Planta (Berl.) 84, 141--157 (1969)

Eine wellenl/ingenabMngige Atmungssteigerung w/ihrend der Photosynthese yon Chlordla UTE KOWALLIK a n d WOLFGANG KOWALLIK Botanisches Institut der Universit~t KSln Eingegangen am 2. August 1968

Enhancement o/Respiration by Light in Photosynthesizing Chlorella and its Dependence on the Wavelength o] Light Summary. During 20 min of photosynthesis in red light (,~ 680 nm) the rate of O2-production of Chlordla remains constant; in blue light (~ 455 nm), however, it decreases within 5--10 min from the initially high rate to a stable lower rate (Fig. l a and b). Two action spectra (measured at non-compensating intensity) of photosynthetic 02-production, one determined for the beginning (0.--5. m i n - "early"), the other for the end (15.--20. r a i n = "late") of this light period are, therefore, congruent in the red and divergent in the blue part of the visible spectrum (Fig. 6a). The difference between both spectra - - expressed in terms of the ratio of " l a t e " to " e a r l y " 02-production (lie X 100; or S/F • 100 in Fig. 6a) - - is most pronounced around ~ 460 nm, smaller in near ultraviolet and green light and nonexistent in orange, red, and far red (Fig. 6b). This spectral dependence of the decline in 02-liberation during photosynthesis with different wavelengths resembles the action spectrum for an enhancement of endogenous respiration by light of an achlorophyllous, yellow Chlorella mutant (KOWALLIK, 1967) (Fig. 9 upper), a fact which led us to examine the following dark respiration. The latter is enhanced after exposure to all wavelengths tested; after red light it is enhanced for only a few minutes, probably because of rapid decomposition of intermediates of photosynthesis. After blue light, however, the initial enhancement decreases only slowly, a fact which indicates an additional long lasting, specific effect of blue light (Fig. 3). An approximative action spectrum for this long lasting enhancement of respiration after photosynthesis - - determined with the O,-consumption following 2z as per cent of that after )lSS0nm - - also shows one high peak around ~ 460 nm, rather steep slopes to the short and the long wave sides and no effect of red light (Fig. 5 ; compare Fig. 9, lower). - - Calculation of "late" photosynthetic 02-production using the following instead of the preceding dark-0e-uptake yields an action spectrum which does not deviate any more from the one of " e a r l y " 02-production, calculated with the preceding dark-O2-uptake (Fig. 7). In DCM-tJ-poisoned Chlorella the 02-uptake is strongly enhanced in blue but not in red light (Fig. 2). Glucose-fed algae in which respiration can no longer be l i g h t - s t i m u l a t e d (KoWALLIK, 1966) do not show any decrease in the rate of 03production in blue light (Fig. 8). The course of COs-exchange in blue and red light resembles that of 02-exchange. We feel that these results indicate a wavelength dependent enhancement of respiration in photosynthesizing Chlorella.

142

U. KOWALLIKund W. KOWALLIX:

In den letzten Jahren haben wir bei nieht photosynthesetreibenden Algen eine blaulichtbedingte Atmungssteigerung nachgewiesen (KowALLIK and GAFF~ON, 1966), und zwar sowohl bei einer chlorophyllfreien, carotinoidhaltigen Mutante, als auch bei DCMU-vergifteten ( = Dichlorphenyldimethylharnstoff) Stgmmen grfiner Chlorococcalen (KowALLII~, 1966). Die vorliegende Arbeit sollte AufschluB darfiber geben, ob ein derartiger Liehteinflug auf die Atmung auch w/ihrend ablaufender Photosynthese vorliegt. Das Problem der ,,Lichtatmung" ist alt und immer wieder bearbeitet worden (/~ltere Literatur s. ROSENSTOCK und RIND, 1960), kann aber trotzdem noch keineswegs als gelSst betraehtet werden. Denn selbst naeh den neueren Befunden, oft im l~ahmen yon Photosynthesemessungen angefallen (z.B. EM~RSO~ and L~WlS, 1943; ~BI~ACKETTet al., 1953; BLINKS, 1959; s. aueh RIED, 1968), daneben aber aueh unter Einsatz yon schwerem Sauerstoff mit grol3em Aufwand gezielt erarbeitet (BRowN, 1953; BROWN and WERST~R, 1953; BROWN and W]~IS, 1959; WEIS and BROW~, 1959), bleibt die alte Uneinheitliehkeit der Aussage, dal~ die pflanzliche Atmung im Licht gefSrdert oder gehemmt sein kann, bestehen. Ledig]ich hinsiehtlich einer indirekten Wirkung fiber die Photosynthese besteht weitgehende ]~bereinstimmung. Unter den vielen um den Naehweis eines direkten Effekts sichtbarer Strahlung auf die Atmung bemfihten Arbeiten gibt es einige, die eine unterschiedliehe Wirkung verschiedener Spektralbereiehe behandeln. Dazu gehSren besonders die im Zusammenhang mit Versuchen zur photosynthetisehen Quantenausbeute bei Chlorella gewonnenen Daten yon EMERSON and Lv.wls (1943), aufgrund derer die Autoren die MSglichkeit einer spezifiseh blauliehtbedingten Atmungssteigerung diskutieren. Sie haben dies Problem im einzelnen aber nie weiter verfolgt. Eine/ihnliehe Liehtwirkung vermuten in jtingerer Zeit auch l~iv,I) (1965) und PICI~ETT and FRENCI~ (1967), die sie jedoeh im wesentliehen aus einer nach kurzfristiger Photosynthese im Blau auftretenden ErhShung der Dunkel-O2-Aufnahme herleiten. Die vorliegenden Daten best/~tigen nach unserer Meinung diese letztgenannten Annahmen, belegen also das Auftreten einer blauliehtspezifischen Atmungssteigerung in photosynthesetreibenden Chlorellen. Material und Methodik

A1s Versuchsobjekt diente Chlorella pyrenoidosa, Stature 211-8b der Algensammlung des Pflanzenphysiologischen Instituts GSttingen. Die Algen wurden bei 27~ im ,,Weii31icht" yon 6000 Lux --unterbrochen yon unregelm~l~igen Dunkelloerioden - - unter Luft + 2 Vol.-%CO2-Begasung in Fliissigkeitskultur herangezogen. Zusammensetzung der anorganischen N~hrlSsung und verwendeter Lichtthermostat sind bei KOWALLIK(1962) bzw. KVI~Land LOI~E~ZE~(1964) beschrieben.

