Ursachen der unterschiedlichen Oligomerisierung von Lichtsammelproteinen

Die verschiedenen Lichtsammelproteine (Lhc-Proteine) höherer Pflanzen unterscheiden sich im Oligomerisierungsverhalten. Im Photosystem II existieren 6 Lhc-Proteine, die entweder die monomeren Lichtsammelkomplexe (LHC) CP24 (Lhcb6), CP26 (Lhcb5) und CP29 (Lhcb4) oder den trimeren LHCII (Lhcb1, Lhcb2 und Lhcb3) bilden. Im Photosystem I sind laut Kristallstruktur vier Lhc-Proteine lokalisiert, die als Heterodimere organisiert vorliegen. Der schwerpunktmäßig untersuchte LHCI-730 setzt sich aus Lhca1 und Lhca4 zusammen, während der LHCI-680 aus Lhca2 und Lhca3 besteht. Das Ziel der Arbeit bestand in der Identifizierung der für das unterschiedliche Oligomerisierungsverhalten verantwortlichen Proteinbereiche und Aminosäuren. Die für diese Arbeit generierten Consensussequenzalignments verschiedener Lhca- und Lhcb-Proteine vieler Arten unterstützen die Folgerungen aus Strukturdaten und anderen Sequenzalignments, dass den LHCs eine gemeinsame Monomerstruktur zu Grunde liegt. Die Helices 1 und 3 weisen weitgehend sehr hohe Sequenzidentitäten auf, während die N- und C-Termini, die zwei Schleifenregionen und die Helix 2 nur schwach konserviert sind. Falls die Bereiche mit hoher Sequenzübereinstimmung für das Zustandekommen ähnlicher monomerer LHC-Strukturen verantwortlich sind, könnten in den schwach konservierten Domänen die Ursachen für das unterschiedliche Oligomerisierungsverhalten lokalisiert sein. Aufgrund dessen wurden die schwach konservierten Domänen des monomerisierenden Lhcb4, des mit dem Lhca1 dimerisierenden Lhca4 und des Trimere bildenden Lhcb1 gegen die entsprechenden Domänen der anderen Proteine ausgetauscht und bezüglich ihres Oligomerisierungsverhaltens untersucht. Im Lhca4 konnten mit der Helix 2 und der stromalen Schleife zwei für eine Heterodimerisierung essentielle Domänen gefunden werden. Im Lhcb1 waren neben dem N-Terminus auch die 2. Helix und die stromale Schleifendomäne unentbehrlich für eine Trimerisierung. Zusätzlich waren Dimerisierung und Trimerisierung bei Austausch der luminalen Schleife beeinträchtigt. Ein geringer Beitrag zur Lhcb1-Trimerisierung konnte auch für den C-Terminus belegt werden. Ein zusätzliches Ziel der Arbeit sollte der Transfer der Oligomerisierungseigenschaften durch umfangreichen Domänentausch von einem auf ein anderes Protein sein. Der Transfer der Fähigkeit zur Dimerbildung durch Substitution gegen essentielle Lhca4-Domänen (50% luminale Schleife, 100% Helix 2 und 100% stromale Schleife) gelang beim Lhcb4, nicht aber beim Lhcb1. Der Transfer der Trimerisierungsfähigkeit auf Lhca4 und Lhcb4 scheiterte. Eine Lhca1-Mutante mit allen für eine Dimerisierung essentiellen Lhca4-Domänen, die durch Interaktion einzelner Moleküle untereinander multimere LHCs bilden sollte, war bereits in ihrer Monomerbildung beeinträchtigt. Eine Übertragung der Oligomerisierungsfähigkeit auf andere Proteine durch massiven Domänentransfer gestaltete sich somit schwierig, da vermutlich im mutierten Protein immer noch ursprüngliche Tertiärstrukturanteile enthalten waren, die nicht mit den transferierten Proteinbestandteilen kompatibel sind. Bei zukünftigen Experimenten zur Klärung der Transferierbarkeit der Oligomerisierungseigenschaft sollten deswegen neben dem unberücksichtigten 1. Teil der luminalen Schleife auch wenig konservierte Aminosäuren in der 1. und 3. Helix Beachtung finden. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es, die LHCI-730-Dimerisierung im Detail zu untersuchen. Mutationsanalysen bestätigten den von früheren Untersuchungen bekannten Einfluss des Isoleucins 103 und Histidins 99. Letzteres geht möglicherweise durch sein gebundenes Chlorophyll eine Interaktion mit dem Lhca1 ein. Das Phenylalanin 95 stellte sich ebenfalls als ein wichtiger Interaktionspartner heraus und könnte in Wechselwirkung mit einem zwischen Lhca1 und Lhca4 lokalisierten Phosphatidylglycerin treten. Das ebenfalls an der Dimerbildung beteiligte Serin 88 des Lhca4 könnte auf Grund der räumlichen Nähe bei Modellierungen direkt mit dem am C-Terminus des Lhca1 lokalisierten Glycin 190 interagieren. Darüber hinaus wurde ein in der luminalen Lhca4-Schleife lokalisiertes Phenylalanin 84 als Interaktionspartner des Tryptophans 185 im C-Terminus von Lhca1 identifiziert. Der simultane Austausch des Isoleucins 109 und Lysins 110 in der stromalen Schleife des Lhca4, konnte deren Einfluss auf die Dimerisierung belegen. Nachdem bislang an der Dimerbildung beteiligte Aminosäuren am N- und C-Terminus des Lhca1 und Lhca4 identifiziert werden konnten, wurden in dieser Arbeit viele an einer Dimerbildung beteiligten Proteinbereiche und Aminosäuren in der Helix 2 und den Schleifenregionen des Lhca4 identifiziert. Um alle an der Lhca1-Lhca4-Interaktion beteiligten Aminosäuren aufzuklären, müssten durch Mutationsanalysen die in der stromalen Lhca4-Schleife vermuteten Interaktionspartner des für die Dimerisierung wichtigen Tryptophans 4 am N-Terminus von Lhca1 identifiziert, und die in der Helix 3 des Lhca1 vermuteten Interaktionspartner der Helix 2 des Lhca4 ermittelt werden.

