Anpassung von Tabakpflanzen (Nicotiana tabacum L.) an Licht- und Chlorophyllmangel
Creators: name: Pörs, Yvonne
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
Year: 1999
Subjects: subject: Wachstum
subject: Photosynthese
subject: CO2-Gaswechsel
subject: Energieequivalente
subject: growth
subject: Photosynthesis
subject: CO2 gas exchange
subject: energy equivalents
subject: 580 Pflanzen (Botanik)
subject: 32 Biologie
subject: WN 1950
subject: WN 3100
subject: WN 5450

description: In Pflanzen spielen Anpassungsprozesse als Reaktion auf die Umwelt eine zentrale Rolle, so z. B. auf der Ebene der Photosynthese und des Wachstums. Einer der wichtigsten Faktoren, die das Wachstumsverhalten beeinflussen, ist die Lichtverfügbarkeit und -verwertung. In vorliegender Arbeit galt es, die Auswirkung von Licht- und Chlorophyll (Chl)-Mangel auf verschiedene pflanzliche Prozesse zu untersuchen. Dabei standen folgende Fragen im Mittelpunkt: (1) Welche Konsequenzen haben ein reduziertes Anzuchtlichtangebot sowie eine limitierte Chl-Biosynthese für Photosynthese, Wachstum und Entwicklung von Tabakpflanzen? (2) Welche Bedeutung kommt dabei dem Energiestoffwechsel zu? (3) Welche regulativen Prozesse und Mechanismen spielen hierbei eine Rolle? Dazu wurden untransformierte Pflanzen von Tabak (Nicotiana tabacum L.) sowie 3 transgene Linien mit einem antisense-Konstrukt von Glutamat-1-Semialdehyd- Aminotransferase, einem Enzym der Chl-Biosynthese, entweder unter 300 oder 30 µmol Quanten m-2 s-1 photosynthetisch aktiver Strahlung angezogen. Es erfolgten Messungen zur morphometrischen Charakterisierung der Pflanzen, zur Lichtabsorption und zum CO2-/H2O-Gaswechsel der Blätter sowie Bestimmungen der Blattgehalte an Chl, Stärke, Zuckern, Kohlen- und Stickstoff sowie löslichem Protein, desweiteren der Mengen an Adenylaten und Pyridinnucleotiden sowie der NADP+-MDH-Aktivität. Ausserdem wurden licht- und elektronenmikroskopische Untersuchungen von Blättern und Chloroplasten durchgeführt. (1) Lichtmangel während der Anzucht sowie eine eingeschränkte Chl-Bildung hatten ein verringertes Absorptionsvermögen der Blätter zur Folge, was zur Reduzierung von Elektronentransport-, CO2-Aufnahme-, Photorespirations- und Dunkelatmungsraten führte. Dementsprechend zeigten diese Pflanzen eine verringerte Biomassebildung und -akkumulation und letztendlich eine Einschränkung von Wachstums- und Entwicklungsprozessen. (2) Die Ergebnisse zum Energie- und Reduktionsstatus zeigten, dass eine verminderte Bereitstellung von ATP und NADPH+H+ infolge des verringerten Absorptionsvermögens nicht vordergründig für die verringerten Stoffwechsel- und Wachstumsraten in den Licht- und Chl-Mangelpflanzen verantwortlich war. Vielmehr ergab sich dadurch langfristig via feedforward-Kontrolle eine down-Regulation von Energie-und Reduktionsequivalente-verbrauchenden Prozessen, um letztendlich ein energetisches Gleichgewicht zu sichern. (3) Eine ständige Anpassung an die vorherrschenden Anzuchtbedingungen und damit die langfristige Erhaltung der Homöostase ist grundlegende Überlebensstrategie der Pflanzen. Unter Bedingungen, die einen Energiemangel zur Folge haben - wie z. B. Licht- und Chl-Mangel -, treten regulative und kompensatorische Prozesse in Kraft, die die Wirkung des limitierenden Faktors auf die pflanzlichen Proz esse mit steigender Hierarchieebene abschwächen und somit der Optimierung des Energie- und Substratflusses in Richtung Wachstum, Entwicklung und Reproduktion dienen. Im Zusammenhang damit werden mögliche wirkende Kompensationsmechanismen diskutiert und unter anderem ein sogenanntes overflow-Modell vorgestellt.
description: In plants acclimation processes occur in response to changes of environmental factors e. g. at the level of photosynthesi s and growth. One of the most important factors affecting growth pattern of plants is the light availability and light utilization. The aim of the present work was to determine the effects of light and chlorophyll (chl) deficiency on several plant processes. The questions were: (1) What are the consequences of a reduced supply of growth light and a limited chl biosynthesis for photosynthesis, growth and development of tobacco plants? (2) What is thereby the significance of the energy and redox equivalents? (3) What kind of regulatory processes and mechanisms can be involved? Untransformed plants of tobacco (Nicotiana tabacum L.) and 3 transgenic lines with an antisense construct for glutamate-1-semialdehyde aminotransferase, an enzyme of the chl biosynthesis pathway, were grown under 300 or 30 µmol quants m-2 s-1 of photosynthetic active radiation. The following methods were applied: morphometry, light microscopy of leaf section and electron microscopy of chloroplasts, measurements of CO2/H2O gas exchange and light absorption, determinations of leaf contents of chl, adenylates, pyridine nucleotides, carbon, nitrogen, sugars, starch, soluble proteins and of NADP+ malate dehydrogenase activity. (1) Light deficiency during the growth and also a limited formation of chl led to a decreased leaf absorptance and further to a reduction of the rates of electron transport, CO2 assimilation, photorespiration and mitochondrial dark respiration. In this context these plants showed a decreased starch content and biomass accumulation and a reduction of growth rates and final growth data. (2) A reduced supply of ATP and NADPH+H+ due to the decreased photon absorption was not only directly responsible for the reduced metabolic and growth rates obtained in the deficient plants. In addition it resulted via feedforward control in a longterm down regulation of pro cesses consuming energy and redox equivalents. This led to the maintenance of the balance of energy and reduction states. (3) The basic survival strategy of plants is a permanent acclimation to the present growth conditions by which the homoeostasis is maintained. Under stress conditions leading to an energy shortage - like light and chl deficiency - regulating and compensating processes occur. These are responsible for the finding that the impact of the reduced energy supply is less pronounced at the level of growth compared to the level of photosynthesis. In general, the extent to which the rates were reduced decreased with increasing level of hierarchy. This resulted in an optimal flow of energy and substrates in direction of growth, development and reproduction. In this context several compensating mechanisms are discussed, e. g. an overflow model is proposed.