Planta (Berl.) 82, 73--86 (1968)

Die GrSBe der photosynthetischen Einheit und ihre Variabilitiit I I . Die B e d e u t u n g der Carotinoide als E n e r g i e l i e f e r a n t e n fiir die P h o t o s y n t h e s e einer m u t i e r t e n Chlorella ALOYSIUS WILD und KArL EGL~ Botanisches Institut der Universit/s Frankfurt a. M. Eingegangen am 13. Mai 1968

The Size o/ the Photosynthetic Unit and its Variability [[. The Role o/ the Carotenoids in Energy Trans/er During Photosynthesis in a Chlorella Mutant Summary. Even under unsaturated conditions of light a yellow green ChtoreUa mutant shows a higher photosynthetic efficiency than the normal form on the basis of chlorophyll. This difference in photosynthesis is not influenced by irradiation with red light although in the mutant the rt~tio carotenoids:ehlorophyll is four times higher than in the normal green cells. Therefore we conclude that in the mutant the efficiency of excitation transfer from carotenoids to chlorophyll is reduced. As a result of the smaller photosynthetic units fewer carotenoid molecules are in the vicinity of the chlorophyll. The average increase in the distance between the molecules of the two pigment groups results in the reduction of the excitation transfer to chlorophyll. Einleitung Vor kurzem k o n n t e n wir zeigen, dal3 die schwachgrtine Mutante Chlorella pyrenoidosa C-1.1.10.36 bei 1000 u n d 2000 L u x eine hShere Photosynthese-Leistung je Chlorophyllmenge als die N o r m a l f o r m C-I.I.10 besitzt, obgleich bei dieser schwachen Beleuchtungsintensitat auch bei der normalen Chlorella keine Lichts/i%igung der P h o t o s y n t h e s e herrsch~ (WILD und EGL~,, 1968a). Die Photosynthese-Leistung lieg~ bei tier Mutante bei 1000 und 2000 L u x immer noch u m 1,5real h6her als bei den normal griinen Chlorella-Zellen. Es erfotgt bei geringer Intensit/it in keinem Fall eine Angleiehung der Leistungen. I n dem Bereich yon 2000 auf 16 000 L u x steigt die Pho~osynthese-Rate der Mutante yon dem 1,5faehen auf den 2,8faehen Betrag der Leistung der normal grfinen Chlorellen an. Auf der Suehe naeh einer Erkl/irung ffir dlesen Befund bei geringer Energieeinstrahlung lag es nahe, die Bedeutung der Caro~inoide ffir die Photosynthese der Mutante n/~her zu untersuehen. I n der Assimflationszahl, die wit in den Tabellen als stfindlich assimiliertes CO S (~Mol)je

74

A. WILD und K. E(~LE:

C h l o r o p h y l l m e n g e (mg) z u m A u s d r u e k bringen, ~ i r d eine eventuelle B e d e u t u n g dieser P i g m e n t g r u p p e ffir die B e r e i t s t e l l u n g y o n E n e r g i e n i c h t berficksichtigt. D a d a s Mengenverh~ltnis der Chlorophylle zu den C a r o t i n o i d e n bei d e r N o r m a l f o r m u n d bei der M u t a n t e bei w e i t e m n i c h t dasselbe ist, muBte in diesem Z u s a m m e n h a n g die Rolle d e r Carotinoide als E n e r g i e l i e f e r a n t e n ffir die P h o t o s y n t h e s e d e r blaB-gr/inen M u t a n t e geprfift werden. W e n n die P i g m e n t e d e r C a r o t i n o i d g r u p p e die F a h i g k e i t besitzen, a b s o r b i e r t e Energie zur Photos3nlthese beizusteuern, d a n n k a n n diese Energie bei d e r M u t a n t e y o n Chlorella u n t e r Umsti~nden einen b e a c h t t i e h e n p r o z e n t u a l e n A n t e i l an d e r G e s a m t e n e r g i e einnehmen. D e r L e i s t u n g s i i b e r h a n g bei d e r M u t a n t e bei geringer Beleuchtungsi n t e n s i t i i t k S n n t e d a d u r c h h e r v o r g e r u f e n werden, d a b die Carotinoide einen r e l a t i v hohen E n e r g i e b e t r a g zur P h o t o s y n t h e s e beisteuern.