Terrylendiimide als Biolabel und funktionelle Farbstoffe

In dieser Arbeit werden neue Rylenimide und Anwendungsmöglichkeiten für diese Farbstoffklasse beschrieben, die sich durch hohe Photostabilitäten und hohe Fluoreszenzquantenausbeute auszeichnet. Ziel dieser Arbeit war es, durch systematische Wahl der Substituenten in den Imidstrukturen und/oder den bay-Regionen von Rylendiimidfarbstoffen vollkommen neue Produkteigenschaften zu verwirklichen, Reaktionen bzw. Anwendungen zu ermöglichen und den Aufbau von komplexeren Chromophorarchitekturen zu gestatten. Das Strukturmotiv des Terrylendiimids nahm dabei die zentrale Rolle ein. Die Arbeit wurde in vier Kapitel aufgeteilt. Das Ziel des ersten Kapitels war es, wasserlösliche Terrylendiimide zur Untersuchung von biologischen Proben im Wellenlängenbereich über 600 nm einzusetzen. Ein wasserlösliches Terrylendiimid erwies sich dabei als deutlich photostabiler als zwei weitverbreitete Fluoreszenzfarbstoffe. Eine erste Proteinmarkierung mit monofunktionellem Farbstoff wurde an Proteinmolekülen erfolgreich durchgeführt. Durch gezielte Modifikationen konnten zwei Terrylendiimide hergestellt werden, die sich noch deutlich besser zum Abbilden von Zellstrukturen eignen. In dem zweiten Kapitel spielte die Löslichkeit von Rylendiimiden in organischen Lösungsmitteln eine zentrale Rolle. Es wurde eine Rylendiimidserie hergestellt, deren löslichkeitssteigernde Gruppen eine Organisation der Moleküle in ausgedehnten Stapelstrukturen nicht verhindern. Mit dieser Serie konnte das flüssigkristalline Verhalten und die Selbstorganisation in der Rylendiimidreihe untersucht werden. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurde die Selbstorganisation der Diimide in Donor-Akzeptor Gemischen untersucht. In STM-Experimenten konnten für alle drei Diimide selbstorganisierte Monoschichten mit dem Rastertunnelmikroskop mit molekularer Auflösung abgebildet werden. Darüber hinaus wurden in diesem Kapitel die ersten organischen Feldeffekttransistoren (OFET) auf der Basis des synthetisierten Terrylendiimids beschrieben. Im Rahmen eines Projektes in dem die elektronische Energieübertragung in Donor-Akzeptor-Diaden mit Hilfe von Einzelmolekülspektroskopie untersucht wird, wurde eine Perylendiimid-Terrylediimid Diade hergestellt. Die geringere Photostabilität des Donors ermöglichte zeitaufgelöste Einzelmolekül-messungen der Akzeptoremission mit und ohne Energietransfer vom Donor auf den Akzeptor. Durch diese Messungen konnten die Zeitkonstanten des Energietransfers für einzelne Diaden ermittelt werden. Ein weiterer Chromophor aus diesem Donor-Akzeptor-Paar soll die Möglichkeit eröffnen, den Energiefluß im Molekül gezielt zu manipulieren. Dazu wurde ein Donorchromophor mit zwei Akzeptoren in einem Multichromophor kombiniert. Im Rahmen der Synthesen dieser Arbeit wurden Terrylendiimide hergestellt, die in einer Imidstruktur eine Halogenfunktion trugen. Diese waren wichtige Synthesebausteine zum Aufbau von komplexen Chromophorarchitekturen. Ziel eines weiteren Kapitels war es, ein Terrylendiimid herzustellen, das als Sensibilisatorfarbstoff gemeinsam mit dem Haupt-Antennenkomplex von höheren Pflanzen LHCII in einer photoelektrochemischen Farbstoff-Solarzelle integriert werden konnte. Das hergestellte Terrylendiimid mit Carbonsäuregruppe eignete sich für Farbstoffsolarzellen auf Zinndioxidbasis.