Wellenlgngenabh~ngigeAtmungssteigerung voa Chlorella

143

Proben der asynchronen Kulturen wurden dreimal mit HeO auf der Zentrifuge gewasehen, ansehlieBend in 0,i M Phosphatpuffer yore pit 7,95 suspendiert und bei 800 nm auf eine optisehe Diehte von E = 1,9--2,0 eingestellt. Dabei enth~lt ein Milliliter Suspension etwa 5 x 10a Zellen (Thoma-Z~hlkammer). Um die Einzelversuehe mit m6gliehst einheitlieher und konstanter Atmungsrate zu beginnen, wurden die so vorbehandelten Algen fiber Naeht (e~. 16 Std) unter Luftbegasung bei 26~ im Dunkeln gehalten. Das damit verbundene Aushungern ist keine fiir das Auftreten der spgter zu besehreibenden Effekte notwendige Voraussetzung. Der Q-Gasweehsel der Zellsuspensionen wurde polarographiseh (Gold-SilberElektrode, Beckman 39065) erfagt und die Ver~nderungen mittels eines SargentSehreibers (Modell StY) registriert. Die Elektrode ragte in ein die Algensuspension enthaltendes, luftdieht versehlossenes, kubisehes PlexiglasgefgB mit 2,5 em Seitenlgnge, das zur Gewghrleistung der Temperaturkonstanz in eine grSBere, an einen Thermost~ten mit Umwiilzpumpe angesehlossene Plexiglaseuvette eingeklebt war. Fiir die notwendige Durehmisehung der Algensuspension sorgte ein Magnetriihrer. Weitere teehnisehe Einzelheiten sind bei KOWALLIK(1967) erl~utert. Als Liehtquelle verwendeten wit eine Xenon-Lampe (Osram XBO 150 W/l), aus deren Strahlung mittels Interferenzfiltern (Interferenz-Linienfilter, Sehott & Gen. Mainz) mit Halbwertsbreiten (--HB) yon 7,5--16 nm monoehromatisehes Lieht gefiltert wurde. Die BestraMungsstgrke am Ortder Versuehscuvette wurde dureh Vergndern des Lampenabstandes auf gleiehe Quantenstromdiehte eingestellt. Als Basis wghlten wit 1491 erg em-2 see 1 bei 20455 nm, so dab im untersuehten Wellenl~ngenbereieh yon )~369--7r nm 1838--914 erg em-2 see-1 eingestrahlt wurden. Zur Energiemessung dienten Thermos~ule (TypCA 1) und Galvanometer (Typ Mierova AL 4) yon Kipp und Zonen, Delft, Holland. Da die verfiigbare Thermosgule nieht im VersuehsgefS~B plaziert werden konnte, wurde der fiir die einzelnen WellenlEngenbereiehe untersehiedliehen Absorption des Plexiglases dieses Gef~Bes dutch Vorsehalten einer Modell-Plexiglaseuvette mit gleieher Wand- und WassersehiehtstErke Reehnung getragen. Die Kinetik des O~-Gasweehsels im Laufe der 20miniitigen Dunkel- oder Liehtzeit wurde in 2,5 bzw. 5 min-Intervalle aufgesehl/isselt. Dabei entsprieht i relative Einheit 0,159 y.I 02. Den Megpunkten der Aktionsspektren liegen jeweils mindestens 6 Einzelmessungen zugrunde. Die Bereehnung des mittleren Fehlers erfolgte naeh PXTAC (1943) :

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Die Art der Darstellung der einzelnen Spektren ist an Oft und Stelle erlButert.

Ergebnisse I m R o t l i e h t y o n 2 661 n m (ttB = 14 nm) ist die p h o t o s y n t h e t i s c h e 0 2 - P r o d u k t i o n einer Chlorella-Suspension in 0,1 M Phosphatpuffer fiber die Megzeit v o n 20 m i n nach kurzer Anlaufzeit k o n s t a n t . Aus der L i t e r a t u r b e k a n n t e , i n n e r h a l b der ersten L i c h t m i n u t e ablaufende feinere I n d u k t i o n s e r s c h e i n u n g e n (VAn DER VEE~-, 1960) sind bei den gew~hlten B e d i n g u n g e n m i t der b e n u t z t e n Mel3methode n i c h t auswertbar. I n etwa q u a n t e n g l e i c h e m Blaulicht der Wellenls 455nm (HB=15nm)

144

U. KOWALLIKund W. KOWALLIK:

dagegen tritt nur zu Beginn der Belichtung eine vergleichbar hohe 0 2Freisetzung auf ; sie wird im Laufe der anschliel~enden 10 min zunehmend kleiner. Abb. l a zeigt die registrierten Originalkurven (s. Methodik), Abb. 1 b die zugeh6rigen Raten, also den O2-Gasweehsel pro Zeiteinheit ( = 5 rain) fiir diesen Versuch. Die letzte Art der Darstellung veranschaulieht besonders fibersiehtlich, dal~ die apparente Photosynthese im g o t innerhalb yon 5 min eine bis zum Ende der Mel~zeit konstant bleibende A55