Untersuchungsmethodik Die Bestimmung der Chlorophylle und der Carotinoide sowie die Messung des C02-Gaswechsels wurden im Teil I der Arbeit beschrieben. In den Versuehen, in denen die Carotinoide yon der Energieabsorption ausgeschlossen werden sollten, wurde mit Hilfe yon Plexiglas-Filtern (Firma RShm und Haas GmbH, Darmstadt) aus dem eingestrahlten Licht diejenigen We]lenl~ngenbereiche ausgefiltert, in denen die Carotinoide absorbieren. Wir verwendeten die Filter ,,orange 478" und ,,rot 501", die fiir kurzwelliges Licht mit den Wellenliingen 2 ~ 540 nm bzw. ~ ~ 580 nm vSllig undurchl~ssig sind. Mit jedem Chlorella-Sediment fiihrten wir die PhotosyntheseUntersuchungen bei Lichtintensiti~ten yon 1000, 2000, 4000, 7200 und 16000 Lux - - ohne Filter gemessen - - durch. Die 5 verschiedenen Belichtungen wurden mit steigender Intensit~t folgendermaBen verabreicht: 10 min Dunkelheit und 14 min Licht. Innerhalb einer jeweils 14 rain dauernden Belichtungszeit wurde das Sediment zun~chst 8 min mit Filter und die restliehen 6 rain ohne Filter bestrahlt. Die Photosynthese mit Filter ]/iflt sich somit bei jedem Sediment und bei allen verwendeten Beleuchtungsintensit~iten direkt mit der Photosynthese ohne Filter vergleichen.

Ergebnisse A u s d e n Tabellen 1 u n d 2 k a n n e n t n o m m e n werden, d a b bei d e r M u t a n t e die Carotinoide i m Vergleich zur N o r m a l f o r m n u r wenig reduziert sind. E s h e r r s e h t ein Gewichtsverh~ltnis y o n den Chlorophyllen zu d e n C a r o t i n o i d e n y o n 1,1:1, wi~hrend d e r Verh/~ltniswert bei d e r l q o r m a l f o r m 4,2 betr~gt. D a s m o l a r e Verh~ltnis der Chlorophylle zu d e n Carotinoiden betrs d e m n a e h bei d e r M u t a n t e ungefi~hr 0,66, bei d e r l q o r m a l f o r m d a g e g e n 2,5. Bei d e r M u t a n t e k o m m e n auf 1 Chlorophyllmolektil e t w a 11/2 Carotinoidmolekfile. Bei d e n Versuchen, die in d e n Tabellen 1 u n d 2 aufgefiihrt sind, verw e n d e t e n wir d e n F i l t e r ,,rot 501", wi~hrend fiir die in d e n Tabellen 4 u n d 5 angezeigten Versuehe d e r F i l t e r ,,orange 478" g e b r a u e h t wurde. I n den T~bellen 3 u n d 6 w e r d e n y o n d e n Einzelversuehen d e r T a b e l l e n 1

Anzahl Chlorellen 9 106/Liter Suspension

39563

49500

46688

50188

61567

Anzucht Nr.

I

II

III

IV

V

1177

1410

1330

1293

1383

mg Trockensubstanz/ Liter Suspension

30,1

27,2

26,2

26,5

26,4

7,1

6,6

6,1

6,2

6,2

mg mg CurotiChl. ~ A- b/g noide/g TrockenTrockensubstanz substanz

1000 2000 4000 7200 16000

1000 2000 4000 7200 16000

1000 2000 4000 7200 16000

1000 2000 4000 7200 16000

1000 2000 4000 7200 16000

Beleuchtungsintensit~t in Lux (ohne Filter)

3148 4503 5202 5639 6164

2590 3429 3794 4013 4524

2321 3458 4131 4850 5337

3182 4216 4614 4932 5449

2640 3681 4202 4685 4871

a) ~Mol C02/h. g Trockensubstanz

105 150 173 187 205

95 126 140 148 167

88 132 157 185 203

120 159 174 186 205

100 140 159 178 185

~) ~Mol CO,Jh. mg Chl. ~ -]- b

2011 3497 4546 5202 5989

1642 2882 3575 3794 4414

1578 2599 3666 4409 4896

2028 3420 4375 4693 5170

1748 2938 3867 4462 4685

b) ~zMol COJh. g Trockensubstanz

a) ohne Filter b) mit Filter ,,rot 501", der alles Licht der WellenlSngen ~ < 580 nm ab/iltert; Versuchstemperatur 25~

67 116 151 173 199

60 106 132 140 163

60 99 140 168 187

76 129 165 177 195

66 111 147 169 178

b) ~Mol CO2/h. m g Chl. a A- b

Tabelle 1. C02-Gaswechselder 2Vormal/orm Chlorella pyrenoidosa C-1.1.10 bei 5 verschiedenen Beleuchtungsintensitditen im Photosyntheseversuch

~'

~..

