Pigmentbindung verschiedener Mitglieder der erweiterten Chlorophyll a/b-Proteinfamilie und des wasserlöslichen Chlorophyll-Proteins WSCP

In dieser Arbeit wurde die Pigmentbindung verschiedener Pflanzenproteine untersucht, um daraus Rückschlüsse auf ihre Funktion zu ziehen. PsbS, die S-Untereinheit des Photosystems II, konnte mit Pigmenten isoliert werden. Es wurde kein Hinweis auf eine spezifische Wechselwirkung der Chromophore gefunden, Ergebnisse wie pigmentabhängig stärkere Helixbildung unterstützen jedoch die Vermutung, PsbS fungiere als transienter Pigmentcarrier. Die Sequenzverwandten OHP, Sep1 und Sep2 binden entweder keine Pigmente oder nur so schwach, dass eine Bindung mit den verwendeten Methoden nicht nachweisbar ist.WSCP aus Blumenkohl ist ein wasserlösliches chlorophyllbindendes Protein mit unbekannter Funktion. In dieser Arbeit wurde ein rekombinantes WSCP mit N-terminal angehängtem His-Tag hergestellt und überexprimiert. WSCP-his tetramerisiert pigmentabhängig und bindet Chlorophylle, nicht aber Carotinoide. In seinen biochemischen und spektroskopischen Eigenschaften gleicht das rekombinante dem nativen WSCP und kann als Werkzeug für Untersuchungen zur Funktion herangezogen werden. Rekonstitutionsexperimente mit Chlorophyll-Derivaten zeigten, dass der Phytolrest für die Oligomerisierung des Proteins verantwortlich ist. WSCP bindet außerdem die Chlorophyll-Vorstufen Chlorophyllid und Mg-Protoporphyrin IX. Es könnte sich um ein Carrierprotein handeln, welches die Vorstufen von der Chloroplastenhülle durch das Stroma zur Thylakoidmembran transportiert. Der Fall eines chlorophyllbindenden Pflanzenproteins ohne Carotinoide ist einmalig. Messungen zu Photostabilität und Singulettsauerstoffbildung zeigten, dass es dennoch gebundenes Chlorophyll vor photooxidativer Schädigung schützt.

Regulation der Zeaxanthin- und der Diatoxanthin-Epoxidase in Chlorophyll a/b- und Fucoxanthin-Chlorophyll a/c-haltigen Pflanzen

In der vorliegenden Arbeit wird der Vx-Zyklus und der Ddx-Zyklus unterschiedlicher Pflanzen hinsichtlich ihrer Regulation untersucht. Es konnte an Hand von in vivo Messungen gezeigt werden, dass bei zwei Kieselalgen unterschiedlicher Ordnung (Pennales bzw. Centrales) und einer Haptophyte mit Ddx-Zyklus die Dtx-Epoxidase delta-pH-reguliert ist. Im Gegensatz dazu steht die nicht-regulierte Zx-Epoxidase des Vx-Zyklus einer Raphidophyceae, einer Grünalge und einer aquatischen Höheren Pflanze. Es konnte gezeigt werden, dass der Grund für diese unterschiedliche Regulation der beiden Epoxidasen die verschiedenen Quench-Eigenschaften der Pigmente Dtx bzw. Zx ist. Durch parallele Messungen des NPQ und des De-Epoxidierungsgrads wurde deutlich, dass Zx zum Aufbau eines Quenching direkt den im Licht aufgebauten delta-pH benötigt, während Dtx alleine ausreichend ist, um ein Quenching zu verursachen. Bei diesen in vivo Messungen wurde außerdem deutlich, dass die Aktivitäten der untersuchten Epoxidasen große Unterschiede aufweisen. Diese sind abhängig von der entsprechenden Pigmentierung des jeweiligen Lichtsammelsystems, stehen also in Zusammenhang mit den Carotinoidbiosynthesen. Es konnte gezeigt werden, dass bei allen untersuchten Organismen, die eine Xanthophyll-dominierte Antenne mit Fx als Massenpigment enthielten, die Umsatzraten der Epoxidase sehr hoch waren, im Gegensatz zu Chl-dominierten Antennen. Nach diesen Erkenntnissen wurde die Dtx-Epoxidase weiter untersucht und so erstmalig durch Western-Blotting identifiziert. Es ergaben sich, allerdings erst nach zusätzlicher Proteinstabilisierung, zwei Signale, eins bei 60 kDa, das andere bei 57 kDa. Hierbei ist nach wie vor unklar, warum das Antiserum zwei Signale lieferte und ob es sich dabei um Isoformen, um anderweitige Modifizierungen, oder um eine Kreuzreaktion handelt. Auch der Mechanismus der delta-pH-Regulation der Dtx-Epoxidase konnte trotz in vivo und in vitro durchgeführter Studien nicht endgültig geklärt werden. Allerdings konnten verschiedene Mechanismen, wie z.B. eine direkte pH-Abhängigkeit des Enzyms, eine Regulation durch Reduktion und Oxidation oder durch Phosphorylierung und Dephosphorylierung, auf Grund der Daten falsifiziert werden. Es konnte schließlich die Regulation mit Hilfe eines transmembranen Rezeptors als das einzige, mit allen Daten konsistente Regulationsmodell vorgeschlagen werden.

