1000 resultados para Chl


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Über die Biogenese des Lichtsammelkomplexes des Photosystems II höherer Pflanzen (LHCII) in der Thylakoidmembran der Chloroplasten existieren wenige Daten. Deswegen soll die Aufklärung des Faltungsmechanismus in vitro anhand von zeitaufgelösten Messungen der Rückfaltung des Komplexes Rückschlüsse auf die Situation in vivo ermöglichen.Zur Beobachtung der Rückfaltung wurden Methoden der Fluoreszenz- und CD-Spektroskopie verwendet. Die Pigmentbindung und die Ausbildung von α-helikaler Sekundärstruktur erfolgt in einem schnelleren und einem langsameren apparenten Schritt (Sekunden und Minuten); beide Vorgänge sind eng gekoppelt und limitiert durch die Bindung der Carotinoide. In der schnelleren Phase ist die Bindung von Chl a und Lutein ausreichend für die Zunahme an α-helikaler Struktur. Ein thermodynamisch stabiler Komplex erfordert die Bindung von Chl b und Carotinoiden. In der schnellen Phase bindet Chl a vor Chl b und Lutein mindestens so schnell wie Chl b; beide Pigmente limitieren die Bindung von Chl b. Chl b ist notwendig für die Ereignisse der langsameren Phase.Bzgl. der Situation in vivo deuten die Daten auf (1) eine aktive Rolle der Pigmentbindung für die Membraninsertion des Proteins, (2) einen Schutz vor Photooxidation der Chlorophylle durch die obligatorische Carotinoidbindung und (3) die Möglichkeit der Umsetzung von LHCII-gebundem Chl a zu Chl b.

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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.