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Abb. i s u. b. Veriinderung im 02-Gehalt einer Chlorella-Suspension (211-8b) im Dunkeln sowie im Blau- (2455 nm) oder Rotlicht (2661 nm) (Polarographie; 1 relative Einheit = 0,159 ~l 02). a Registrierte Originalkurven, b zugeh6rige Raten (pro 5 rain). 0,1 M Phosphatpuffer pH 7,95; 25,9~ Rate erreicht, dab diejenige im Blau dagegen nur in den ersten 5 Lichtminuten vergleiehbar grol~ ist, danach laufend abfgllt und erst mit etwa der 15. Minute konstant bleibt. Wir haben die Kinetik der anfgnglichen Os-Produktion genauer zu effassen versucht, kommen jedoch fiber eine Unterteilung in 2,5 min-Intervalle nicht hinaus. Damit nehmen wir zu Beginn der Lich~zeit wahrscheinlich eine Vereinfachung in Kauf; diese erscheint uns fiir die augenblickliche Frageste]lung jedoch erlsubt. Die im Blau auftretende Verringerung in der O2-Freisetzung kann sowohl yon einer allmghliehen Beeintrgchtigung der Photosynthese herrfihren, als auch auf einer Zunahme der gleiehzeitigen respiratorischen O=-Aufnahme beruhen. Zwei Beobachtungen sprechen f6r letzteres, weshalb wir dieser M6glichkeit nachgegangen sind. Einmal ist bei DCMU-vergifteter Photosynthese unter sonst unvergnderten Versuchsbedingungen die O=-Aufnahme im Blau (~ 455 rim) gegeniiber derjenigen

Wellenl~ngenabh~ngige Atmungssteigerung yon Chlorella

145

in vorangehender Dunkelheit deutlich erh6ht, im quantengleichen Rotlicht (~ 661 nm) dagegen nicht. Hier ist sie im Gegenteil geringftigig erniedrigt (Abb. 2). Ob le~zteres anf einer schwachen Atmungshemmung (vgl. dazu KOK, 1949, 1951) oder auf nicht komplett zu unterbindender Photosynthese beruht, bleibt zu untersuchen. Und zum andern gleicht die Zeit, die bis zu konstanter 02-ProdukNon im Blau verstreicht, mit fund 10 min der Induktionszeit Ifir die konstant erh6hte Atmung einer chlorophyllfreien, carotinoidhaltigen Chlorella-Mutante im Blaulicht (KowALLIK, 1966).

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Abb. 2. 02-Verbrauch yon Chlorella pyrenoidosa (211-8b) im Rot- (~ 661 nm) oder Blaulicht (Z 455 nm) sowie in vorangehender und folgender Dunkelheit bei gehemmter Photosynthese. 0,1 M Phosphatpuffer ~- 10-5 M DCMU pH 7,95; 26,0~ Polarographie, 1 rel. Einheit = 0,159 V102 Das direkte Erfassen der Atmung wghrend der Belichtung ist unter den gegebenen Bedingungen nicht mSglich. Aus Versuchen mit der eben genannten gelben Mutante ist aber bekannt, da6 deren lichtbedingte Atmungssteigerung im anschliel~enden Dunkel nur allmghlich abklingt, also auch nach Abschalten des Lichts noch fagbar ist. Wir haben deshalb zungchst die O2-Aufnahme im Anschlug an die Belichtung verfolgt: Sie ist im Vergleich zum Dunkel-O2-Verbrauch vor der Lichtzeit sowohl nach Rot als auch nach Blau deutlich erhSht, nach letzterem meist stgrker. Wghrend sie nach Rot aber rasch wieder abfgllt, wird sie nach Blau nur allmghlich geringer (Abb. 3). Ersteres ist eine schon oft beobachtete Erscheinung, die mit der raschen Veratmung unmittelbar nach dem Abschalten des Lichts vorliegender Photosynthese-Zwischenprodukte erklgrt werden kann (Zusammenfassung s. EGL~, 1960), letzteres jedoch lgl3t einen zusgtzlichen, spezifischen Blaulichteffekt erkennen (vgl. EM~l~SOl~ and LEwis, 1943 ; RIND, 1968). Differenzierte Ubergangsph&nomene, wie sie von RIED (1968) fiir die ersten Dunkelminuten nach 10

P l a n t a (Berl.), Bd. 84

146

U. KOWALLIKund W. KOWALLIK:

Belichtung beschrieben worden sind, treten mit unserer ~ e t h o d e nieht in Erscheinung. Wir haben im folgenden ftir diese spezielle, nicht photosynthesebedingte W i r k u n g y o n sichtbarer Strahlung auf den 02-Verbrauch im ansehlieBenden Dunkel eine genauere We]lenliingenabh~ngigkeit bestimmt. Dazu waren zun/~ehst einige Vorversuche notwendig: A. Die Messungen sollten bei gleicher Quantenstromdichte durehgeftihrt werden, weshalb wir aus technisehen Grtinden jetzt mit nicht