Einzelmolekülspektroskopische Studien an Farbstoff-markierten Chlorophyll-a/b-Lichtsammlerkomplexen und Untersuchungen zur Integration der Komplexe in elektrochemische Solarzellen

Die zentrale Funktion des Hauptlichtsammlerkomplexes des Photosystems II, LHCII, besteht in der Absorption von Sonnenlicht und der Bereitstellung von Energie für die photosynthetische Ladungstrennung im Reaktionszentrum des Photosystems. Auch in der Regulation der Photosynthese spielt der LHCII eine wichtige Rolle, da die Energieverteilung zwischen Photosystem I und Photosystem II im Rahmen des sog. „State Transition“-Prozesses über die Verteilung der Lichtsammlerkomplexe zwischen den beiden Photosystemen gesteuert wird. Im Blickfeld des ersten Teils dieser Arbeit stand die konformative Dynamik der N-terminalen Domäne des LHCII, die wahrscheinlich in die Regulation der Lichtsammlung involviert ist. Gemeinsam mit Mitarbeitern des 3. Physikalischen Instituts der Universität Stuttgart wurde an der Etablierung einer Methode zur einzelmolekülspektroskopischen Untersuchung der Dynamik des N-Terminus gearbeitet. Als Messgröße diente der Energietransfer zwischen einem Fluoreszenzfarbstoff, der an die N-terminale Domäne gekoppelt war, und den Chlorophyllen des Komplexes. Die Funktion des LHCII als effiziente Lichtantenne bildete die Grundlage für den zweiten Teil dieser Arbeit. Hier wurde untersucht, in wie weit LHCII als Lichtsammler in eine elektrochemische Solarzelle integriert werden kann. In der potentiellen Solarzelle sollte die Anregungsenergie des LHCII auf Akzeptorfarbstoffe übertragen werden, die in der Folge Elektronen in das Leitungsband einer aus Titandioxid oder Zinndioxid bestehenden porösen Halbleiterelektrode injizierten, auf der Komplexe und Farbstoffe immobilisiert waren.

Das wasserlösliche Chlorophyll-Protein (WSCP): biochemische Charakterisierung und Untersuchungen zur biologischen Funktion