Pflanzlicher Lichtsammler (LHCII) in Hybridkomplexen mit organischen Farbstoffen und anorganischen Halbleiter-Nanokristallen (Quantum dots)

Der Lichtsammelkomplex II (LHCII) höherer Pflanzen ist eines der häufigsten Membranproteine der Welt. Er bindet 14 Chlorophylle und 4 Carotinoide nicht kovalent und fungiert in vivo als Lichtantenne des Photosystems II. Eine optimale Absorption von Licht ist auch bei Solarzellen entscheidend und es liegt nahe hier dasselbe Prinzip zu verwenden. Dafür bietet sich der Einsatz biologischer Komponenten wie des LHCII an. Dieser wurde evolutionär für eine effektive Absorption und Weiterleitung von Sonnenenergie optimiert. Zusätzlich lässt er sich in vitro in rekombinanter Form rekonstituieren. Für eine eventuelle Nutzung des LHCII in technologischen Anwendungen bedarf es der Interaktion mit anderen, vorzugsweise synthetischen Komponenten. Daher wurde die Bindung und der Energietransfer zwischen dem LHCII und organischen Fluoreszenzfarbstoffen sowie anorganischen „Quantum dots“ (QDs) untersucht. rnMit Donorfarbstoffen wurde die Grünlücke des LHCII funktionell geschlossen. Dafür wurden bis zu vier Fluoreszenzfarbstoffe kovalent an den LHCII gebunden. Diese Interaktion erfolgte sowohl mit Maleimiden an Cysteinen als auch mit N-Hydroxysuccinimidylestern an Lysinen. Die Assemblierung, Struktur und Funktion des Pigment-Protein-Komplexes wurde durch die Fluoreszenzfarbstoffe nicht gestört.rnAuf der Suche nach einem Farbstoff, der als Akzeptor die vom LHCII aufgenommene Energie übernimmt und durch Elektronenabgabe in elektrische Energie umwandelt, wurden drei Rylenfarbstoffe, ein Quaterrylen und zwei Terrylene, untersucht. Der LHCII konnte mit allen Farbstoffen erfolgreich markiert werden. Für die Nutzung der Hybridkomplexe ergaben sich allerdings Probleme. Das Quaterrylen beeinträchtigte aufgrund seiner Hydrophobizität die Rekonstitution des Proteins, während bei beiden Terrylenen der Energietransfer ineffizient war.rn Zusätzlich zu den Standard-Verknüpfungen zwischen Farbstoffen und Proteinen wurde in dieser Arbeit die „native chemische Ligation“ etabliert. Hierfür wurde eine LHCII-Mutante mit N-terminalem Cystein hergestellt, markiert und rekonstituiert. Messdaten an diesem Hybridkomplex ließen auf einen Energietransfer zwischen Farbstoff und Protein schließen. rnIn Hybridkomplexen sollen langfristig zur Ladungstrennung fähige Typ II-QDs Anwendung finden, wobei der LHCII als Lichtantenne dienen soll. Bis diese QDs verwendet werden können, wurden grundlegende Fragen der Interaktion beider Materialen an Typ I-QDs mit Energietransfer zum LHCII untersucht. Dabei zeigte sich, dass QDs in wässriger Lösung schnell aggregieren und entsprechende Kontrollen wichtig sind. Weiterführend konnte anhand der Trennung von ungebundenem und QD-gebundenem LHCII die Bindung von LHCII an QDs bestätigt werden. Dabei wurden Unterschiede in der Bindungseffizienz in Abhängigkeit der verwendeten LHCII und QDs festgestellt. Durch Herstellung von Fusionsproteinen aus LHCII und Affinitätspeptiden konnte die Bindung optimiert werden. Ein Energietransfer von QDs zu LHCII war nicht sicher nachzuweisen, da in den Hybridkomplexen zwar die QD- (Donor-) Fluoreszenz gelöscht, aber die LHCII- (Akzeptor-) Fluoreszenz nicht entsprechend stimuliert wurde.rnZusammenfassend wurden in dieser Arbeit einige Hybridkomplexe hergestellt, die in weiterführenden Ansätzen Verwendung finden können. Auf die hier gewonnenen Erkenntnisse über Interaktionen zwischen LHCII und synthetischen Materialien kann jetzt weiter aufgebaut werden.

