungsanteil ebenso von Bedeutung, da sie andererseits im Dunkeln die einzige Energiequelle für die zellulären Prozesse darstellt. Auch andere Autoren weisen darauf hin, dass ein gewisser Teil der Dunkelrespiration für die Aufrechterhaltung des pflanzlichen Metabolismus notwendig ist (“Erhaltungsatmung“) und unter Stressbedingungen nicht ohne starke Einschränkungen der pflanzlichen Überlebensfähigkeit unterschritten werden kann (Hoffmann, 1985; Muschak, 1997; Gries et al., 1998). Bei den unter den gegebenen Bedingungen angezogenen Tabakpflanzen scheint ein Wert von etwa 0.4 unter HL bzw. 0.1 µmol CO2 m-2 s-1 unter LL für die Dunkelrespiration das Minimum darzustellen, da innerhalb der TF trotz progressiv abnehmender CO2-Aufnahmeraten und verringerter Assimilatbereitstellung keine signifikant unterschiedlichen Werte für RD gemessen wurden (Abb. 23). Daraus leitet sich auch ab, dass die transgenen und Schwachlichtpflanzen einen höheren Anteil an Stärke während der Dunkelphase abbauen bzw. abtransportieren als die jeweiligen Kontrollpflanzen (Abb. 32A).

Durch das Vorhandensein eines als Ventil funktionierenden overflow-Prozessanteiles können sowohl Stressfaktoren, die entweder zu Energiemangel oder -überschuss führen, als auch


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Verletzungen und Infektionen abgepuffert werden. Bedingungen eines “gemäßigten“ Energieüberschusses könnten besser verkraftet werden, da der overflow-Anteil diesen ohne Veränderungen im Stoffwechselgeschehen abfangen und dissipieren würde. Zudem stünde die abfließende Energie bzw. Materie schnell für Reparatur-, Abwehr- und Schutzmechanismen zur Verfügung. Erst bei stärker und länger einwirkendem Stress würden weitere pflanzliche Stressreaktionen notwendig werden (s. u. a. Lichtenthaler, 1996; Brunold, 1996). Somit hätte der oben modellierte Mechanismus Bedeutung für die quantitative Regulation mittels feedforward- sowie feedback-Kontrolle. Er erlaubt den Pflanzen eine rasche Anpassung an schnell wechselnde Umwelt-Bedingungen ohne große Änderungen im Gesamtmetabolismus und garantiert dadurch eine hohe Flexibilität und Toleranz.

Nicht nur innerhalb der einzelnen metabolischen Prozesse besteht die Möglichkeit zur Kompensation von Stresseinflüssen. Es können auch ganze Prozesse oder Stoffwechselkomplexe unter Stressbedingungen eine Ventilfunktion übernehmen und Energie bzw. Materie auf jeder Hierarchieebene abfließen lassen. Das Zu- oder Abschalten bzw. die Verstärkung oder Abschwächung solcher Ventilprozesse kann somit den pflanzlichen Organismus vor Schädigungen oder Entkräftung schützen und stellt eine Regulation nicht nur auf quantitativer, sondern auch auf qualitativer Stufe dar. Als derartige Prozesse gelten beispielsweise die thermische Energiedissipation (Krause, 1988; Demmig-Adams und Adams, 1992; Gilmore und Björkman, 1994 und 1995; Lichtenthaler, 1996), die u. a. mit der nicht-photochemischen Löschung der Chl-Fluoreszenz (Fetene et al., 1997) und dem Violaxanthin-Zyklus (Demmig-Adams und Adams, 1992 und 1993) verbunden ist, sowie die Mehler-Ascorbatperoxidase-Reaktion (Foyer et al., 1994; Osmond und Grace, 1995; Polle, 1996). Diesen Vorgängen wird infolge der Dissipation von exzessiver Energie auf der Hierarchieebene der photosynthetischen Primärprozesse eine den Photosynthese-Apparates schützende Funktion vor allem unter Starklichtbedingungen zugeschrieben.