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Abb. 3a u. b. Vergnderung im 02-Gehalt einer Chlorella.Suspension (211-8b) im Blau- (~ 455 nm) oder Rotlicht (~ 661 nm) sowie in vorangehender und folgender Dunkelheit. a N~ch registrierten Originalkurven, b zugehSrige Raten (pro 5 rain). Die gestrichelte Linie gibt den angenommenen Verlauf der Grund-Dunkelatmung wieder. Polarographie, 1 rel. Einheit -- 0,159 ~1 02; 0,1 ~[ Phosphatpuffer pH 7,95; 25,8~ zur K o m p e n s a t i o n ausreichenden Intensitgten (1838--914 erg cm -e sec -1) arbeiten muBten. Der Test ergab, dab dabei d~s unterschiedliche Verhalten des O~-Gaswechsels w~hrend und nach Blau- oder Rotbelichtung in grundsgtzlieh gleieher Weise auftritt (vgl. Abb. 1 und 3 mit Abb. 4). B. Als Mu8 fiir die E x t r a - A t m u n g sollte das prozentua]e Vielfache der 02-Aufnahme nach 2x yon demjenigen nach ~Gs0nm (~x/26s0 • ]00), beide bestimmt ~ls mittlere 5 min-Rate der gesamten 20min/itigen Dunkelzeit, dienen, weil damit nicht nur die photosynthesebedingte, kurzfristige Atmungsspitze nach Absehalten des Liehts n~herungsweise eliminiert (vg]. S. 153), sondern aueh ein Vergleieh yon P~r~lle]messungen mSglich ist. Deshalb durchlief eine Algenprobe das P r o g r a m m : Dunkel (20 rain)--~ ~0so..... (20 rain)--~ Dunkel (20 rain)---~ ~x (20 min)---> Dunke] (20 rain). Selbstverst/~ndlieh war zu priifen, ob das zur Diskussion

Wellenl~ingenabh~ngige Atmungssteigerung yon Chlorella

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Abb. 4. Vergnderung im O2-Gehalt (5 min-Raten) einer Chlorella-Suspension (211-8b) im Dunkeln und im Rot- (~ 680nm) (oben) bzw. Blaulicht (~ 455 nm) (unten) nach vorangegangener Blau- (~ 440 nm), Grfin- (~ 555 nm) oder Rotlichtzeit (Z 680 nm). Polarographie, 1 rel. Einheit = 0,159 F1 02; 0,1 M Phosphatpuffer pH 7,95; 26,0~

stehende unterschiedliche V e r h a l t e n der 02-Freisetzung i m B l a u u n d R o t d u r c h v o r a n g e h e n d e s L i c h t y o n ~ 680 n m beeinflu$t wird. Das ist n i c h t der F a l l : E b e n s o wie nach D u n k e l h e i t wird auch nach Blau, Grtin, Gelb, H e l l r o t u n d D u n k e l r o t i m folgenden R o t sofort, im Blau dagegen erst i m Laufe y o n 5 - - 1 0 rain eine k o n s t a n t e R a t e eingestellt, wie Abb. 4 ffir drei Wellenl/~ngen belegt. Es sei in diesem Zusammenhang erw~hnt, dug auch bei gleichzeitig gebo~enem Hintergrundlicht ~r ~ 440 oder 66] nm die unterschiedliche Wirkung von Blauoder Rotlicht nicht verschwindet. 10"

148

U. KOWAImlKund W. KOWALLIK:

Das Wirkungsspektrum fiir den nieht photosynthesebedingten Antell des erh6hten O~-Verbrauehs nach Belichtung ist in Abb. 5 wiedergegeben. Danach wird diese Atmungssteigerung besonders yon Licht um 460 nm hervorgerufen. Kurzwelliges und grtines Lieht sind weniger wirksam, und naeh gelber, roter und dunkelroter Bestrahlung l~Bt sieh keine zus/ttzlich fiber die naeh Photosynthese mit 2 680 nm hinausgehende O~-Aufnahme naehweisen. u2 uo

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Abb. 5. Wirkungsspektrum far eine Photosynthese-unsbh~ngige SteJgerung der Dunkel-O2-Aufnahme von ChloreUa pyrenoidosa (211-8b) nach Photosynthese im Licht verschiedener Wellenl~Lngen,ausgedriickt in Prozent des 02-Verbrauchs derselben Probe naeh ~680nm (s. Text). Polarographie; 0,1 M Phosphatpuffer pH 7,95; 26~

Das Spektrum gleicht auffallend der Wellenl~ngenabh~tngigkeit der lichtbedingten Atmungsf6rderung der erw~hnten chlorophyllfreien, carotinoidhaltigen Chlorella-Mutante, die wir ktirzlich beschrieben haben (KowALLn% 1967) (S. Abb. 9). Auch dabei erwies sich die Strahlung um 2 460 nm maximal, kiirzerwelliges Blau und Griin weniger wirksam; gelbes, hellrotes und dunkelrotes Licht steigerten die endogene Atmnng nicht. Lediglich im nahen UV um Z 375 nm weichen beide Spektren voneinander ab; hier liegt nur ffir die Atmungssteigerung der Mutante ein weiteres, kMnes Maximum vor. Dieser Unterschied kann jedoch rein methodisch bedingt sein (s. S. 153). Nimmt man aufgrund dieser guten Ubereinstimmung und des frfiher genannten Befundes eines allmiihlichen Abfalls der lichtgesteigerten Atmnng im folgenden Dunkel an, dab die nach Photosynthese gemessene spezifisehe Atmungssteigerung in ~hnlieher Weise bereits wiihrend der Beliehtung vorliegt und da6 der eingangs besehriebene Abfall in der O2-Freisetzung im Blau dureh sie