Das WSCP (water-soluble chlorophyll protein) der Brassicaceen ist das einzig bekannte Chlorophyll-bindende Protein, welches keine Carotinoide bindet. Es ist ein wasserlösliches, ca. 80 kDa großes Homotetramer mit 1-4 gebundenen Chlorophyllen. Das Protein ist äußerst stabil und vermag die gebundenen Chlorophylle vor Photooxidation zu schützen. Seine Funktion in der Pflanze ist bis heute ein Rätsel und sollte in dieser Arbeit zusammen mit seinen biochemischen Eigenschaften weiter aufgeklärt werden. Es wurden Versuche durchgeführt mit nativem und rekombinantem WSCP aus Blumenkohl (BoWSCP bzw. BoWSCPhis) und aus Arabidopsis thaliana (AtWSCP bzw. AtWSCPhis). Die Expressionsausbeute von BoWSCPhis konnte verbessert werden und zusätzlich wurde die Rekonstitutionsmethode für das rekombinante WSCP optimiert, sodass das pigmentierte Protein mit hoher Ausbeute und großer Reinheit gewonnen werden konnte. Zudem wurde ein neuer WSCP-Klon hergestellt, mBoWSCPhis, der in seiner Sequenz dem maturen nativen BoWSCP entspricht und weitaus weniger Aggregationsprobleme zeigte als BoWSCPhis. Weiterführende Versuche zur Stabilität und dem Oligomerisierungsgrad von WSCP haben die neue Erkenntnis erbracht, dass die Phytolschwänze der von WSCP gebundenen Chlorophylle zwar essentiell sind für die Stabilität von WSCP-Oligomeren, nicht aber für die Oligomerisierung selbst, wie es in der Literatur bislang postuliert wurde. Zusätzlich zu ihrer außerordentlichen Hitzestabilität erwiesen sich die Chl-WSCP-Komplexe als stabil in einem breiten pH-Spektrum. AtWSCPhis besaß eine vergleichbare Stabilität, und auch das Oligomerisierungsverhalten zeigte Ähnlichkeiten zu BoWSCPhis. Im Rahmen einer Forschungskooperation mit dem Institut für Optik und Atomare Physik der TU Berlin wurden zeitaufgelöste Absorptionsspektren sowie Tieftemperatur-Fluoreszenzspektren an Chl-WSCP-Komplexen gemessen. Die Ergebnisse zeigten deutlich, dass die WSCP-gebundenen Chlorophylle excitonisch gekoppelt sind und wiesen zudem auf unterschiedliche Chl-Bindungsmodi hin. Aufgrund seines einfachen Aufbaus und seines geringen Chlorophyllgehalts hat sich WSCP bei diesen Versuchen als sehr geeignetes Modellsystem erwiesen, um Messungen zur Chlorophyllbindung mit Vorhersagen aus theoretischen Modellen zu vergleichen. Bei den Experimenten zur biologischen Funktion wurden einerseits Arabidopsis thaliana WSCP-„knock-out“-Pflanzen unter verschiedenen Bedingungen charakterisiert, andererseits wurden Experimente mit rekombinantem WSCP durchgeführt, um eine mögliche Interaktion mit anderen Proteinen zu detektieren. Die vegetativen Stadien der Mutante zeigten keinen Phänotyp; das native Arabidopsis-WSCP konnte später bei der Wildtyp-Pflanze ausschließlich in jungen Schoten lokalisiert werden, was eine Erklärung hierfür lieferte. Rekombinantes WSCP konnte Chlorophylle aus nativem LHCII entfernen, eine Interaktion mit Chlorophyllase konnte jedoch nicht nachgewiesen werden; daher konnte auch die Hypothese, WSCP sei ein Chl-Carrier beim Chl-Abbau, nicht untermauert werden. Bei den durchgeführten Enzym-Assays wurde eine geringfügige Inhibition der Cysteinprotease Papain beobachtet, aber keine Inhibition der Serinprotease Trypsin, obwohl Blumenkohl-WSCP N-proximal das Motiv der Künitz-Proteaseinhibitoren besitzt. Die Frage nach der biologischen Funktion von WSCP bleibt also weiterhin offen.

Mechanisms contributing to the deep chlorophyll maximum in Lake Superior

The seasonal appearance of a deep chlorophyll maximum (DCM) in Lake Superior is a striking phenomenon that is widely observed; however its mechanisms of formation and maintenance are not well understood. As this phenomenon may be the reflection of an ecological driver, or a driver itself, a lack of understanding its driving forces limits the ability to accurately predict and manage changes in this ecosystem. Key mechanisms generally associated with DCM dynamics (i.e. ecological, physiological and physical phenomena) are examined individually and in concert to establish their role. First the prevailing paradigm, “the DCM is a great place to live”, is analyzed through an integration of the results of laboratory experiments and field measurements. The analysis indicates that growth at this depth is severely restricted and thus not able to explain the full magnitude of this phenomenon. Additional contributing mechanisms like photoadaptation, settling and grazing are reviewed with a one-dimensional mathematical model of chlorophyll and particulate organic carbon. Settling has the strongest impact on the formation and maintenance of the DCM, transporting biomass to the metalimnion and resulting in the accumulation of algae, i.e. a peak in the particulate organic carbon profile. Subsequently, shade adaptation becomes manifest as a chlorophyll maximum deeper in the water column where light conditions particularly favor the process. Shade adaptation mediates the magnitude, shape and vertical position of the chlorophyll peak. Growth at DCM depth shows only a marginal contribution, while grazing has an adverse effect on the extent of the DCM. The observed separation of the carbon biomass and chlorophyll maximum should caution scientists to equate the DCM with a large nutrient pool that is available to higher trophic levels. The ecological significance of the DCM should not be separated from the underlying carbon dynamics. When evaluated in its entirety, the DCM becomes the projected image of a structure that remains elusive to measure but represents the foundation of all higher trophic levels. These results also offer guidance in examine ecosystem perturbations such as climate change. For example, warming would be expected to prolong the period of thermal stratification, extending the late summer period of suboptimal (phosphorus-limited) growth and attendant transport of phytoplankton to the metalimnion. This reduction in epilimnetic algal production would decrease the supply of algae to the metalimnion, possibly reducing the supply of prey to the grazer community. This work demonstrates the value of modeling to challenge and advance our understanding of ecosystem dynamics, steps vital to reliable testing of management alternatives.