~

~"

Anzahl Chlorellen 9 10s/Liter Suspension

32117

31000

32417

27016

29188

Anzucht Nr.

I

II

III

IV

V

727

650

1043

823

880

mg Trockensubstanz/ Liter Suspension

6,4

4,9

5,1

6,8

5,8

5,8

5,4

4,4

5,7

5,1

mg mg C~rotiChl. a + b/g noide/g TrockenTrockensubstanz substanz

1000 2000 4000 7200 16000

1000 2000 4000 7200 16000

1000 2000 4000 7200 16000

1000 2000 4000 7200 16000

1000 2000 4000 7200 16000

Beleuehtungsintensit~t in Lux (ohne Filter)

892 1189 1614 2336 2761

617 902 1235 1519 1852

858 1095 1509 2071 2101

1050 1500 2063 2888 3300

772 1298 1719 2560 2876

a) fzMol COJh- g Trockensubstanz

140 186 252 365 432

126 184 252 311 379

168 215 296 406 412

154 220 302 423 483

132 223 295 439 493

a) ~Mol C02/h .rag Chl. a + b

552 850 1232 1954 2718

522 665 997 1282 1757

562 829 1184 1716 2071

713 1088 1613 2400 3225

561 982 1333 2280 2876

b) ~Mol CO~/h. g Trockensubstanz

Filter, b) mit Filter ,,rot 501", der alles Licht der Wellenl~ingen ~ ~ 580 nm ab]iltert; Versuchstemperatur 25~

86 133 193 306 425

107 136 204 262 359

110 162 232 336 406

104 159 236 351 472

96 168 229 391 493

b) ~Mol C O J h .rag Chl. a ~- b

Tabelle 2. COe-Gaswechsel der ChloreUa-Mutante C-1.1.10.36 bei 5 verschiedenen Beleuchtungsintensit~iten im Photosyntheseversuch; a) ohne

v

Die GrSge der photosynthetisehen Einheit. I I

77

und 2 bzw. 4 und 5 die Mittelwerte gegeben. Diese mittleren Photosynthese-Leistungen dienen fiir einen Vergleich zwischen der Mutante und der Normalform. Der Vergleichsquotient - - Photosynthese-Leistung pro Chlorophyllmenge der Mutante/Photosynthese-Leistung pro Chlorophyllmenge der Normalform - - wird in den Tabellen 3 und 6 sowohl fiir die Leistung ohne Filter als aueh fiir die Leistung mit Filter gebildet. Bei einer bestimmten Liehtintensit/~t lgBt sich damit priifen, inwieweit sieh bei der Beliehtung ohne Filter derselbe Quotient wie bei der Beliehtung mit Filter ergibt. Dem Vergleieh in der Tabelle 3 liegt das umfangTabelle 3. Vergleich der Mittelwerte des COs-Gasweehsels der ChIorella-Mutante aus Tabelle 2 mit den Mittelwerten des C02-Gaswechsels der Normal]orm aus Tabelle 1; a) ohne Filter, b) mit Filter ,,rot 501", der alles Lieht der Wellenl~ingen ~ < 580 nm ab]iltert

Beleuchtungsintensit~t in Lux 1000

2000

4000

7200

Mutante C-1.1.10.36 (~Mol COs/h.mg Chl. ad-b) a) ohne Filter 144 206 279 389 b) mit Filter 101 152 219 329 Normalform C-1.1.10 (~z)/IolC02/h.mg Chl. a d-b) a) ohne Filter 102 141 161 177 b) mit Filter 66 112 147 165 Leistung der Mutante/Leistung der Normalform a) ohne Filter 1,41 1,46 1,73 2,20 b) mit Filter 1,53 1,36 1,49 1,99