Wellenlgngenabhgngige Atmungssteigerung vort Chlorella

149

bedingt ist, dann sollte die spektrale Abh/ingigkeit dieses Abfalls derjenigen der naeh Lieht gesteigerten Atmung gleiehen. Wir haben deshalb die Ver/~nderung in der Q-Produktion im Laufe der Beliehtung ebenfalts fiber den gesamten siehtbaren Spektralbereieh verfolgt und ihr jeweiliges AusmM3 quantitativ zu erfassen versueht. Dazu bestimmten wir die O~-Ent~deklung einmal zu Beginn (0.--5. min ---,,Irfih"), zum anderen zum Ende (15.--20. rain = ,,spgt") der 20minfitigen Lichtzeit, jeweils a.ls Differenz zwisehen dem da.nn vorliegenden 02Verbraueh (keine Kompensation !) und demjenigen im vorangegangenen Dunkel (Mittel der drei letzten 5 min-Intervalle). Die ffir ;tx ermittelte ,,frfihe" und ,,spgte" O2-Produktion wurde in Prozent derjenigen in vorangegangenem Licht yon )~ 680 nm ausgedr/ickt (s. oben) 1. In Abb. 6a. ist die so bestimmte ,,frtihe" (F) und ,,spg~te" (S) 02=Produktion in Abh~ngigkeit v o n d e r Wellenl/Lnge aufge~ragen. I m Gelb und Rot sind die Kurven nahezu deekungsgleieh, d.h., in diesem Spektralbereieh wird innerhalb yon 5 min ein O2-Anstauseh eingestellt, der sieh fiber weitere 15--20 min nieht ~ndert. Im Blau, Griin und nahen UV dagegen weiehen beide teilweise welt voneinander ab; bier ist die naeh 15--20minfitiger Liehtzeit mel3bare 02-Produktion also betrgehtlieh kleiner als die der ersten 5 Liehtminuten. Das gesuehte wellenl/tngenabh/~ngige AusmaB dieses Abfalls in der Q-Entwicklung gibt Abb. 6b wieder, und zwar mittets des jeweiligen Bruchtefls, den die ,,spate" Os-Ent,wickhmg yon der ,,friihen" ausmach~, also mittels des Quotienten der Werte von Kurve F u n d S (S/F • 100). Mit seinem Gipfel um ~ 460 nm, dem allmghliehen Absinken zum Kurzwelligen, sowie dem steilen Abfall zum Grtin bis hin zum unwirksamen Gelb, Hellrot und Dunkelrot gleieht dieses Wirkungsspektrum ebenso dem bereits erw/~hnten Aktionsspektrum fiir die Atmnngssteigerung der gelben Chlorelta-Mutante im Licht, wie aueh der in Abb. 5 daxgestellt,en spekt,ralen Abhgngigkeit der gesteigerten O~-Aufnahme photosynthesetreibender Chloretlen na,eh Belichtung (siehe Abb. 9). Diese l~bereinstimmung maeht die Annahme sehr wahrseheinlieh, dag auch w/ihrend ablaufender Photosynthese eine wellenl~ngenabh/~ngig spezifisehe FSrderung der respiratorisehen O~-Aufnahme vorliegt. Gestfitzt wird sie weiter dnreh die grunds/Ltzlieh gute Ubereinstimlnung der Aktionsspektren ffir ,,frfihe" (0.--5. Liehtminute) und ,,sp/ite" (15. his 20. Lichtminute) 02-Produkt4on, wenn erst.ere mit~tels der vorangegangenen, letztere jedoeh mater Berfieksiehtigung der fNgenden Dunkelatmung ermittelt wird (Abb. 7). Die Abweiehung im kurzwelligen Bereieh 1. Der Wert ffir ~ 680 nm selbst, der wie alle fibrigen naeh dem Programm: Dunkel -+ X6s0nm"-" Dunkel--~ "~x=6s0nm ermittelt wurde, liegt fiber 100, weil der Dunkel-O2-Verbraueh der Algenprobe im Laufe der Megzeit allm~ihlieh abklingend abnimmt.

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Abb. 6. s Wirkungsspektren fiir die Q-Produktion yon Chlorella pyrenoidosa (211-8b); Kurve F innerhalb der 0.--5. rain, Kurve S innerhslb der 15.--20. min naeh Liehtbeginn, beide bezogen auf den vorangegangenen Dunkel-O2-Verbraueh. Angsben in Prozent der Wirksamkeit von ~ 680 nm bei derselben Algenprobe (s. Text). b Prozentusler Anteil der ,,spgten" (S) yon der ,,friihen" (F) Oe-Produktion (S/F x 100) Ms NaB fiir die spektrsle Abhgngigkeit des Abfalls in der O2Produktion im Lsufe einer 20miniitigen Liehtzeit. Polarographie; 0,1 M Phosphstpuffer pH 7,95; 26~

diirfte n u r dnrch die W a h l eines zu langen Zeitraums (0.--5. rain) als Ms6 ffir die ,,friihe" 0 2 - E n t w i c k l u n g b e d i n g t sein (vgl. Abb. 3 u n d 4). Es sei an dieser Stelle gesagt, dab die ungewShnlich hohe Wirksamkeit yon grfiner und dunkelroter Strshlung einmal dureh die Durchl~ssigkeitsbreite der ver* wendeten Filter, zmn snderen wohl such durch die ffir die verfiigbare Lichtintensit~t recht hohe, zur Messung der niedrigen Atmungsrsten jedoeh notwendige Suspensionsdichte bedingt ist. Als weiterer Hinweis daffir, dab n i c h t die Photosynthese, sondern die gleichzeitige A t m u n g i m Blau ver~ndert ist, sei angeffihrt, dal~ bei