Einzelmolekül-Untersuchungen zu Faltung und Zusammenbau des Lichtsammelkomplexes LHCII

Zusammenfassungrn Der Faltungsprozess des Hauptlichtsammelkomplexes des Photosystems II aus höheren Pflanzen (light harvesting complex II, LHCII) wurde bereits mehrfach untersucht, die Experimente hierzu fanden stets im Ensemble statt. Anhand der bislang veröffentlichten Faltungskinetiken des LHCII aus höheren Pflanzen lassen sich aber keine eindeutigen Aussagen bezüglich der Diversität der Faltungswege treffen. Daher sollten im Rahmen dieser Arbeit Faltungskinetiken einzelner LHCII-Moleküle während der Komplexbildung aufgenommen werden, um weitergehende Informationen zum Faltungsmechanismus zu erhalten und zur Frage, ob hier mehrere unterschiedliche Wege eingeschlagen werden.rnHierfür war zunächst die Etablierung einer Oberflächenimmobilisierung mit Glas als Trägermaterial notwendig. Nachdem Versuche, diese Immobilisierung über einen His6-tag oder über einen heterobifunktionellen Linker zu bewerkstelligen, nicht zum Erfolg geführt haben, konnte eine Immobilisierung des Biotin-markierten Proteins an Oberflächen-gebundenes Avidin erreicht werden. Die Qualität dieser Immobilisierung wurde hierbei sowohl über Bindungsversuche mit fluoreszenzfarbstoffmarkiertem Protein als auch über eine direkte Kontrolle der Oberflächenbeschaffenheit mittels Rasterkraftmikroskopie überprüft. Die für die folgenden Versuche optimale Belegungsdichte wurde im konfokalen Fluoreszenzmikroskop ermittelt. Zudem wurde sichergestellt, dass die Proteine vereinzelt auf der Oberfläche immobilisiert vorliegen.rnAuf dieser Basis wurden LHCII-Komplexe, die zuvor in vitro rekonstituiert wurden, immobilisiert und Versuche zur kontrollierten Denaturierung unternommen, um Zerfalls-kinetiken im Verfahren der internen Totalreflexionsfluoreszenzmikroskopie (total internal reflection fluorescence, TIRF) aufnehmen zu können. Hierbei traten Schwierigkeiten bezüglich der Lebensdauer der Komplexe unter Laser-Belichtung auf, da sich die Löschung der Fluoreszenz durch Zerstrahlung der Pigmente einerseits oder Dissoziation der LHCII andererseits nicht unterscheiden ließen. Auch durch verschiedene Maßnahmen zur Erhöhung der Lebensdauer konnte diese nicht in dem Maße gesteigert werden, wie es experimentell notwendig gewesen wäre.rnFür das eigentliche Hauptziel dieser Arbeit – die Aufzeichnung von Einzelmolekül-Faltungskinetiken – war die Entwicklung einer Methode zur Rekonstitution oberflächen-immobilisierter LHCII-Apoproteine notwendig. Dieses Ziel wurde mithilfe einer Detergenzmisch-Rekonstitution erreicht. Der Erfolg der Rekonstitution konnte experimentell sowohl im Fluorimeter anhand des komplexinternen Energietransfers auf einen kovalent an das Protein gebundenen Infrarot-Fluorophor als auch im TIRF-Verfahren direkt beobachtet werden. Auch hier konnte nach ca. 80 Sekunden ein Ausbleichen der Komplexe während der Belichtung durch den Anregungs-Laser beobachtet werden.rnIn Versuchen zur Beobachtung des Komplexbildungsvorganges zeigte sich, dass die Rekonstitution offenbar durch die Belichtung massiv gestört wird. Ein weiteres Problem war eine sehr starke Hintergrundfluoreszenz, ausgelöst durch die zur Rekonstitution notwendige Pigmentlösung, die trotz der TIRF-Anregung von ausschließlich oberflächengebundenem Material die Fluoreszenz der Komplexe überlagerte. Somit konnte die Rekonstitution oberflächenimmobilisierter LHCII-Proteine zwar in Vorher-Nachher-Aufnahmen gezeigt werden, der Faltungsprozess an sich konnte dagegen im Rahmen dieser Arbeit nicht aufgezeichnet werden.