1600 0 440 431 193 184 2,28 2,34

reiehere Versuehsmaterial zugrunde, so dab er einer statistisehen Bewertung besser zug~nglieh ist. Die Verwendung des Filters ,,rot 501", der alles Licht mit den Wellenl/ingen ~ < 580 nm herausnimmt, gibt zugleieh die Gew/~hr, dag jegliche Energieabsorption durch die Carotinoide ausgesehlossen ist. I n der Tabelle 3 ha,ben wir ohne Filter bei 1000 Lux einen etwas niedrigeren und bei 2000 Lux einen etwas hSheren Vergleichsquo~ienten als mit Filter (1,41 gegeniiber 1,53 und 1,46 gegeniiber 1,36). I n beiden Fgllen k6nnen die geringen Abweichungen zwischen den Quotienten ohne Filter nnd den Quotienten mit Filter statistiseh nicht gesichert werden, d. h. sie liegen im Streubereich der Mittelwertquotienten; dasselbe gilt ffir die Werte in der Tabelle 6. Bei 4000 Lnx ergibt rich dagegen eine etwas grSl3ere Abweiehung yon 1,74 ohne Filter zu 1,49 mit Filter. Diese Differenz yon 0,25 1/~Bt rich statistiseh sichern, denn sie liegt augerhalb des Zufallsbereichs yon 0,18, den die t-Regel eingrenzt. (Die Bereehnung des Zufallsbereiehs geht yon den 25 Einzelwertquotienten

Anzahl Chlorellen 9 10S/Liter Suspension

38733

50938

An~ucht Nr.

I

II

1597

1657

mg Trocken subst~nz/ Liter Suspension

24,8

23,6

mg Chl. a + b / g Trocken substanz 5,6

mg Carotinoide/g Trockensubstanz

1000 2000 4000 7200 16000

1000 2000 4000 7200 16000

Beleuehtungsintensit~t in Lux (ohne Filter)

1877 2678 3120 3423 3810

2235 3167 3540 3881 4316

a) ~Mol CO~/h-g Trockensubstanz

76 108 126 138 153

95 134 150 165 183

a) fzMol COJh.mg Chl. a ~ b

1380 2402 2982 3313 3699

1739 2825 3415 3726 4130

b) y~Iol COz/h.g Troekensubstan~

56 97 120 133 149

74 120 145 158 175

b) ~Mol COJh.mg Chl. a + b

Tabelle 4. CO~-Gaswechseldes Normalstammes Chlorella pyrenoidosa C-1.1.10 bei 5 verschiedenen Beleuchtungsintensit~iten im Photosyntheseversuch: a) ohne Filter, b) mit Filter ,,orange d78", der alles Licht der Wellenlgngen 2 ~ 540 nm abfiltert; Versuchstemperatur 25~

~

Anzahl Chlorellen 9 10~/Liter Suspension

38000

31266

28828

Anzueht Nr.

I

II

III

830

937

957

m g Troekensubstanz/ Liter Suspension

6,4

4,9

4,3

4,5

mg mg CarotiChl. a ~ b/g noide/g TroekenTroekensubstanz substanz

1000 2000 4000 7200 16000

1000 2000 4000 7200 16000

1000 2000 4000 7200 16000

Beleuchtungsintensit~t in Lux (ohne Filter)

818 1153 1487 2157 2640

659 890 1252 1713 1944

645 774 1000 1355 1612

a) [zMol C O J h .g Trockensubstanz

128 181 233 338 414

135 183 257 352 399

150 180 232 315 375

a) ~Mol C02/h. nag Chl. a ~ b

632 967 1264 1822 2640

527 758 1054 1516 1911

484 645 839 1194 1581

b) [zMol CO~/h .g Trockensubstanz

Filter, b) mit Filter ,,orange 478", der alles Lieht der Wellenlgngen ~ ~ 5gO nm ab]iltert; Versuchstemperatur 25~

99 152 198 286 414

108 156 217 311 392

112 150 195 277 367

b) ~zMol C02/h. mg Chl. a ~- b

Tabelle 5. C02-Gaswechsel der ChloreUa-Mutante C-1.1.10.36 bei 5 verschiedenen Beleuchtungsintensit~iteu im Photosyntheseversuch: a) ohne

~'

O

O:

80

A. W~LDund K. EGLE:

aus, die sieh aus den Versuchsergebnissen der Tabellen 1 and 2 ergeben). Es besteht somit nur eine Wahrseheinlichkeit yon 0,27 %, da~ die Differenz zwisehen den beiden Quotienten rein zufallig ist. Bei den Werten der Tabelle 6 haben wir bei 4000 Lux dasselbe Verhalten, ohne dal~ jedoeh Tabelle 6. Vergleich der Mittelwerte des COs-Gaswechsels der Chlorella-Mutante aus Tabelle 5 mit den Mittelwerten des C02-Gaswechsels der Normal]otto aus Tabelle d; a) ohne Filter, b) mit Filter ,,orange 478", der alles Licht der WeUenl~ingen 2 ~ 5dO nm ab[iltert

Beleuchtungsintensit~t in Lux I000

2000

4000

7200

16000

Mutante C-1.1.10.36 (~Mol C02/h.mg Chl. a d-b) a) ohne Filter 138 181 241 335 b) mit Filter 106 153 203 291