Auch die cyanidresistente Atmung, ein alternativer Oxidaseweg, der in den Mitochondrien stattfindet, kann durch das Zu- und Abschalten einer Über- bzw. Unterreduktion entgegenwirken. Sie spielt v. a. in heterotrophem Gewebe, wie z. B. in Wurzeln, eine entscheidende Rolle (Lambers,1982, Hoffmann, 1985; Löffler, 1986; Siedow, 1990; Lambers und Atkin, 1995). Dieser Überlaufmechanismus (“Energie-overflow“; Lambers, 1982) tritt in Funktion, wenn bei einem sehr hohen Substratangebot der Cytochrom-Weg der Atmung gesättigt und das


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mitochondriale Ubichinon übermäßig reduziert ist. Dann führt dieser alternative Weg zum Verbrauch von Kohlenhydraten, ohne dass dabei Energie durch Protonentransport konserviert wird (Lambers,1982; Lawlor, 1990; Lambers und Atkin,1995; Heldt, 1996). Außerdem kann in den Mitochondrien eine alternative NADH-Dehydrogenase als ein Überlaufmechanismus funktionieren, der ebenso zu einer Oxidation von überschüssigen Reduktionsequivalenten ohne ATP-Bildung führt. Die freiwerdende Energie wird dabei als Wärme dissipiert (Siedow, 1990; Heldt, 1996).

Eine wichtige protektive Rolle im pflanzlichen Organismus auf den “mittleren“ Hierarchieebenen spielen die Photorespiration und das Malatventil. Am Beispiel dieser Vorgänge zeigt sich jedoch, dass die hier aufgeführten Kompensationsmechanismen (overflow-Anteil eines Prozesses sowie Ventilprozesse) in einem fließenden, aufeinander aufbauenden, nicht trennbaren Zusammenhang stehen.

Die Photorespiration (Kap. 3.4.3 und S. 103) kann unter Bedingungen, bei denen die Kapazität der photosynthetischen Primärprozesse die des Calvin-Zyklus weit übersteigt und die zu einem Anstau von ATP und NADPH+H+ führen, wie z. B. Starklicht (Wu et al., 1991; Heber et al., 1996; Kozaki und Takeba, 1996) sowie Wasserstress, geschlossene Stomata und verminderte CO2-Konzentration (Heber et al., 1990; Osmond und Grace, 1995; Heldt, 1996) durch eine erhöhte Rate effektiv zur Dissipation von überschüssiger Energie und Reduktionsequivalenten beitragen und damit eine Schädigung der ETK verhindern. Allerdings ist ein Abschalten des gesamten Photorespirationsmechanismus auch unter extremen Mangelbedingungen, d. h. bei einer infolge einer Limitierung der Lichtreaktion eingeschränkten Dunkelreaktion der Photosynthese, mit dem Ziel einer Einsparung von Energie und C-Gerüsten und einer Optimierung in Richtung Wachstum, wie das bei einem reinen Ventilprozess der Fall wäre, nicht möglich. Dieses beweisen die in vorliegender Arbeit ermittelten Werte für den Anteil der Photorespiration (%RPh; Tab. 9), die für die Tabak-Varianten kaum Unterschiede aufwiesen. In allen untersuchten Blättern war die CO2-Aufnahmerate unter Anzuchtlicht um 27 bis 32 % durch die photorespiratorische Aktivität vermindert (s. auch S. 103). Das erklärt sich zum einen aus der Tatsache, dass die Oxygenase-Reaktion der RubisC/O eine zunächst unvermeidliche Nebenreaktion aufgrund des steigenden O2/CO2-Verhältnisses der Atmosphäre im Laufe der Evolution ist (Lawlor, 1990; Heldt, 1996). Zum anderen scheint die Photorespiration nicht nur einen darin begründeten Verlust von Energie und C-Gerüsten darzustellen, sondern dient laut Lea und Blackwell (1993) der Refixierung von mineralischem Stickstoff und ist der


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Hauptsyntheseweg von Serin und Glycin im pflanzlichen Metabolismus. Die Notwendigkeit der Photorespiration ergab sich u. a. aus dem Befund von Lea und Blackwell (1993), dass Mutanten, die aufgrund des Fehlens eines der im Photorespirationszyklus wirkenden Enzyme nicht zur Photorespiration befähigt waren, unter ambienten Bedingungen eine rapide Abnahme der CO2-Assimilationsrate aufwiesen.