Oberflächenuntersuchungen von Metalla-Tetraazaporphyrinen

Ziel dieser Arbeit war es, ein System zu entwickeln, in dem ein durch Licht induzierter Elektronentransfer stattfinden kann. Dazu wurden ein Kupfer(II)- und ein Zink(II)Tetraazaporphyrin mit acht 4-tert-Butylphenyl-Substituenten synthetisiert (Cu4Dinit, Zn4Dinit). Die Energielücke von 1,85 eV zwischen HOMO und LUMO von Cu4Dinit in Lösung wurde mit Hilfe von Cyclovoltammetrie und UV/Vis-Messungen bestimmt. Somit ist sie größer als für Cu4Dinit Moleküle, die auf einer Oberfläche (Wolfram(100)) liegen und mit STM-, STS-Messungen untersucht wurden. Hier beträgt die Energielücke 1,35 eV, was durch eine Drehung der Phenylringe in die Ebene der Pyrrolringe des Makrozyklus und somit durch eine bessere Überlappung der Orbitale erklärt werden kann. Um die Wechselwirkung der Moleküle mit der Oberfläche zu untersuchen, wurde Cu4Dinit, wie oben beschrieben, auf Magnetit aufgedampft. Dadurch wurde ausschließlich die Wechselwirkung zwischen den Elektronenspins des Kupfer(II)-ions und den Elektronenspins des Eisens im Magnetit betrachtet. Durch Messungen der Röntgenabsorption und des XMCD-Effektes konnten das Spinmoment, Bahnmoment und das Gesamtmoment des Kupfers berechnet und eine anisotrope Kopplung des Elektronenspins des Kupferions zum Magnetit, in Abhängigkeit der Magnetisierungsrichtung des Magnetits, festgestellt werden. Wenn der Magnetit senkrecht zur Oberfläche (out-of-plane) magnetisiert ist, ist die Kopplung ferromagnetisch, während bei einer Magnetisierungsrichtung parallel zur Ebene (in-plane) des Magnetits der Elektronenspin des Kupfers antiferromagnetisch mit dem des Eisens koppelt. Dadurch muss der Hamiltonian, der die Wechselwirkung zwischen zwei Spins beschreibt, bei einer anisotropen Kopplung um einen ansiotropen Term ergänzt werden. Das Ergebnis, dass der Elektronenspin des Kupferions durch die Richtung der Magnetisierung des Magnetits beeinflusst werden kann, eröffnet neue Wege, um die Spinkonfiguration von auf der Oberfläche liegenden Molekülen mit ungepaarten Elektronen, wie die zentralen Metallionen der Makrozyklen aber auch die Elektronenspins anderer metallorganischer Komplexe oder molekulare Magnete, durch ein externes Magnetfeld zu beeinflussen. rnDurch die stöchiometrische Templatreaktion von Pyrazino[2,3-f][1,10]-phenanthrolin-2,3-di-carbonitril (Dicnq), Bis(4-tert-Butylphenyl)-fumarodinitril (Dinit) und Kupfer(II)-acetat wurde eine Koordinationsmöglichkeit für ein Ruthenium(II)-ion in einem Tetraazaporphyrin hergestellt und so die Makrozyklen Cu3Dinit1Dicnq und Zn3Dinit1Dicnq synthetisiert, mit Rutheniumionen versetzt und ebenfalls mit Hilfe von Röntgenabsorptionsmessungen und XMCD untersucht. Durch die Vergleiche mit Zn3Dinit1Dicnq und den jeweiligen Verbindungen mit koordinierten Rutheniumionen (Cu3Dinit1Dicnq-1Ru, Zn3Dinit1Dicnq-1Ru) konnte gezeigt werden, dass eine Verschiebung der Elektronendichte des Rutheniumions zu dem zentralen Kupferion des Makrozyklus stattgefunden hat und durch die Koordination eines Rutheniumions in der Peripherie des Tetraazaporphyrins die energetische Lage der Kupferorbitale beeinflusst wird.rnDer Einfluss von vier koordinierten Ruthenium(II)-ionen auf das zentrale Kupferion wurde an Hand des in dieser Arbeit hergestellten Kupfer(II)phenanthralocyanins (Cu4Dicnq) untersucht, das aus vier Dicnq-Liganden und Kupfer(II)-acetat synthetisiert wurde. Auf Grund der schlechten Löslichkeit wurde für die Koordination der Rutheniumionen der Prekursor [Ru(bipy)2Dicnq](PF6)2 hergestellt und daraus der Makrozyklus in einer Templatsynthese mit Kufper(II)-ionen gebildet. Durch diese neue Syntheseroute war es möglich, die Verbindung Cu4Dicnq-4Ru herzustellen und ebenfalls durch Röntgenabsorption und XMCD zu untersuchen und so das Spin- und Bahnmoment zu ermitteln. Ein Teil der Elektronendichte des Rutheniumions in dieser Verbindung wird auf die zusätzlich an das Rutheniumion koordinierten 2,2'-Bipyridine und nicht auf den Makrozyklus, wie in Cu3Dinit1Dicnq-1Ru, geschoben. Trotzdem konnte die Funktionsweise als Modell des Photosystems II durch eine Oxidation durch die Bestrahlung mit einer Quecksilberlampe mit para-Benzochinon beobachtet werden. Dies bestätigte die Funktionsweise des Kupfer(II)phenanthralocyanins mit koordinierten Rutheniumionen, da ein durch Licht induzierter Elektronenübergang auf das para-Benzochinon stattgefunden hat.rn