396 391

Normalform C-I.I.10 (~Mol C02/h.mg Chl. a d-b) a) ohne Filter 86 121 138 152 b) mit Filter 65 109 133 146

168 162

Leistung der Mutante/Leistung der Normalform a) ohne Filter 1,60 1,50 1,75 2,20 b) mit Filter 1,63 1,40 1,53 1,99

2,36 2,41

eine statistisehe Sicherung m5glich ist. Bei 7200 Lux wh'd tier Unterschied zwischen den beiden Quotienten wieder etwas k]einer ; er kann auch zufallsbedingt sein, da naeh der t-Regel in diesem Fall eine grSl~ere Streuung mSghch ist. Schliel~lieh finden wir bei 16000 Lux ohne Filter einen geringfiigig kleineren Wert als mit Filter; die Differenz kann jedoeh rein zufi~llig sein. Insgesamt ergeben diese Versuche /iberraschenderweise, dab allein bei 4000 Lux eine geringffigige Senkung des Quotienten mit Filter eintritt, die statistisch gesiehert erseheint. Bei 7200 Lux kSnnte es sieh ebenfalls um eine eehte Reduktion des Quotienten mit Filter handeln, wenngleich eine ausreiehende statistisehe Sicherung noeh nieht gegeben werden kann. Diskussion Durch die Vorschaltung eines Filters, der alles Lieht mit den Wellenlangen 2 ~ 580 nm abfiltert, wird nur bei 4000 und vielleieht noch bei 7200 Lux die Photosynthese tier Mutante im Verhaltnis starker als bei der Normalform erniedrigt. Welche Erldarung bietet sieh fiir dieses Verhalten an ? Die Tatsache, dab diese Senkung nicht durchweg bei allen Intensitaten auftritt, macht es yon vornherein fraglieh, da~ die starkere Reduktion der Photosynthese der Mutante durch eine Aussehaltung der Carotinoide yon der Lichtabsorption verursacht wird. Eine andere Deutung ist vielmehr an Hand der Abb. 1 zu erkennen.

Die Gr6~e der photosynthetischen Einheit. II

81

Die K u r v e n I und I I in der Abb. 1, denen die Mittelwerte der Tabellen 3 und 6 zugrunde liegen, zeigen ohne Filter die Abhi~ngigkeit der Photosynthese-Leistung der Mutante und der NormMform yon der Lichtintensit~t. (Die Abh~ngigkeit der Photosynthese bei der Mutante und bei der Normalform yon der Beleuchtungsintensitiit wurde im Teil I der Arbeit eingehend diskutiert.) Da dureh die VorsehMtung der 500 E L..

"5

400

E ~

300

200

100

i tO00

d 4 O0

i 7000

i 10000

i 16000

Lichtintensit~t in Lux

Abb. 1. Photosynthese-Leistung pro mg Chlorophyll der Chlorella-Mutante C-1.1.10.36 und der Normalform C-I.I.10 in Abh~ingigkeit vonder Lichtintensit~t (Mittelwerte aus Tabelle 3). Kurve J[: Normalform ohne Filter, Kurve / / : Mutante ohne Filter, Kurve I [ [ : Normalform mit Filter ,,rot 501", Kurve I V : Mutante mit Filter ,,rot 501" Filter ein betr/~chtlicher Verlust an eingestrahlter Energie auftritt, gelten die atff der Abszisse aufgetragenen Intensit~ten nur fiir die Leistungen ohne Filter, jedoch nicht fiir die Leistungen mit Filter (Kurven I I I und IV). Ffir die folgendo Diskussion erweist sich jedoch die vorgenommene Gegeniiberstellung der Kurven als besonders anschaulich. An der lichtabh/~ngigen Kurve der normalen Chlorella erkennen wir sehon bei 4000 Lux eine weitgehende Lichts/ittigung der Photosynthese, w~hrend bei der Mutante in dem Intensit/~tsbereieh yon 4000--7200 Lux eine nahezu Hneare Abh~ngigkeit der C0~-Fixierung yon der Lichtintensit/it herrseht. Wenn bei der Normalform in dem Bereich zwisehen 4000 und 7200 Lux die Liehts~ttigung dureh die Einschaltung der Filter herabgesetzt wird, dann hat dies, da wir uns schon in dem Abschnitt der Liehts~ttigtmg befinden, eine relativ geringfiigige 6

P l a n t a (Berl.), Bd. 82

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A. WILD und K. EGLE:

Reduktion der Laistung zur Folge, wie dies durch die Kurven I und I I I anschauliah dargestellt wird. An dem Verlauf der Kurven IX und IV ist dagegen klar zu arsehen, dab bei der Mutante eina Abschw~ehung der Bestrahlung dureh die vorgesehalteten Filter einen beachtliehen Leistungsschwund harvorruft. Es ist dies eine Folge der nahezu linearan Beziehung zwisehen der Photosynthese-Leistung und der Intensit~t. Die relativ st~rkere Reduktion der C02-Fixierung bei der Mutante, die zu einem Abfall des Quotienten aus Laistung Mutante/Laistung Normalform ffihrt, l~Bt sieh demnach auf die untersahiedliche Lichts~ttigung der Photosynthese bei dan beiden Harkfinften zurfickffihren. Bezfiglich dar Energieversorgung sind dagegen bei 1000 und 2000 Lux einerseits sowie 16000 Lux andererseits ffir beide Herkfinfte dieselben Voraussetzungen gagaben. Bei 1000 und 2000 Lux erhalten beide Formen zu wenig Licht, w~hrend bei 16000 Lux beide mit Lieht ges~ttigt shld. Der Quotient mit Filter entsprieht deshalb bei 1000, 2000 und 16000 Lux dem Quotienten ohne Filter. Mit Hilfe dar Kenntnissa fiber die Abh~ngigkeit der Photosynthese-Leistung bei der Mutante und bei dar Normalform yon der Belauchtungsintensits gelangan wir somit zu einer klaren Interpretation dieser Versuehsergebnisse. Es ergeben siah keinerlei Anhaltspunkte daffir, dab im Rotlieht die Photosynthese der gelbgrfinen Chlorella-Zellen starker als bei dam normal grfinen Stature reduziert wird. Bei der Mutante kann der yon den galben Pigmenten zur Photosynthese beigasteuerte Energieanteil prozentual nicht hSher als bei der Normalform sein, da ansonsten deren AusschluB yon der Liehtabsorption die Leistung je Chlorophyllmenge bei dar Mutante starker als bei den grfinen Zellen herabsetzen mfiBte. Obwohl das Verh~ltnis der Carotinoide zu den Chlorophyllen bei der Mutante 4mal hSher als bei der Normalform ist, bewirkt eine Ausschaltung diaser Pigmantgruploe yon der Energieabsorption keine unterscheidb&re Raaktion zwisehen den beiden Herkfinften. Die Leistung der Mutante ist nieht nut im WeiBlieht sondern auch im Rotlieht hSher. Dieses Ergebnis l~Bt zun~chst zwei Deutungen hinsiahtlieh der Bedeutung der Carotinoide als Energielieferanten ffir die Photosynthesa der mutierten Chloralla often: a) Sowohl bei der Norma]form als auch bei der Mutante steuern die Carotinoide fiberhaupt kaine oder nut einen minim~len mit unserar Methode nicht mahr faBbaran Anteil zur Photosynthese bei. b) Die Carotinoide liefern bei beiden Formen Energie; der prozentuale Anteil ist jedoeh bei der Mutante nicht h6her als bei der b~ormalform, d.h. bei niedrigem Chlorophyllgehalt ist die absolute Laistung der Carotinoide geringer. Sowohl im Falle a als auch im Falle b bewirkt somit ein AusschluB der gelben Pl~stidenpigmente yon der Liehtabsorption keine Iterabsetzung des Quotienten aus Leistung Mutante/Leistung Normalform. Trotz ihres relativ groBen Mengen-