Spatial Patterns in Seasonal and Interannual Variability of Chlorophyll and Sea Surface Temperature in the California Current

Physical forcing and biological response within the California Current System (CCS) are highly variable over a wide range of scales. Satellite remote sensing offers the only feasible means of quantifying this variability over the full extent of the CCS. Using six years (1997-2003) of daily SST and chlorophyll imagery, we map the spatial dependence of dominant temporal variability at resolutions sufficient to identify recurrent mesoscale circulation and local pattern associated with coastal topography. Here we describe mean seasonal cycles and interannual variation; intraseasonal variability is left to a companion paper ( K. R. Legaard and A. C. Thomas, manuscript in preparation, 2006). Coastal upwelling dictates seasonality along north-central California, where weak cycles of SST fluctuate between spring minima and late summer maxima and chlorophyll peaks in early summer. Off northern California, chlorophyll maxima are bounded offshore by the seasonally recurrent upwelling jet. Seasonal cycles differ across higher latitudes and in the midlatitude Southern California Bight, where upwelling winds are less vigorous and/or persistent. Seasonality along south-central Baja is strongly affected by processes other than upwelling, despite year-round upwelling-favorable winds. Interannual variation is generally dominated by El Nino and La Nina conditions. Interannual SST variance is greatest along south-central Baja, although interannual variability constitutes a greater fraction of total variance inshore along southern Oregon and much of California. Patterns of interannual chlorophyll variance are consistent with dominant forcing through the widespread depression and elevation of the nutricline during El Nino and La Nina, respectively. Interannual variability constitutes a greater fraction of total chlorophyll variance offshore.

Satellite-Derived Variability in Chlorophyll, Wind Stress, Sea Surface Height, and Temperature in the Northern California Current System

Satellite-derived data provide the temporal means and seasonal and nonseasonal variability of four physical and biological parameters off Oregon and Washington ( 41 degrees - 48.5 degrees N). Eight years of data ( 1998 - 2005) are available for surface chlorophyll concentrations, sea surface temperature ( SST), and sea surface height, while six years of data ( 2000 - 2005) are available for surface wind stress. Strong cross-shelf and alongshore variability is apparent in the temporal mean and seasonal climatology of all four variables. Two latitudinal regions are identified and separated at 44 degrees - 46 degrees N, where the coastal ocean experiences a change in the direction of the mean alongshore wind stress, is influenced by topographic features, and has differing exposure to the Columbia River Plume. All these factors may play a part in defining the distinct regimes in the northern and southern regions. Nonseasonal signals account for similar to 60 - 75% of the dynamical variables. An empirical orthogonal function analysis shows stronger intra-annual variability for alongshore wind, coastal SST, and surface chlorophyll, with stronger interannual variability for surface height. Interannual variability can be caused by distant forcing from equatorial and basin-scale changes in circulation, or by more localized changes in regional winds, all of which can be found in the time series. Correlations are mostly as expected for upwelling systems on intra-annual timescales. Correlations of the interannual timescales are complicated by residual quasi-annual signals created by changes in the timing and strength of the seasonal cycles. Examination of the interannual time series, however, provides a convincing picture of the covariability of chlorophyll, surface temperature, and surface height, with some evidence of regional wind forcing.

Regulation of Phytoplankton Carbon to Chlorophyll Ratio By Light, Nutrients and Temperature in the Equatorial Pacific Ocean: A Basin-Scale Model

The complex effects of light, nutrients and temperature lead to a variable carbon to chlorophyll (C:Chl) ratio in phytoplankton cells. Using field data collected in the Equatorial Pacific, we derived a new dynamic model with a non-steady C:Chl ratio as a function of irradiance, nitrate, iron, and temperature. The dynamic model is implemented into a basin-scale ocean circulation-biogeochemistry model and tested in the Equatorial Pacific Ocean. The model reproduces well the general features of phytoplankton dynamics in this region. For instance, the simulated deep chlorophyll maximum (DCM) is much deeper in the western warm pool (similar to 100 m) than in the Eastern Equatorial Pacific (similar to 50 m). The model also shows the ability to reproduce chlorophyll, including not only the zonal, meridional and vertical variations, but also the interannual variability. This modeling study demonstrates that combination of nitrate and iron regulates the spatial and temporal variations in the phytoplankton C:Chl ratio in the Equatorial Pacific. Sensitivity simulations suggest that nitrate is mainly responsible for the high C:Chl ratio in the western warm pool while iron is responsible for the frontal features in the C:Chl ratio between the warm pool and the upwelling region. In addition, iron plays a dominant role in regulating the spatial and temporal variations of the C:Chl ratio in the Central and Eastern Equatorial Pacific. While temperature has a relatively small effect on the C:Chl ratio, light is primarily responsible for the vertical decrease of phytoplankton C:Chl ratio in the euphotic zone.