Wellenl~genabhgngige Atmungssteigerung yon ChloreUa

151

Glueosefiitterung und damit erreiehter maximater, dureh Liehg nicht mehr zu steigernder Atmung (KowALI~IK, 1966) kein Abfall in der O~Freisetzung wghrend der Btaubelichtung erkennbar ist, die 02-Produktion jetzt vielmehr derjenigen im t~ot gleicht (Abb. 8). I m Laufe der bisherigen Dgrstellung ha,ben wit allehl a,us Beobaehtungen des O~-Gasweehsels a.uf Vergnderungen der Atmung gesehlossem Das ist selbstverstgndlieh nieht ohne weiteres gereebtfertigt; ~omo ( p c - 4

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750 nm

Abb. 7. Wirknngsspektren ffir die O~-Produktion yon Cht~'ellccpyrenoidosa (2I I-8 b); Kurve A: O2-Produktion innerhalb der 0.--5, rain nach Lichtbeginn, bezogen auf den vorangegangenen Dunkel-Os-Verbraucb, Kurve B: Q-Produktion innerhalb der 15.--20. rain nach Lichtbeginn, bezogen auf den folgenden DunkeLO2-Verbrauch. Angaben in Prozent der Wirksamkeit yon X680 nm bei dersetben Algenprobe. Polarographie; 0,1 ~ Phosphatpuffer pH 7,95; 26~C unspezifische Photooxydationen kSnnten durehaus im Spiel sein, wenngMch diem fiir den Fall der meh~ffach zum Vergleieh herangezogenen gelben Chlordla-Mutante eindeutig ausgeschlossen werden konnte (KowALLIK, 1966). Wir haben deshalb in orientierenden Versuchen zuss den C02-Gaswechsel verfotgt: Dazu wurden die grfinen Atgen in 0,002 M Phosphatpuffer yore pH 8,00 suspendiert und die durch CO sAbgabe auRretende Ansguerung (ira Licht keine Kompens~tion!) dutch aut,omatisehe Gegentitration mit 021 N NaOH aufgefangen. Die znr Konsta.nthaRung des pH-Werts notwendige NaDH-Menge ~alrde laufend registriert. Der resultierende Kurvenverl~uf zeigt ira Rot eine sieh rasch einstellende, konstante, gegeniiber dem vorangegangenen Dunkel verringerte CO~:Produktion, im Blau dagegen eine im Lanfe yon etwa 5 rain wieder langsam zunehmende C02-Abgabe. Der Befund steht grunds~tzlieh mit der Annahme einer gesteigerten Atmung im Blau in Einkl~ng.

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Abb. 8. Q-Verbrauch (5 min-gaten) von Chlorella pyrenoido,sa (211-8b) im Blau(~.455 nm) oder Ro~licht (~,661 nm) sowie in vora.ngehender und folgender Dunketheir in Gegenwart yon 0,2% Glucose. Polarographie, 1 tel. Einheit=0,159 F1 O2; 0,1 M Phosphatpuffer pH 7,95; 26,0~

Oiskussion

Die nach dem Auffinden der wellenl~ngena.bh/ingigenAtmnngssteigerung einer chlorophyllfreien, carotinoidhaltigen Mutante yon Chlorelta w, lgaris (KOWALLIX, 1967) erneug auftauchende, alte Frage nach dem Vorkommen dieser Rea,kgion bei gleichzeitig ablaufender Photosynthese meinen wit nach den hier vorgelegten Daten fiir unseren Fall bejahen zu k6nnen: Sowohl die nach Phogosynthese mit kurzwelligem Licht vorliegende, Photosynthese-una.bh/tngige Extrg-At.mungssteigerung, als much das mit deren spektraler Abhgngigkeit gut tibereinstimmende Wirkungsspektrum fiir den im Laufe yon rund 10 rain auftretenden Abfall in der meitbaren O~-Produktion im Licht f(ihren zu diesem SchlufL Er wh'd bekr/iftigt dutch die grol3e :4hnlichkeit beider Spektren mit der Wellenlangen~bh~ngigkeit der eindeutig fal~b~ren Atmungssteigerung der geIben Mutante im Licht. Kleinere Abweichungen, welche beim genauen Vergleich der Spektren durchaus deutlieh werden (s. Abb. 9), zwingen jedenfalls nieht zur Annahme untersehiedlieher zugrundelicgender Reaktionen, l~ssen sieh vielmehr im wesentliehen mit dem Untersehied im Vorh~ndensein yon Chlorophyll erkl/iren. Nehmen wit bei der gelben wie der grtinen