Carbon-11 Reveals Opposing Roles of Auxin and Salicylic Acid in Regulating Leaf Physiology, Leaf Metabolism, and Resource Allocation Patterns that Impact Root Growth in Zea mays

Auxin (IAA) is an important regulator of plant development and root differentiation. Although recent studies indicate that salicylic acid (SA) may also be important in this context by interfering with IAA signaling, comparatively little is known about its impact on the plant’s physiology, metabolism, and growth characteristics. Using carbon-11, a short-lived radioisotope (t 1/2 = 20.4 min) administered as 11CO2 to maize plants (B73), we measured changes in these functions using SA and IAA treatments. IAA application decreased total root biomass, though it increased lateral root growth at the expense of primary root elongation. IAA-mediated inhibition of root growth was correlated with decreased 11CO2 fixation, photosystem II (PSII) efficiency, and total leaf carbon export of 11C-photoassimilates and their allocation belowground. Furthermore, IAA application increased leaf starch content. On the other hand, SA application increased total root biomass, 11CO2 fixation, PSII efficiency, and leaf carbon export of 11C-photoassimilates, but it decreased leaf starch content. IAA and SA induction patterns were also examined after root-herbivore attack by Diabrotica virgifera to place possible hormone crosstalk into a realistic environmental context. We found that 4 days after infestation, IAA was induced in the midzone and root tip, whereas SA was induced only in the upper proximal zone of damaged roots. We conclude that antagonistic crosstalk exists between IAA and SA which can affect the development of maize plants, particularly through alteration of the root system’s architecture, and we propose that the integration of both signals may shape the plant’s response to environmental stress.

Growth at moderately elevated temperature alters the physiological response of the photosynthetic apparatus to heat stress in pea (Pisum sativum L.) leaves

The impact of heat stress on the functioning of the photosynthetic apparatus was examined in pea (Pisum sativum L.) plants grown at control (25 °C; 25 °C-plants) or moderately elevated temperature (35 °C; 35 °C-plants). In both types of plants net photosynthesis (Pn) decreased with increasing leaf temperature (LT) and was more than 80% reduced at 45 °C as compared to 25 °C. In the 25 °C-plants, LTs higher than 40 °C could result in a complete suppression of Pn. Short-term acclimation to heat stress did not alter the temperature response of Pn. Chlorophyll a fluorescence measurements revealed that photosynthetic electron transport (PET) started to decrease when LT increased above 35 °C and that growth at 35 °C improved the thermal stability of the thylakoid membranes. In the 25 °C-plants, but not in the 35 °C-plants, the maximum quantum yield of the photosystem II primary photochemistry, as judged by measuring the Fv/Fm ratio, decreased significantly at LTs higher than 38 °C. A post-illumination heat-induced reduction of the plastoquinone pool was observed in the 25 °C-plants, but not in the 35 °C-plants. Inhibition of Pn by heat stress correlated with a reduction of the activation state of ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco). Western-blot analysis of Rubisco activase showed that heat stress resulted in a redistribution of activase polypeptides from the soluble to the insoluble fraction of extracts. Heat-dependent inhibition of Pn and PET could be reduced by increasing the intercellular CO2 concentration, but much more effectively so in the 35 °C-plants than in the 25 °C-plants. The 35 °C-plants recovered more efficiently from heat-dependent inhibition of Pn than the 25 °C-plants. The results show that growth at moderately high temperature hardly diminished inhibition of Pn by heat stress that originated from a reversible heat-dependent reduction of the Rubisco activation state. However, by improving the thermal stability of the thylakoid membranes it allowed the photosynthetic apparatus to preserve its functional potential at high LTs, thus minimizing the after-effects of heat stress.