Das Malatventil (NADP+-abhängige MDH, Malat-shuttle; Kap. 3.5.3 und S. 120 ff.) funktioniert als ein Ventil für exczessive Reduktionsequivalente unter Bedingungen, die zu einem Überschuss an Produkten der Lichtreaktionen der Photosynthese führen und kann so das für ein optimale Photosynthese notwendige Verhältnis zwischen NADPH+H+-Bereitstellung und
-verbrauch aufrechterhalten (Scheibe, 1987 und 1990; Biehler et al., 1996; Grace und Logan, 1996; Heldt, 1996; Vaishlya et al., 1998). Unter Stress-Situationen, die zu einer verminderten Bereitstellung von Energie- und Reduktionsequivalenten führen, wie z. B. in den Blättern der in vorliegender Arbeit untersuchten Schwachlicht- und transgenen Tabakpflanzen, kann dagegen der Verbrauch von Reduktionsequivalenten durch down-Regulation z. B. der Aktivität der NADP+-MDH gesenkt werden. Die in Kap. 3.5.3 dargestellten und in Kap. 4.2 ausführlich diskutierten Daten zum Aktivierungszustand der NADP+-abhängigen MDH belegen dies. Desweiteren spielt das Malatventil unter nichtexzessiven Bedingungen in vivo für den Export von Reduktionsequivalenten aus dem Chloroplasten zur Versorgung des Zytosols, z. B. für photorespiratorische Prozesse, eine Rolle (Scheibe, 1987 und 1990; Scheibe und Stitt, 1988; Ivanitsev und Kurganov, 1993; Preiss et al., 1994; Heldt, 1996). Dieser Funktion entsprechend lag die in vivo-Aktivität der NADP+-MDH in Relation zur Vollaktivität in den am stärksten gestressten Tabakblättern der #42-LL noch bei 9 % und, vergleichend dazu, in den ungestressten Kontrollpflanzen der SNN-HL bei 15 % (Tab. 13).

Somit scheinen Photorespiration und Malat-shuttle hauptsächlich als Ventile zu agieren, da sie wesentlich zum Verbrauch von überschüssigen Energie- und Reduktionsequivalenten beitragen können. Es zeigte sich jedoch, dass diese Prozesse letztendlich zu einem gewissen Ausmaß im normalen Stoffwechselgeschehen unter natürlichen Bedingungen mitwirken und somit essentiell für den pflanzlichen Metabolismus sind. Eine Reduzierung solcher Prozesse zur Verhinderung von starken Verlusten unter Mangelbedingungen ist daher meist nur bis zu einem gewissen Grad zu beobachten, da ein bestimmter Anteil für die Lebenserhaltung notwendig ist. In Bestätigung dessen wurden in den Blättern der extrem durch Licht- und/oder Chl-Mangel gestressten Tabakpflanzen zwar im Vergleich zur Kontrolle verminderte Photorespirationsraten und Aktivitäten der NADP+-MDH gefunden (Abb. 25 und 31), jedoch in einem vergleichend zu


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den verminderten ETR und CO2-Aufnahmeraten geringeren Ausmaß (Tab. 17). Erst bei sehr extremen Stresssituationen kommt es zu einer drastischen Einschränkung dieser Prozesse, was aber mit einer starken Retardierung vieler anderer für die Pflanze lebensnotwendiger Prozesse und damit meist mit einem Verlust der Kompensationsfähigkeit einhergeht. Das belegt, dass diese Prozesse eine regulative Funktion nach dem in Abb. 37 dargestellten overflow-Modell besitzen. Allerdings wäre hier das Verhältnis von overflow- zu Erhaltungsanteil zu Ungunsten des letzteren verschoben, so dass der gesamte Prozess als Überlaufmechanismus erscheinen kann.

Da mit steigender Hierarchieebene eine größere Anzahl von Prozessen parallel zueinander ablaufen, miteinander verbunden und voneinander abhängig sind und die Komplexität in Zeit und Komponenten zunimmt (s. S. 87 ff.), ergibt sich dadurch auch eine steigende Regulationskapazität bei einem erhöhten Kompensationsbedarf. Auf den hierarchisch höheren, komplexeren Ebenen ist somit dem gesamten Sekundärstoffwechsel, der Produkte und Energie aus dem Primärstoffwechsel benötigt, eine Ventilfunktion zuzuschreiben. Je nach dem Zustand des pflanzlichen Metabolismus kommt es entweder zur Erhöhung bzw. zum Einschalten von Prozessen (bei Energieüberschuss im System) oder zur Erniedrigung bzw. zum Abschalten von Prozessen (bei Energiemangel im System). So ist beispielsweise unter Schwachlicht die Synthese von Festigungsgewebe reduziert (Kap. 3.2.1.1 und S. 109 f., Eschrich, 1995). Als weiteres Beispiel dient der Befund, dass unter starkem Trockenstress der Gehalt an Mono- und Sesquiterpenen in Blättern von Cupressus sempervirens durch Metabolisierung der gespeicherten Terpenoide um 95 % reduziert sowie deren Emission vollständig eingestellt wird (Yani et al., 1993). Ebenso wurde eine starke Reduktion der Emission von Monoterpenen bei Quercus ilex (Bertin und Staudt, 1996) und von Isopren bei Pueraria lobata (Sharkey und Loreto, 1993) sowie von Mono- und Sesquiterpenen bei Citrus sinensis (Hansen und Seufert, 1999) unter strenger Dürre beobachtet. Die Tatsache, dass diese Reduzierung der Terpenoidemission erst bei sehr starkem Trockenstress - nach der Metabolisierung von eventuell gespeicherten Terpenoiden und aufgrund der stressbedingten Hemmung der Neusynthese - eintritt (Bertin und Staudt, 1996; Hansen und Seufert, 1999), stimmt nicht verwunderlich, wenn man bedenkt, dass entsprechend den hier diskutierten Kompensationsmöglichkeiten die in Zeit und Komponenten komplexeren, z. T. zu qualitativen Veränderungen im Metabolismus führenden Kompensationsmechanismen erst in Kraft treten, wenn die für die