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Die Lichtsammelantenne des PSI (LHCI) ist hinsichtlich ihrer Protein- und Pigmentzusammensetzung weniger gut untersucht als die des PSII. Im Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb zunächst die Isolation von nativen LHCI-Subkomplexen optimiert und deren Pigmentzusammensetzung untersucht. Zusätzlich wurde die Pigmentbindung analysiert sowie das Pigment/Protein-Verhältnis bestimmt. Die Analyse der Proteinzusammensetzung des LHCI erfolgte mittels einer Kombination aus ein- oder zweidimensionaler Gelelektrophorese mit Westernblotanalysen mit Lhca-Protein-spezifischen Antikörpern und massenspektrometrischen Untersuchungen. Dabei stellte sich heraus, dass der LHCI mehr Proteine bzw. Proteinisoformen enthält als bisher vermutet. So gelang durch die massenspektrometrischen Untersuchungen die Identifizierung zweier bisher noch nicht nachgewiesener Lhca-Proteine. Bei diesen handelt es sich um eine Isoform des Lhca4 und ein zusätzliches Lhca-Protein, das Tomaten-Homolog des Lhca5 von Arabidopsis thaliana. Außerdem wurden in 1D-Gelen Isoformen von Lhca-Proteinen mit unterschiedlichem elektrophoretischen Verhalten beobachtet. In 2D-Gelen trat zusätzlich eine große Anzahl an Isoformen mit unterschiedlichen isoelektrischen Punkten auf. Es ist zu vermuten, dass zumindest ein Teil dieser Isoformen physiologischen Ursprungs ist, und z.B. durch differentielle Prozessierung oder posttranslationale Modifikationen verursacht wird, wenn auch die Spotvielfalt in 2D-Gelen wohl eher auf die Probenaufbereitung zurückzuführen ist. Mittels in vitro-Rekonstitution mit anschließenden biochemischen Untersuchungen und Fluoreszenzmessungen wurde nachgewiesen, dass Lhca5 ein funktioneller LHC mit spezifischen Pigmentbindungseigenschaften ist. Außerdem zeigten in vitro-Dimerisierungsexperimente eine Interaktion zwischen Lhca1 und Lhca5, wodurch dessen Zugehörigkeit zur Antenne des PSI gestützt wird. In vitro-Dimerisierungsexperimente mit Lhca2 und Lhca3 führten dagegen nicht zur Bildung von Dimeren. Dies zeigt, dass die Interaktion in potentiellen Homo- oder Heterodimeren aus Lhca2 und/oder Lhca3 schwächer ist als die zwischen Lhca1 und Lhca4 oder Lhca5. Die beobachtete Proteinheterogenität deutet daraufhin, dass die Antenne des PSI eine komplexere Zusammensetzung hat als bisher angenommen. Für die Integration „neuer“ LHC in den PSI-LHCI-Holokomplex werden zwei Modelle vorgeschlagen: geht man von einer festen Anzahl von LHCI-Monomeren aus, so kann sie durch den Austausch einzelner LHC-Monomere erreicht werden. Als zweites Szenario ist die Bindung zusätzlicher LHC vorstellbar, die entweder indirekt über bereits vorhandene LHC oder direkt über PSI-Kernuntereinheiten mit dem PSI interagieren. In Hinblick auf die Pigmentbindung der nativen LHCI-Subfraktionen konnte gezeigt werden, dass sie Pigmente in einer spezifischen Stöchiometrie und Anzahl binden, und sich vom LHCIIb vor allem durch eine verstärkte Bindung von Chlorophyll a, eine geringere Anzahl von Carotinoiden und die Bindung von ß-Carotin an Stelle von Neoxanthin unterscheiden. Der Vergleich von nativem LHCI mit rekonstituierten Lhca-Proteinen ergab, dass Lhca-Proteine Pigmente in einer spezifischen Stöchiometrie binden, und dass sie Carotinoidbindungsstellen mit flexiblen Bindungseigenschaften besitzen. Auch über die Umwandlung des an die einzelnen Lhca-Proteine gebundenen Violaxanthins (Vio) im Xanthophyllzyklus war nur wenig bekannt. Deshalb wurden mit Hilfe eines in vitro-Deepoxidationssystems sowohl native als auch rekonstituierte LHCI hinsichtlich ihrer Deepoxidationseigenschaften untersucht und der Deepoxidationsgrad von in vivo deepoxidierten Pigment-Protein-Komplexen bestimmt. Aus den Deepoxidationsexperimenten konnte abgeleitet werden, dass in den verschiedenen Lhca-Proteinen unterschiedliche Carotinoidbindungsstellen besetzt sind. Außerdem bestätigten diese Experimente, dass der Xanthophyllzyklus auch im LHCI auftritt, wobei jedoch ein niedrigerer Deepoxidationsgrad erreicht wird als bei LHCII. Dies konnte durch in vitro-Deepoxidationsversuchen auf eine geringere Deepoxidierbarkeit des von Lhca1 und Lhca2 gebundenen Vio zurückgeführt werden. Damit scheint Vio in diesen Lhca-Proteinen eher eine strukturelle Rolle zu übernehmen. Eine photoprotektive Funktion von Zeaxanthin im PSI wäre folglich auf Lhca3 und Lhca4 beschränkt. Damit enthält jede LHCI-Subfraktion ein LHC-Monomer mit langwelliger Fluoreszenz, das möglicherweise am Lichtschutz beteiligt ist. Insgesamt zeigten die Untersuchungen der Pigmentbindung, der Deepoxidierung und der Fluoreszenzeigenschaften, dass sich die verschiedenen Lhca-Proteine in einem oder mehreren dieser Parameter unterscheiden. Dies lässt vermuten, dass schon durch leichte Veränderungen in der Proteinzusammensetzung des LHCI eine Anpassung an unterschiedliche Licht-verhältnisse erreicht werden kann.

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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.