Wellenlgngen~bh~ngigeAtmungssteigerungyon ChloreIlo,

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Zelle eine gleichermal3en gegebene Verformung der Aktionsspektren durch unwirksame Carotinoidabsorption an, so wh~ddieselbe im Fall der chlorophyllhaltigen Zelle durch die zusatzliehe spezifische Absehattung des aktiven Pigments im Blau noch weiter modifiziert sein. Diese Beschattung wird im nahen UV und im Blaugriin geringer als im dazwischenliegenden Bl~u sein, in letzterem wiederum ausgepragter um A430 als usa 460 nm vorliegen. Die eingestellte Qugntenstromgleichheit wird somit aus der Sieht des wirksamen Pigments bei der griinen Zelle noch weniger exakt gelten als bei der gelben, und die Unterschiede zwischen der spektralen Abhangigkeit der Atmungssteigerung letzterer und derjenigen fiir den Abfall in der fa~baren photosynthetischen O~-Entwicklung ersterer sind bei Annahme der gleiehen zugrundeliegenden Reaktion durehaus mittels solcher indirekter Intensitatsdifferenzen erkl~rbar (Abb. 9, oben). Ob der Abweiehung im Griingelb um ~ 580 nm eine Bedeutung zukommt, bleibt zu prtifen. Nach den bisherigen Messungen ist sie wegen der breiten Streuung als Zufall zu betrachten. Neben dieser modifizierenden Wirkung der Besch~ttung durch Chlorophyll ist die wellenlangenabhangig versehiedene Photosyntheseaktivitat zu beaehten, die besonders bei der Betrachtung der ~uf Belichtung folgenden Atmung zu berficksichtigen ist. Sie hat zur Folge, da[3 die nach Photosynthese kurzfristig erhShte Dunkelatmnng je nach der photosynthetischen Wirksamkeit der betreffenden Welleni~nge mehr oder weniger ausgeprg~gt ist, womit diese yon zwei verschiedenen liehtabhangigen Prozessen beeinfluBt wird. Usa den nieht photosynthesebedingten Anteil ~llein zu erfassen, haben wir die gesamte O~-Anfnahme nach Ax jeweils in Prozent derjenigen naeh ~ss0nm angegeben (s. S. 146}, haben also in allen Fallen eine starke, kurzfristige, photosynthesebedingte Atmungsspitze ausgeklammert. Dies Verfahren bedingt zweifellos Fehter: Na.eh photosynthetiseh wenig a.ktivem Lieht wird da,durch ein gr51~erer Atmungsanteil eliminiert, als tatsaehlich der vorangegangenen Photosynthese zukommt, so dal3 die Extr~-O~-Aufna~hme zu klein erseheint. Sieherlich ist das derart gewonnene Aktionsspektrum deshalb verformt; die Abweichungen im nahen UV und im Rot k5nnten allein auf diese Weise zustande kommen (Abb. 9, unten). Wir haben versueht, ein yon den jeweiligen photosynthesebedingten Atmungsspitzen freies Wirknngsspektrum zu bestimmen, halten die gewonnenen Kurven ~ber wegen der zw~ngslgufigen Willki~r bei der Wahl des zu eliminierenden Zeitintervalls fiir weniger brauchbar. D~ zudem auch die Iiehtbedingte Extra-Atmung ira anschtie~enden Dunkel fortlaufend abnimmt, erscheint uns die gewahlte Art der Darstellung trotz ihrer M~tngel am geeignetsten. Unter Berfieksichtigung dieser Komplikationen betrachten wir die ~bereinstimmung zwischen den vorliegenden Spektren and der

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U. KOWALLIKund W. KOWALLIK: 120

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Abb. 9. Vergleich des Wirkungsspektrums fiir die lichtabhangige Atmungssteigerung einer chlorophyllfreien Chlorella-Mutante (ausgezogene Kurve) mit der spektralen Abh~ngigkeit des Abfalls in der iM3baren 02-Produktion photosynthesefreibender Chlorellen (oben), sowie mit einem Aktionsspektrum fiir die photosyntheseunabh~ngige Atmungssteigerung nach Photosynthese im Licht verschiedener Wellenl~ngen (unten) Abh~ngigkeit der liehtbedingten Atmungssteigerung der gelben Mutante yon der Wellenl~nge als ausreiehend, um das gleiehe zugrundeliegende Pigmentsystem anzunehmen. Zu seiner Identifizierung liefern die vorliegenden Daten keine neuen Hinweise; nach wie vor bleibt die frfiher diskutierte MSglichkeit der Beteiligung eines Flavins oder eines cisCarotinoids neben dem Anftreten eines bisher unbekannten Pigments bestehen (KowALLIK, 1967, 1968). Auch fiber den Ansatzpunkt der Lichtwirknng (vgl. KOWALLIK and GA~Rocz, 1967) erhalten wir keine neue Information. ~ber eine Bedeutung der im kurzwe]ligen siehtbaren Licht erh6hten Atmung im gesamten Stoffwechselgesehehen der Zelle ]iegen bisher kaum Erfahrungen vor. So l&13t sich naeh den verfiigbaren I)aten auch

WellenlgngenabhgngigeAtmungssteigerungyon ChlorelIa

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nicht sagen, ob die gMehzeitig ablaufende Photosynthese yon ihr in irgendeiner Weise - - spezifisch oder indirekt - - beeinflugt wird. Beobaehtungen yon HAVSCHILDet al. an Chlorella (1964, 1965), wonach der 14C-Einbau im Rotlicht dutch Zusatz geringer Mengen kurzwelliger sichthater Strahlung dentlieh gesteigert wird, und solehe yon T~BORG~ (1966) trod yon S c m ~ und Csxvss (1968) an Acetabularia bzw. yon ADLER (1967) an Anlcistrodesmus, naeh denen die im Rot zunehmend abfallende Photosynthese durch Spuren yon Bla~flieht wieder aufgebessert wird, k6nnten in diesem Zusammenhang yon Bedeutung sein, besonders deshalb, weil das yon T~BORe~ gemessene, wenn aueh bisher nut grobe Aktionsspektrum ffir diesen Effekt mit den hier vorgestellten in gewissem Einklang steht.

