Exzitonische Wechselwirkungen zwischen Lichtsammelpigmenten als Beitrag zur Photoprotektion in Pflanzen

Bode, Stefan

Pflanzen sind im Laufe eines Tages starken Helligkeitsschwankungen ausgesetzt, die ein Umschalten des Photosyntheseapparates erforderlich machen. Bei niedrigen Lichtintensitäten müssen die Pflanzen möglichst viel Energie sammeln und dem Photosyntheseprozess zuführen. Bei hoher Lichteinstrahlung müssen sie sich jedoch an die veränderten Bedingungen anpassen und für eine Umwandlung von überschüssiger Energie in Wärme sorgen, um eine Beschädigung des Photosyntheseapparates zu verhindern. Dieses Abfangen überschüssiger Energie durch den Photosyntheseapparat der Pflanzen wird auch als non-photochemical quenching (NPQ) bezeichnet. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die NPQ-Mechanismen mittels selektiver Zwei-Photonen-Anregung der dunklen Carotinoid-Zustände in den Lichtsammelantennen LHCII, CP24, CP26 und CP29 sowie in verschiedenen Mutanten der Pflanze Arabidopsis thaliana untersucht. Es konnten Hinweise darauf gefunden werden, dass es in mit dem Carotinoid Zeaxanthin angereichertem LHCII bei niedrigem pH-Wert zur Ausbildung von Wechselwirkungen zwischen Chlorophyll und Carotinoid kommt, wodurch niedrigliegende exzitonische Zustände gebildet werden. Des Weiteren konnte ein Anstieg dieser Wechselwirkungen auch in Mutanten von Arabidopsis thaliana während der Lichtanpassung festgestellt werden. Die Wechselwirkungen waren dabei vom Vorhandensein von Zeaxanthin und des Proteins PsbS in den Mutanten abhängig. Es scheint, dass sich Pflanzen über die Ausbildung von exzitonischen Wechselwirkungen zwischen Carotinoid und Chlorophyll vor hohen Lichtintensitäten schützen. Die niedrig liegenden Zustände würden als Quenching-Zentren wirken und die überschüssige Energie in Wärme umwandeln können. PsbS nimmt bei dieser Ausbildung der Wechselwirkung in vivo eine sehr wichtige Rolle ein und auch Zeaxanthin scheint einen wichtigen Beitrag zu leisten. Diese Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt zum vollständigen Verständnis der Prozesse der Photosynthese.

Plants are exposed to extreme changing light conditions during a typical day which makes a switch of the photosynthetic apparatus necessary. At low light intensities plants have to collect as much energy as possible for the photosynthetic processes. At high light intensities they have to adapt to these new conditions and transform all excessive energy into heat in order to prevent damage of the photosynthetic apparatus. This quenching of excessive energy by the photosynthetic apparatus of plants is called non-photochemical quenching (NPQ). In this work these NPQ mechanisms were analyzed by selective two-photon excitation of the dark carotoniod states in the light harvesting complexes LHCII, CP24, CP26 and CP29 and in several mutants of the plant Arabidopsis thaliana. Indication was found that in LHCII enriched with the carotinoid zeaxanthin interactions between chlorophyll and carotenoid are formed at low pH resulting in low-lying excitonic states. Additionally, an increase of these interactions was observed in mutants of Arabidopsis thaliana during high light adaptation. The interactions were dependent on the existence of zeaxanthin and the Protein PsbS. It seems that plants are forming the excitonic interactions between carotenoid and chlorophyll to protect themselves from high light intensities. The low lying states would act as quenching centres and dissipate excessive energy into heat. PsbS is playing a key role for the formation of the interactions in vivo and Zeaxanthin seems to be important, too. These results are an important step to the complete understanding of the processes of photosynthesis.

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Bode, Stefan: Exzitonische Wechselwirkungen zwischen Lichtsammelpigmenten als Beitrag zur Photoprotektion in Pflanzen. 2009.

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