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Sweet sorghum, a C4 crop of tropical origin, is gaining momentum as a multipurpose feedstock to tackle the growing environmental, food and energy security demands. Under temperate climates sweet sorghum is considered as a potential bioethanol feedstock, however, being a relatively new crop in such areas its physiological and metabolic adaptability has to be evaluated; especially to the more frequent and severe drought spells occurring throughout the growing season and to the cold temperatures during the establishment period of the crop. The objective of this thesis was to evaluate some adaptive photosynthetic traits of sweet sorghum to drought and cold stress, both under field and controlled conditions. To meet such goal, a series of experiments were carried out. A new cold-tolerant sweet sorghum genotype was sown in rhizotrons of 1 m3 in order to evaluate its tolerance to progressive drought until plant death at young and mature stages. Young plants were able to retain high photosynthetic rate for 10 days longer than mature plants. Such response was associated to the efficient PSII down-regulation capacity mediated by light energy dissipation, closure of reaction centers (JIP-test parameters), and accumulation of glucose and sucrose. On the other hand, when sweet sorghum plants went into blooming stage, neither energy dissipation nor sugar accumulation counteracted the negative effect of drought. Two hybrids with contrastable cold tolerance, selected from an early sowing field trial were subjected to chilling temperatures under controlled growth conditions to evaluate in deep their physiological and metabolic cold adaptation mechanisms. The hybrid which poorly performed under field conditions (ICSSH31), showed earlier metabolic changes (Chl a + b, xanthophyll cycle) and greater inhibition of enzymatic activity (Rubisco and PEPcase activity) than the cold tolerant hybrid (Bulldozer). Important insights on the potential adaptability of sweet sorghum to temperate climates are given.

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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.

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The light scattering properties of oceanic particles have been suggested as an alternative index of phytoplankton biomass than chlorophyll-a concentration (chl-a), with the benefit of being less sensitive to physiological forcings (e.g., light and nutrients) that alter the intracellular pigment concentrations. The drawback of particulate scattering is that it is not unique to phytoplankton. Nevertheless, field studies have demonstrated that, to first order, the particulate beam-attenuation coefficient (c(p)) can track phytoplankton biomass. The relationship between c(p) and the particulate backscattering coefficient (b(bp)), a property retrievable from space, has not been fully evaluated, largely due to a lack of open-ocean field observations. Here, we present extensive data on inherent optical properties from the Equatorial Pacific surface waters and demonstrate a remarkable coherence in b(bp) and c(p). Coincident measurements of particle size distributions (PSDs) and optical properties of size-fractionated samples indicate that this covariance is due to both the conserved nature of the PSD and a greater contribution of phytoplankton-sized particles to b(bp) than theoretically predicted. These findings suggest that satellite-derived b(bp)could provide similar information on phytoplankton biomass in the open ocean as c(p).

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Using a three-dimensional physical-biogeochemical model, we have investigated the modeled responses of diatom productivity and biogenic silica export to iron enrichment in the equatorial Pacific, and compared the model simulation with in situ (IronEx II) iron fertilization results. In the eastern equatorial Pacific, an area of 540,000 km(2) was enhanced with iron by changing the photosynthetic efficiency and silicate and nitrogen uptake kinetics of phytoplankton in the model for a period of 20 days. The vertically integrated Chl a and primary production increased by about threefold 5 days after the start of the experiment, similar to that observed in the IronEx II experiment. Diatoms contribute to the initial increase of the total phytoplankton biomass, but decrease sharply after 10 days because of mesozooplankton grazing. The modeled surface nutrients (silicate and nitrate) and TCO(2) anomaly fields, obtained from the difference between the "iron addition'' and "ambient'' (without iron) concentrations, also agreed well with the IronEx II observations. The enriched patch is tracked with an inert tracer similar to the SF6 used in the IronEx II. The modeled depth-time distribution of sinking biogenic silica (BSi) indicates that it would take more than 30 days after iron injection to detect any significant BSi export out of the euphotic zone. Sensitivity studies were performed to establish the importance of fertilized patch size, duration of fertilization, and the role of mesozooplankton grazing. A larger size of the iron patch tends to produce a broader extent and longer-lasting phytoplankton blooms. Longer duration prolongs phytoplankton growth, but higher zooplankton grazing pressure prevents significant phytoplankton biomass accumulation. With the same treatment of iron fertilization in the model, lowering mesozooplankton grazing rate generates much stronger diatom bloom, but it is terminated by Si(OH)(4) limitation after the initial rapid increase. Increasing mesozooplankton grazing rate, the diatom increase due to iron addition stays at minimum level, but small phytoplankton tend to increase. The numerical model experiments demonstrate the value of ecosystem modeling for evaluating the detailed interaction between biogeochemical cycle and iron fertilization in the equatorial Pacific.