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Pflanze leicht zu realisierenden, meist nur quantitative Veränderungen umfassenden Mechanismen (wie z. B. Kompensation über den overflow-Prozessanteil) ausgeschöpft sind.

Parallel zu den aufgeführten Regulationsmechanismen kann als zusätzlicher Adaptationsmechanismus, v. a. bei langzeitigen Stresseinflüssen, die Zeitspanne für den Ablauf der metabolischen Prozesse “vom Lichteinfang zum Wachstum“ verlängert werden. Dadurch können stark gestresste Pflanzen trotz ausgeschöpfter Kompensationskapazitäten am Ende ihrer Entwicklung den Kontrollpflanzen adäquate Produktivitäten und Erträge aufweisen. So ist bei durch Chlorophyll- bzw. Lichtmangel gestressten Pflanzen die Wachstumsdauer länger (Tab. 3, 4 und 15). Daher erklärt sich auch, warum zwischen den Wachstumsraten und der maximal gebildeten Blattfläche jeweils des source-Blattes bzw. der gesamten Pflanze noch eine zusätzliche Annäherung der Werte der Chlorophyll- und/oder Lichtmangel-Pflanzen an die der SNN-HL stattfindet (Tab. 17). Generell zeigte sich, dass die Entwicklung und das Wachstum von Pflanzen unter Schwachlichtbedingungen im Gegensatz zu Pflanzen, die unter normalem bzw. starkem Licht angezogen wurden, retardiert sind (Lichtenthaler et al., 1981; Sebaa et al., 1987). Ebenso ist die Entwicklung von Chloroplasten in chlorophylldefizienten Pflanzen langsamer als in den Wildtyppflanzen (Siffel et al., 1993).

Die hier diskutierten Kompensationsmechanismen lassen sich in dem in Abb. 38 dargestellten Schema zusammenfassen. Es zeigt sich, dass ein Stressfaktor je nach seinem Wirkungsort im pflanzlichen Metabolismus sowohl Energieüberschuss als auch -mangel bewirkt und damit feedback- und feedforward-Regulationen auslöst, die jedoch, wenn auch in entgegengesetzter Auslenkung, auf den gleichen Mechanismen beruhen. Da diese v. a. über den Energiehaushalt der Zelle realisiert werden, kommt der Stabilisierung des Gleichgewichtes im AdN- und PN-System eine zentrale Bedeutung zu (s. Kap. 4.2). Einem ausgewogenen Verhältnis der Energie- und Reduktionsequivalente unter verschiedenartigen Bedingungen wurde ebenso in den Literaturübersichten von Sharkey (1985), Raymond et al. (1987) sowie Foyer (1990) eine große Bedeutsamkeit beigemessen. So äußert sich eine Beeinträchtigung einer der Sequenzen der photosynthetischen Dunkelreaktion, die aufgrund der limitierten Nutzung von


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Abb. 38 Schema zur Auswirkung eines Stressors sowie Kompensationsmechanismen im pflanzlichen Metabolismus