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verhaltnisses z u m Chlorophyll bei der gelb-grfinen M u t a n t e spielen die Carotinoide ffir den Leistungsvergleich keine Rolle. Bei d e r B e r e c h n u n g des A s s i m i l a t i o n s q u o t i e n t e n k 6 n n e n die Carotinoide unberficksichtigt bleiben. Die h o h e P h o t o s y n t h e s e - L e i s t u n g , welche die gelb-griine Chlorella-Mutante bei s c h w a c h e m L i c h t zeig~, b e r u h t n i c h t auf d e m h o h e n Carotinoidgehalt. Die Assimflationszahl liefert i m vorliegenden F a l l einen reellen MaBstab ffir den Vergleich d e r L e i s t u n g e n je Chlorop h y l l m e n g e zwischen d e r M u t a n t e u n d d e r N o r m a l f o r m . WILLSTATTERund STOLL (1918) fanden in ihren Versuchen mit gelbbl~ttrigen V~rietEten h6herer Pflanzen, dab die gelbeu Pigmente keinen unmittelbaren Einflui~ auf die Energieversorgung fiir die Photosynthese ~usiiben. Sie sehMteten die Carotinoide mit Hilfe eines Kaliumbichromatfil~ers yon der Lichtabsorption aus und stellten dabei keine Schwgchung der Photosynthese-Leistung lest. Ihre Experimente k6nnen jedoch nicht Ms beweiska'~ftig ffir die Unwirksamkeit der Carotinoide angesehen werden, da yon der VorsehMtung des Filters nieht nur die relative, sondern aueh die absolute Leistung sowohl der normM gTiinen als auch tier Aurea-Blg~ter unberiihrt blieb. Offenbar war der Energieanteil dos blan-violetten Liehtes so gering, dab or vernaehl~ssigt werden konnte. D v r s ~ s (1952) berechnete aus dem Aktionsspektrum fiir die photosyn~hetische Ausbeute bei Chtorella, das yon E~EP.so~ und LEwis (1942, 1943) ermittelt wurde, dab das yon den Carotinoiden absorbierte Licht an der Photosynthese beteiligt sein muff. Die absorbierte Lichtenergie besitzt danach im Vergleich zu der yon den Chlorophyllen absorbierten Energie eine Wirksamkeit yon rund 50%. HAxo und BLI~KS (1950) sowie ]3LI~KS (1964) schlieflen ~us dem Verlauf der Aktionsspektren bei Chlorella und Ulva auf eine bedeutende Aktivit/~t der Carotinoide. In den Laubbl~ttern yon S~menpflanzen scheinen mehr photosyntheseinakti~e Carotinoide vorzukommen als bei Algen. Die Absorption der Carotinoide ist fiir die Photosynthese der Laubbli~tter yon keiner besonderen Bedeutung (G~B~IELSEg, 1960). Scmvan und GAFFROZq(1967) finden interessanterweise an zwei gelb-griinen Mutanten yon Nicotiana tabacum ein entgegengesetztes VerhMten. Bei einer der chlorophyllarmen Herkfinfte erhSht die Absorption im blauen Lieht durch die Carotinoide die Photosyntheserate, wEhrend bei tier anderen blaff-griinen Mutante diese Pigmente in~ktiv sind. Nach HAxo (1960) ist die Wirksamkeit der Carotinoide mit Ausnahme des Fucoxanthins - - dessen Absorptionsspektrum ist im Vergleich zu den fibrigen Carotinoiden zum langwelligen Bereich hin verbreitert - - variabel und im Mlgemeinen niedrig. Gerade das bei den Griinalgen und den hSheren Pflanzen besonders verbreitete fl-Carotin und das Lutein sind relativ unwirksam ffir die Photosynthese (KOK, 1965). Z u s a m m e n f a s s e n d k a n n aus der Vielfalt d e r U n t e r s u c h u n g e n geschlossen werden, d a b y o n d e n C~rotinoiden a b s o r b i e r t e E n e r g i e ~uf das Chlorophyll i i b e r t r a g e n werden k a n n . Bei den GrfinMgen u n d h6heren P f l a n z e n g e h t d a b e i jedoch ein Tefl d e r a b s o r b i e r t e n Energie verloren. D e r V e r l u s t k a n n b e i den einzelnen P f l a n z e n a r t e n - - mSglicherweise auch beeinfluBbar y o n K u l t u r b e d J n g u n g e n - - un~erschiedHch gro8 sein. D e r E n e r g i e g e w i n n d u r e h die A b s o r p t i o n d e r Carotinoide spielt i m Tageslich~ ffir die P h o t o s y n t h e s e d e r Grfinalgen u n d hSheren Pflanzen keine wesenfliche Rolle. D e m Gewinn a n n u t z b r i n g e n d e r Energie i m schwachen L i e h t s t e h t z u d e m noch eine S c h a t t e n w i r k u n g d e r Carotinoide i m b l a u e n S p e k t r M b e r e i e h gegenfiber. Die besondere B e d e n t u n g d e r Care6*