Inhibition of photosynthesis by high temperature in oak (Quercus pubescens L.) leaves grown under natural conditions closely correlates with a reversible heat-dependent reduction of the activation state of ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase

Inhibition of the net photosynthetic CO2 assimilation rate (Pn) by high temperature was examined in oak (Quercus pubescens L.) leaves grown under natural conditions. Combined measurements of gas exchange and chlorophyll (Chl) a fluorescence were employed to differentiate between inhibition originating from heat effects on components of the thylakoid membranes and that resulting from effects on photosynthetic carbon metabolism. Regardless of whether temperature was increased rapidly or gradually, Pn decreased with increasing leaf temperature and was more than 90% reduced at 45 °C as compared to 25 °C. Inhibition of Pn by heat stress did not result from reduced stomatal conductance (gs), as heat-induced reduction of gs was accompanied by an increase of the intercellular CO2 concentration (Ci). Chl a fluorescence measurements revealed that between 25 and 45 °C heat-dependent alterations of thylakoid-associated processes contributed only marginally, if at all, to the inhibition of Pn by heat stress, with photosystem II being remarkably well protected against thermal inactivation. The activation state of ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco) decreased from about 90% at 25 °C to less than 30% at 45 °C. Heat stress did not affect Rubisco per se, since full activity could be restored by incubation with CO2 and Mg2+. Western-blot analysis of leaf extracts disclosed the presence of two Rubisco activase polypeptides, but heat stress did not alter the profile of the activase bands. Inhibition of Pn at high leaf temperature could be markedly reduced by artificially increasing Ci. A high Ci also stimulated photosynthetic electron transport and resulted in reduced non-photochemical fluorescence quenching. Recovery experiments showed that heat-dependent inhibition of Pn was largely, if not fully, reversible. The present results demonstrate that in Q. pubescens leaves the thylakoid membranes in general and photosynthetic electron transport in particular were well protected against heat-induced perturbations and that inhibition of Pn by high temperature closely correlated with a reversible heat-dependent reduction of the Rubisco activation state.

The nitrogen costs of photosynthesis in a diatom under current and future pCO2

With each cellular generation, oxygenic photoautotrophs must accumulate abundant protein complexes that mediate light capture, photosynthetic electron transport and carbon fixation. In addition to this net synthesis, oxygenic photoautotrophs must counter the light-dependent photoinactivation of Photosystem II (PSII), using metabolically expensive proteolysis, disassembly, resynthesis and re-assembly of protein subunits. We used growth rates, elemental analyses and protein quantitations to estimate the nitrogen (N) metabolism costs to both accumulate the photosynthetic system and to maintain PSII function in the diatom Thalassiosira pseudonana, growing at two pCO2 levels across a range of light levels. The photosynthetic system contains c. 15-25% of total cellular N. Under low growth light, N (re)cycling through PSII repair is only c. 1% of the cellular N assimilation rate. As growth light increases to inhibitory levels, N metabolite cycling through PSII repair increases to c. 14% of the cellular N assimilation rate. Cells growing under the assumed future 750 ppmv pCO2 show higher growth rates under optimal light, coinciding with a lowered N metabolic cost to maintain photosynthesis, but then suffer greater photoinhibition of growth under excess light, coincident with rising costs to maintain photosynthesis. We predict this quantitative trait response to light will vary across taxa.

Synergistic effects of pCO2 and iron availability on nutrient consumption ratio of the Bering Sea phytoplankton community

Little is known concerning the effect of CO2 on phytoplankton ecophysiological processes under nutrient and trace element-limited conditions, because most CO2 manipulation experiments have been conducted under elements-replete conditions. To investigate the effects of CO2 and iron availability on phytoplankton ecophysiology, we conducted an experiment in September 2009 using a phytoplankton community in the iron limited, high-nutrient, low-chlorophyll (HNLC) region of the Bering Sea basin . Carbonate chemistry was controlled by the bubbling of the several levels of CO2 concentration (180, 380, 600, and 1000 ppm) controlled air, and two iron conditions were established, one with and one without the addition of inorganic iron. We demonstrated that in the iron-limited control conditions, the specific growth rate and the maximum photochemical quantum efficiency (Fv/Fm) of photosystem (PS) II decreased with increasing CO2 levels, suggesting a further decrease in iron bioavailability under the high-CO2 conditions. In addition, biogenic silica to particulate nitrogen and biogenic silica to particulate organic carbon ratios increased from 2.65 to 3.75 and 0.39 to 0.50, respectively, with an increase in the CO2 level in the iron-limited controls. By contrast, the specific growth rate, Fv/Fm values and elemental compositions in the iron-added treatments did not change in response to the CO2 variations, indicating that the addition of iron canceled out the effect of the modulation of iron bioavailability due to the change in carbonate chemistry. Our results suggest that high-CO2 conditions can alter the biogeochemical cycling of nutrients through decreasing iron bioavailability in the iron-limited HNLC regions in the future.