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bereitgestellter Energie zu einem Energieüberschuss in den vorangegangenen Prozessen führt, primär in einer Akkumulation von ATP (Siedlecka et al., 1997). Die durch eine Reduzierung von endogenen (Ventil-) Prozessen bedingte Einsparung von Energie als Folge der Energielimitierung und nachfolgender feedforward-Regulation spiegelt sich in den leicht erhöhten Werten des zellulären EC und RC (Kap. 4.2) der Chlorophyll- und Lichtmangelvarianten im Vergleich zu den Kontrollpflanzen von Nicotiana tabacum wider. Letztendlich ergab sich daraus für den Metabolismus der gestressten Tabakpflanzen sogar noch eine Reserve für exergone Vorgänge. Die Optimierung von Prozessen, die dem Wachstum und dem Regenerationsvermögen der Pflanze dienen, und der hauptsächlich in diese Richtung gelenkte Fluss der Energie aus der Lichtreaktion der Photosynthese werden durch die steigenden reellen Quantenausbeuten (Tab. 8) mit sinkendem Chlorophyllgehalt und unter LL-Bedingungen belegt. Somit wurde in den am stärksten gestressten Pflanzen das absorbierte Licht effektiver für die CO2-Assimilation genutzt. Der reelle Quantenbedarf der CO2-Fixierung (d. h. der reziproke Wert der rellen Quantenausbeute; o. Abb.) wird von Krause (1988) mit mindestens 9.4 mol Photonen pro assimiliertes mol CO2 angegeben, die restlichen absorbierten Photonen dienen der Energieversorgung anderer Prozesse bzw. werden als überschüssig dissipiert. Das bedeutet, dass in den unter LL angezogenen chl-ärmsten Tabakpflanzen (#42-LL), die einen reellen Quantenbedarf von 9.5 aufwiesen (zum Vergleich: SNN-HL = 23.8, #42-HL = 13.9, SNN-LL = 18.2) der Bedarf an Quanten für die CO2-Assimilation aufgrund der vielfältigen Kompensationsprozesse gerade so gedeckt war. Anhand des in Abb. 38 dargestellten Regulationsschemas erklärt sich auch die Tatsache, dass unter verschiedenen Bedingungen sogar das Wachstum die Photosynthese steuert (Körner, 1997). Auch Veränderungen auf anatomischer und morphologischer Ebene wie Stomata-, Zell- und Chloroplastenanzahl etc. (Kap. 3.2.2), die unter Langzeiteinwirkung von Stressoren beobachtet werden, erscheinen vor dem Hintergrund der aufgeführten Kompensationsmechanismen folgerichtig. Dafür, dass abfließende Energie für Reparaturprozesse und Synthesen von schützenden Substanzen genutzt werden kann, existieren in der Literatur genügend Beispiele. So kann z. B. bei Energieüberschuss durch Starklicht oder Nährstoffmangel eine gesteigerte Anthocyanbildung eine übermäßige Lichtabsorption verhindern (Bolhár-Nordenkampf und Draxler, 1993; Eschrich, 1995; Heldt, 1996). Weiterhin ist bekannt, dass bei Schädlingsbefall innerhalb von kürzester Zeit die Synthese von Abwehrstoffen ausgelöst wird.


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Somit führt die Existenz von solchen anteiligen bzw. ganzen Ventilprozessen dazu, dass auf jeder Systemebene - auch unter “normalen“ Bedingungen - Energie in Regulations-, Kompensations- und Sekundärreaktionen abgeleitet bzw. dissipiert wird. Infolge dessen steht für die Biomasseakkumulation bei C3-Pflanzen weniger als 2 bis 4 % der auf die Blätter treffenden Gesamtstrahlung zur Verfügung (Hoffmann, 1985 und 1987; Lawlor, 1990).

Eines der charakteristischen Merkmale von lebenden Systemen bei der Reaktion auf die sie umgebenden Bedingungen ist, den Stoffwechsel ständig an die sich wechselnden Bedingungen zu adaptieren und damit letztendlich wieder auf ein steady state-Niveau zurückzuführen, d. h. die Erhaltung der Homöostase zu sichern. Bei Stressbedingungen, die bei Pflanzen einen verminderten Energiefluss verursachen, wie z. B. Licht- und Chlorophyll-Mangel, werden Kompensationsmechanismen wirksam, die die nachfolgenden Prozesse auf dem Weg von der Lichtenergie zum Wachstum optimieren (rechter Teil der Abb. 38). Diese Kompensationsmechanismen können erstens auf der Ebene innerhalb eines jeden Stoffwechselprozesses (overflow-Anteil), zweitens auf der Ebene von ganzen Prozessen oder Prozesskomplexen (Ventilprozesse) sowie drittens auf der Ebene des gesamten hierarchischen Systems (Verlängerung der Zeitspanne) in Aktion treten. Unter Überschuss von Energie führen selbige Systeme zu einer verstärkten Energiedissipation mit dem Ziel, Schädigungen des zellulären Systems zu minimieren oder gar zu verhindern (linker Teil der Abb. 38).


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