Dokument: Short- and long-term acclimation of plants to different growth light conditions

Titel:	Short- and long-term acclimation of plants to different growth light conditions
Weiterer Titel:	Kurz- und Langzeitakklimatisierung von Pflanzen an unterschiedliche Wachstums-Lichtbedingungen
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=37281
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20160223-135720-4
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Schumann, Tobias [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 6,51 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 23.02.2016 / geändert 23.02.2016
Beitragende:	Prof. Dr. Jahns, Peter [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Groth, Georg [Gutachter]
Stichwörter:	Photosynthesis, non-photochemical quenching, light acclimation, energy-spillover
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 580 Pflanzen (Botanik)
Beschreibungen:	Long- and short-term acclimation to varying environmental conditions is essential for the survivability of plants. Sunlight represents not only the ultimate energy source for photosynthesis, but also an important and highly dynamic stress factor. Under most natural conditions, the amount of absorbed light energy exceeds the capacity that can be utilized in photosynthesis, giving rise to the formation of reactive oxygen species and thus photo-oxidative stress. The dissipation of excess light energy as heat (= non-photochemical quenching, NPQ) in the antenna of photosystem II (PSII) is an efficient photoprotective mechanisms to minimize photo-oxidative damage. The NPQ capacity of plants varies substantially in response to different growth light conditions. In this work, the acclimation of plants to different growth light conditions was studied from the morphological to the molecular level, aiming at the identification of parameters or mechanisms that determine different NPQ capacities. The experimental work was focused on the comparative analysis of plants grown either under controlled lab conditions (LL: low light, NL: normal light, and HL: high light) or under natural, fluctuating light (NatL). In the evergreen plant Monstera deliciosa, which is known to develop an extremely high NPQ capacity under HL, a new and very efficient quenching mechanism was identified, which was based on energy transfer from PSII to PSI, and thus was termed energy spillover quenching (qSO). Spillover quenching was only activated in Monstera plants acclimated to natural HL conditions, but not in LL grown Monstera plants. Activation of qSO was accompanied by highly dynamic changes in the thylakoid membrane structure, indicating that qSO activation requires light-dependent unstacking of grana membranes. Acclimation of Arabidopsis thaliana plants to HL and NatL was also accompanied by a strongly increased NPQ capacity in comparison to LL and NL grown plants. Interestingly, the increased NPQ capacity was also based on qSO quenching in HL plants, but not in NatL grown plants, which showed an increased capacity of pH-regulated qE quenching. Detailed characterization of plants from different growth conditions corroborated the known morphological, physiological and biochemical properties of LL, NL and HL plants. NatL plants, however, were shown to combine properties of both LL and HL grown plants, leading to very efficient light utilization. Strikingly, the high qE capacity of NatL plants, correlated with increased dynamics of thylakoid membrane reorganization upon short-term acclimation to excess light. In conclusion, the thylakoid membrane organization and particularly the light-dependent and reversible unstacking of grana membranes likely represent the key parameters that provide the basis for the high acclimation capacity to rapidly changing LL and HL conditions of NatL grown plants in comparison to plants grown under constant light conditions. Die kurz- und langfristige Anpassung an variable Umweltbedingungen ist essentiell für die Überlebensfähigkeit von Pflanzen. Sonnenlicht ist nicht nur die unverzichtbare Energiequelle für die Photosynthese, sondern stellt gleichzeitig einen wichtigen und sehr dynamischen Stressfaktor dar. Unter den meisten natürlichen Bedingungen übersteigt die Menge an absorbierter Lichtenergie die Kapazität der Nutzbarkeit in der Photosysnthese, was zur Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies und damit zu photo-oxidativem Stress führt. Die Abführung der überschüssigen Lichtenergie in Form von Wärme (= nicht-photochemische Löschung, NPQ) in den Antennen von Photosystem II (PSII) ist ein effizienter photprotektiver Mechanismus, um photo-oxidative Schädigungen zu minimieren. Die NPQ Kapazität von Pflanzen variiert erheblich in Abhängigkeit von der Lichtintensität während des Wachstums. In der vorliegenden Arbeit wurde die Anpassung von Pflanzen an verschiedene Lichtintensitäten von der morphologischen bis zur molekularen Ebene untersucht, mit dem Ziel, diejenigen Parameter bzw. Mechanismen zu identifizieren, welche die unterschiedlichen NPQ Kapazitäten bestimmen. Die Untersuchungen zielten auf die vergleichende Analyse von Pflanzen, die unter kontrollierten Laborbedingungen (LL: Schwachlicht, NL: Normallicht, HL: Starklicht) oder unter natürlichen, fluktuierenden Lichtbedingungen (NatL) gewachsen waren. In der immergrünen Pflanze Monstera deliciosa, die dafür bekannt ist unter HL Bedingungen eine ausgesprochen hohe NPQ Kapazität auszubilden, wurde ein neuartiger und sehr effizienter NPQ-Mechanismus identifiziert, der auf dem Energietransfer von PSII zu PSI beruhte und daher als ‚spillover quenching‘ (qSO) bezeichnet wurde. Spillover quenching wurde nur in Monstera Pflanzen aktiviert, die an natürliche HL Bedingungen angepasst waren, nicht jedoch in LL gewachsenen Pflanzen. Die Aktivierung von qSO ging einher mit hoch-dynamischen Änderungen in der Struktur der Thylakoidmembranen, was dafür spricht, dass die Aktivierung von qSO einer Licht-regulierten Entstapelung der Thylakoidmembran bedarf. Auch die Anpassung von Arabidopsis thaliana Pflanzen an HL und NatL ging mit einer stark erhöhten NPQ Kapazität gegenüber LL und NL Pflanzen einher. Interessanterweise beruhte die erhöhte NPQ Kapazität in HL Pflanzen auch auf dem qSO Mechnismus, jedoch war in NatL Pflanzen eine erhöhte Kapazität des pH-regulierten qE Mechanismus dafür verantwortlich. Die detaillierte Charakterisierung der Pflanzen, die unter unterschiedlichen Lichtbedingungen gewachsen waren, bestätigte die bekannten morphologischen, physiologischen und biochemischen Eigenschaften von LL, NL und HL Pflanzen. NatL Pflanzen waren dabei durch kombinierte Eigenschaften von LL und HL Pflanzen charakterisiert, die eine sehr effiziente Lichtnutzung in NatL Pflanzen ermöglichten. Interessanter Weise korrelierte die hohe qE Kapazität von NatL Pflanzen mit einer erhöhten Dynamik der Thylakoidmembran in der kurzfristigen Antwort auf überschüssiges Lichtenergie. Zusammengefasst lässt sich sagen, dass die Organisation der Thylakoidmembran und insbesondere die lichtregulierte, reversible Entstapelung der Granamembranen wahrscheinlich die Schlüsselparameter sind, welche die Grundlage für die hohe Kapazität der Anpassung an schnell wechselnde LL und HL Bedingungen von NatL Pflanzen im Vergleich mit Pflanzen, die unter Laborbedingungen angezogen wurden, bilden.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	23.02.2016
Dateien geändert am:	23.02.2016
Promotionsantrag am:	15.12.2015
Datum der Promotion:	17.02.2016