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In the California Current System, strong mesoscale variability associated with eddies and meanders of the coastal jet play an important role in the biological productivity of the area. To assess the dominant timescales of variability, a wavelet analysis is applied to almost nine years (October 1997 to July 2006) of 1-km-resolution, 5-day-averaged, Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor (SeaWiFS) chlorophyll a (chl a) concentration data. The dominant periods of chlorophyll variance, and how these change in time, are quantified as a function of distance offshore. The maximum variance in chlorophyll occurs with a period of similar to 100-200 days. A seasonal cycle in the timing of peak variance is revealed, with maxima in spring/summer close to shore (20 km) and in autumn/winter 200 km offshore. Interannual variability in the magnitude of chlorophyll variance shows maxima in 1999, 2001, 2002, and 2005. There is a very strong out-of-phase correspondence between the time series of chlorophyll variance and the Pacific Decadal Oscillation (PDO) index. We hypothesize that positive PDO conditions, which reflect weak winds and poor upwelling conditions, result in reduced mesoscale variability in the coastal region, and a subsequent decrease in chlorophyll variance. Although the chlorophyll variance responds to basin-scale forcing, chlorophyll biomass does not necessarily correspond to the phase of the PDO, suggesting that it is influenced more by local-scale processes. The mesoscale variability in the system may be as important as the chl a biomass in determining the potential productivity of higher trophic levels.

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Varved lake sediments are excellent natural archives providing quantitative insights into climatic and environmental changes at very high resolution and chronological accuracy. However, due to the multitude of responses within lake ecosystems it is often difficult to understand how climate variability interacts with other environmental pressures such as eutrophication, and to attribute observed changes to specific causes. This is particularly challenging during the past 100 years when multiple strong trends are superposed. Here we present a high-resolution multi-proxy record of sedimentary pigments and other biogeochemical data from the varved sediments of Lake Żabińskie (Masurian Lake District, north-eastern Poland, 54°N–22°E, 120 m a.s.l.) spanning AD 1907 to 2008. Lake Żabińskie exhibits biogeochemical varves with highly organic late summer and winter layers separated by white layers of endogenous calcite precipitated in early summer. The aim of our study is to investigate whether climate-driven changes and anthropogenic changes can be separated in a multi-proxy sediment data set, and to explore which sediment proxies are potentially suitable for long quantitative climate reconstructions. We also test if convoluted analytical techniques (e.g. HPLC) can be substituted by rapid scanning techniques (visible reflectance spectroscopy VIS-RS; 380–730 nm). We used principal component analysis and cluster analysis to show that the recent eutrophication of Lake Żabińskie can be discriminated from climate-driven changes for the period AD 1907–2008. The eutrophication signal (PC1 = 46.4%; TOC, TN, TS, Phe-b, high TC/CD ratios total carotenoids/chlorophyll-a derivatives) is mainly expressed as increasing aquatic primary production, increasing hypolimnetic anoxia and a change in the algal community from green algae to blue-green algae. The proxies diagnostic for eutrophication show a smooth positive trend between 1907 and ca 1980 followed by a very rapid increase from ca. 1980 ± 2 onwards. We demonstrate that PC2 (24.4%, Chl-a-related pigments) is not affected by the eutrophication signal, but instead is sensitive to spring (MAM) temperature (r = 0.63, pcorr < 0.05, RMSEP = 0.56 °C; 5-yr filtered). Limnological monitoring data (2011–2013) support this finding. We also demonstrate that scanning visible reflectance spectroscopy (VIS-RS) data can be calibrated to HPLC-measured chloropigment data and be used to infer concentrations of sedimentary Chl-a derivatives {pheophytin a + pyropheophytin a}. This offers the possibility for very high-resolution (multi)millennial-long paleoenvironmental reconstructions.