Zusammenfassung 1. Bezogen auf den vorangehenden respiratorisehen Dunkel-O~-Verbrauch nimmt die O,-Freisetzung yon Chlorella pyrenoidosa (211-8b) im Bla.nlieht im Laufe yon fund 10 rain bis zur Einstellung einer konstanten Rate ab, w/ihrend sie im quantengleiehen Rotlicht fiber die 20minfitige Mel~zeit konstant bleibt. 2. Aktionsspektren ffir anfgngliehe (0.--5. min) u M sp/itere (15. bis 20. min) Oe-Freisetzung deeken sich deshalb nut im langwelligen, divergieren ]edoeh stark im kurzwelligen Teil des sichtbaren Spektrums. Die Abweiehung ist am gr6~ten um 2 460 nm, kleiner im Griin und im kurzwelligen Blau und wieder ausgepr/~gter im nahen UV; sie versch~4ndet im Gelb, Hellrot und Dunkelrot. 3. Im Dunkeln nach Blau ist die 02-Aufnahme der Algen langffistig, naeh Rot nur kurzfristig erhSht. Ein unter weitgehendem Aussehlug der kurzfristigen, photosynthesebedingten Atmnngsspitze gewonnenes Aktionsspektrum Ifir die anf Beliehtung folgende l~ngffistige Atmungssteigerung s demjenigen far den Abfall in der 02-Ih'odukt.ion. Beide Spektren gleiehen dem frfiher bei einer ehlorophyllffeien Chlorella5Iutante fiir eine Atmungssteigernng im Lieht gemessenen. 4. Der Untersehied zwisehen den Aktionsspektren ffir anfgngliehe (0.--5. rain) und spgtere (15.--20. rain) O~-Produktion (vgl. 2.) versehwindet weitgehend, wenn man fib- die Ermittlung letzterer start des vorangehenden, den nachfolgenden Dunkel-O2-Verbrauch berfieksichtigt. 5. Bei ])CMU-gehemmter Photosynthese ist die O~-Aufnahme wghrend Blaubeliehtnng deutlieh gegenfiber derjenigen in ~'orangegangenem Dunkel oder parallelem, qnantengleichem Rot erhSht. 6. Bei Glucosezusatz und damit roll ausgelasteter Atmung ist im Laufe einer 15minfitigen Blaubelichtung kein Abfall in der 0~-Produktion feststellbar; sie verlguft ebenso wie im Rotlieht.

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U. KOWALLIKund W, KOWAL[~IK:

7. Die CO~-Abgabe, die m i t B e l i e h t u n g s b e g i n n gegenfiber derjenigen i m v o r a n g e g a n g e n e n D u n k e l a b n i m m t (keine K o m p e n s a t i o n !), steigt im B l a u i m Laufe y o n e t w a 5 rain wieder e t w a s an, b l e i b t i m R o t d a g e g e n fiber die Mei3zeit k o n s t a n t verringert. 8. A u s den D a t e n ~ r d gesehlossen, d a b die A t m u n g y o n Chlorella w ~ h r e n d d e r P h o t o s y n t h e s e in kurzwelligem s i e h t b a r e r a L i c h t e r h S h t sein kann. Wir danken der Deutsehen Forschungsgemeinschaft fiir fin~nzielle Unterstiitzung. Literatur ADLer, K. : Spezifische Rolls der Carotinoidahsorption bei der photosynthetischen Sauerstoffentwicklung. Plants (Berl.) 75, 220---227 (1967). BLINKS, L. R. : Chromatic transients in the photosynthesis of a green alga. Plant Physiol. 84, 200--203 (I959). BRACKETT, F. S., I~. A. OLSON, and R. G. C~ICXARD: Respiration and intensity dependence of photosynthesis in Chlordla. J. gen. Physiol. 86, 529--561 (1953). BRow~, A. H. : The effect of light on respiration using isotopically enriched oxygen. Amer. J. Bot, 49, 719--729 (1953). - - , and G. C. WEBSteR: The influence of light on the respiration of the blue-green alga, Anabasna. Amer. J. Bot. 40, 753--758 (1953). - - , and D. WEIS: Relation between respiration and photosynthesis in the green alga., An.h:strodesmus braunii. Plant Physiol. 84, 224--234 (1959). EGLE, K. : Apparente und reelle Phot~synthese, Gaswechselgleiehgewicht, Liehtstinting. In: Handbuch der Pflanzenphysiologie, Bd. V/l, S. 187--210. BerlinGSttingen-Heidelberg: Springer 1960. EMErSOn, R., and C. 3r LEwis: The dependence of the quantum yield of Chloretla photosynthesis on wavelength of light. Amer. J. Bot. 30, 165--178 (1943). HAUSCHILD,A. H. W., C. D. NELSON, &rid G. KROTKO-V:Concurrent changes in the products and the rate of photosynthesis in Chlorella ~ralgari,~in the presence of blue light. Naturwissenschaften 51, 274 (1964). - - - - - - On the mode of action of blue light on the products of photos~mthesis in Chtorella vulgaris. Naturwissensehaften ~2, 435 {1965). KOK, B. : On the interrelation of respiration and photosynthesis in green plants. Biochim. biophys. Acts (Amst.) 3, 625------631(1949). Photoindueed interaction in metabolism of green plant cells. Syrup. Soc. exp. Biol. 5, 211--221 (1951). KOWALLIK,W. : l~ber die Wirkung des blauen und roten Spektratbereiehs auf die Zusammensetzung und Zellteilung synehrenisierter Chlorellen. Plants (Berl.) 58, 337---365 (1962). - - Chlorophyll4ndependent photochemistry in algae. In: Energy conversion by the photosynthetic apparatus. Brookhaven Syrup. Biol. 19, 467--477 (1966). - - Action spectrum for an enhancement of endogenous respiration by light in ChtoreUa. Plant Physiol. 42, 672--676 (1967). Ober die Wirkung yon Kaliumjodid anf die lichtstimulierte endogene Atmung yon Algen. Plants (Berl.) 79, 122---127 (1968). - - , and H. GA~go~: Respiration induced by blue light. Plants (Berl.) 69, 92--95 (1966). - - Enhancement of respiration and fermentation in algae by blue light. Nature (Loud.) 215, 1038--1040 (1967). -

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WettenliingenabhiingigeAtnmngssteigerung yon Chtorella

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Dr. WOLF(~A~WGKO%VALLIK Botanisches Institut der Universit~t KSln 5000 KSln-Lindenthal, Weyertal 121