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tinoide fiir die Photosynthese scheint bei den Griinalgen und bei den h5heren Pflanzen auf anderen Gebieten als dem der Energievermittlung zu liegen (vgl. hierzu SIsTRoMu. Mitarb., 1956; CLAIMS, 1959, 1961; K~INSKr, 1966; HAG]~, 1966, 1967). Aus den gewonnenen Erkenntnissen fiber die Beteiligung der Carotinoide an der Energievermi~tlung kann gesehlossen werden, da~ eine Nutzung der yon diesen Pigmenten absorbierten Energie aueh bei der untersuehten normal griinen Chlorella 1~yrenoidosa besteht. Fiir die gelbgrtine Mutante mul~ demgem~13 die obige Deutung b unserer Versuchsergebnisse zutreffen, dal~ n~mlieh mit der Abnahme des Chlorophyllgehaltes auch der Wirkungsgrad der Energiefibertragung yon den Carotinoiden auf die Chlorophylle zurtiekgeht. Man kann sich vorstellen, dal~ bei der Mutante als eine Folge der bedeutend kleineren PhotosyntheseEinheiten weniger Carotinoidmolek/ile in die Ns yon Chlorophyllmolekiilen gelangen. Die durehschnittliehe VergrSl~erung des Molekiilabstandes zwisehen den beiden Pigmentgruppen bew~rkt dann eine Verminderung der Resonanzweitergabe der yon den Caro~inoiden absorbierten Energie. Ein Ausschlul~ der Carotinoide yon der Energieabsorption - - wie er im Rotlicht stattfinde~ - - beeinflul~t deshalb die Photosynthese der Mutante nieht starker als bei der Normalform, obwohl bei der Mutante ein Gewiehtsverh~ltnis yon den Carotinoiden zu den Chlorophyllen yon 1:1,1 herrseht, w~hrend dieses Verh~ltnis bei der Normalform 1:4,2 betr~gt. Die hohe Photosyn~hese-Leistung der Mut~nte bei schwacher Beleuchtung mit Weft]- und Rotlicht hat ihre Ursache nicht in dem relativ hohen Carotinoidgehalt dieser Ze]len. Wir denken an zwei MSglichkeiten - - sie werden an anderer Stelle dieser Arbeit eingehend diskutiert werden --, die zu einer gesteigerten C02-Bilanz im Schwachlicht ftihren. Einmal kSnnten die hohen Werte bei der Mutante zumindest teflweise eine Folge des sog. Kok-Effektes sein. Unterhalb oder im Kompensationsbereich der Atmung mtiBte dann die lichtabh~ngige Leistungskurve infolge einer durch Rotlicht induzierten Atmungshemmung eine Anderung ira Anstieg aufweisen (Kox, 1949; ItoeE, OwEns und KOK, 1963; RIED, 1965, 1968). Die bei 1000 Lux gemessene reelle Photosynthese der blal~grtinen Chlorella-Zellen liegt n~mlich nicht allzuweit tiber dem Kompensationsbereich der Atmung, so dab evtl. mit einer solchen Wirkung gerechnet werden mul~. Zum anderen denken wir daran, dab mit der Verkleinerung der Photosynthese-Einheit auf ca 100 l~olektile bei der Mutante die Effektivit~t in der Energieleitung an das Reaktionszentrum zunimmt. Die Resonanztibertragung oder Excitonenwanderung der absorbierten Energie kann in dem kleineren Chlorophyllaggreg~t mit gesteigertern Wirkungsgrad ablaufen.

Zusammenfassung Eine gelb-griine Chlorella-Mutante zeigt auch bei schwaeher Beleuehtung eine h5here Photosynthese-Leistung als die normal grfine Chlorella. Obwohl das Verh~ltnis Carotinoide:Chlorophylle bei der Mutante zugunsten der Carotinoide 4mal hSher als bei der Normalform

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ist, beeinfluBt eine A u s s c h a l t u n g d e r Carotinoide y o n d e r A b s o r p t i o n d u r c h B e s t r a h l u n g m i t R o t l i c h t diese Differenz nicht. W i r schlieBen d a r a u s , d a b bei d e r M u t a n t e m i t a b n e h m e n d e m Chlorophy]lgehalt d e r W i r k u n g s g r a d d e r E n e r g i e i i b e r t r a g u n g y o n den Carotinoiden auf die Chlorophylle zurfickgeht. Als F o l g e d e r b e d e u t e n d kleineren P h o t o s y n t h e s e - E i n h e i t e n gelangen weniger C~rotinoidmolekfile in die N~he y o n Chlorophyllmolekfilen. Die d u r c h s c h n i t t l i c h e Vergr6Berung des Molekfilabstandes zwischen den beiden P i g m e n t g r u p p e n b e w i r k t eine R e d u k t i o n d e r R e s o n a n z / i b e r t r a g u n g d e r y o n den Carotinoiden abs o r b i e r t e n Energie. Oer Deutschen Forschungsgemeinschaft danken wir ffir die Unterstfitzung der Arbeit. Frau E. K6~IG und Frau I. PEC~STEI~ dan_ken wir fiir die Mitarbeit an dicsen Versuchen. Literatur

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