Surface water properties, phytoplankton composition and photosynthesis rates of Amundsen Sea sites

The phytoplankton community composition and productivity in waters of the Amundsen Sea and surrounding sea ice zone were characterized with respect to iron (Fe) input from melting glaciers. High Fe input from glaciers such as the Pine Island Glacier, and the Dotson and Crosson ice shelves resulted in dense phytoplankton blooms in surface waters of Pine Island Bay, Pine Island Polynya, and Amundsen Polynya. Phytoplankton biomass distribution was the opposite of the distribution of dissolved Fe (DFe), confirming the uptake of glacial DFe in surface waters by phytoplankton. Phytoplankton biomass in the polynyas ranged from 0.6 to 14 µg Chl a / L, with lower biomass at glacier sites where strong upwelling of Modified Circumpolar Deep Water from beneath glacier tongues was observed. Phytoplankton blooms in the polynyas were dominated by the haptophyte Phaeocystis antarctica, whereas the phytoplankton community in the sea ice zone was a mix of P. antarctica and diatoms, resembling the species distribution in the Ross Sea. Water column productivity based on photosynthesis versus irradiance characteristics averaged 3.00 g C /m**2/d in polynya sites, which was approximately twice as high as in the sea ice zone. The highest water column productivity was observed in the Pine Island Polynya, where both thermally and salinity stratified waters resulted in a shallow surface mixed layer with high phytoplankton biomass. In contrast, new production based on NO3 uptake was similar between different polynya sites, where a deeper UML in the weakly, thermally stratified Pine Island Bay resulted in deeper NO3 removal, thereby offsetting the lower productivity at the surface. These are the first in situ observations that confirm satellite observations of high phytoplankton biomass and productivity in the Amundsen Sea. Moreover, the high phytoplankton productivity as a result of glacial input of DFe is the first evidence that melting glaciers have the potential to increase phytoplankton productivity and thereby CO2 uptake, resulting in a small negative feedback to anthropogenic CO2 emissions.

Temperature tolerance of western Baltic Sea Fucus vesiculosus - growth, photosynthesis and survival

Fucus vesiculosus L. (Phaeophyceae) is the most abundant and hence ecologically most important primary producer, carbon sink and habitat provider in the western Baltic Sea. All F. vesiculosus L. specimens were collected on 23 April 2014 from a depth of 0.2-1 m in the non-tidal Kiel Fjord, western Baltic Sea (54°27'N; 10°12'E), where this species forms dense and almost monospecific stands on stones. After sampling the algal thalli were stored in a refrigerator box with water from the sampling site, transported to Bremerhaven and stored at 10 °C for one day in filtered seawater. Experiments were conducted with vegetative apical tips (6.7±0.5 cm length), the actively growing region of F. vesiculosus, which were randomly selected and cut from 144 different individuals prior to the experiments. These tips were acclimated to laboratory conditions for three days in filtered seawater at 10 °C before the start of the experiment. Furthermore, 30 additional vegetative apices were freeze-dried to document the initial biochemical status of F. vesiculosus in its native habitat. A temperature gradient was installed in a walk-in constant cooling chamber (15 °C) in nine water baths (5, 10, 15, 20, 24, 26, 27, 28 and 29 °C ± 0.1 °C) which were tempered by thermostats (5, 10 and 15 °C: Huber Variostat CC + Pilot ONE, Peter Huber Kältemaschinen GmbH, Offenburg, Germany; 20 and 28 °C: Haake DC3, Thermo Fisher Scientific Inc., Waltham, USA; 24, 26, 27 and 29 °C: Haake DC10). Every temperature treatment consisted of four 2 L glass beakers (n = 4). In each beaker four F. vesiculosus apices were grown in 2 µm-filtered North Sea water diluted with demineralized water in a ratio of 1:1 and enriched with nutrients after Provasoli (1968; 1/10 enrichment), leading to a salinity of about 15.6 which equaled habitat conditions. The algae were exposed to an irradiance of 130 µmol photons m-2 s-1 ±10 % (Powerstar HGI-TS 150 W, OSRAM GmbH, Bad Homburg, Germany) measured at the top of the beaker under a 16:8 h L:D cycle. The media in the beakers was changed every third or fourth day and aerated with artificial air containing 380 ppm CO2 (gas mixing device; HTK Hamburg GmbH, Hamburg, Germany). Before the experiment, the algae were acclimated to the final temperatures in steps of 5 °C for 2 days each, beginning at 10 °C. After 21 days exposure time, three out of four samples per replicate were freeze-dried for further biochemical analyses, and afterwards the thermostats were turned off to reduce the temperature to 16±0.4 °C for another 10 days permitting growth under post-culture conditions.

(Table 1) Effects of desiccation on photochemical processes and nitrogenase activity in Nostoc commune s.l. colonies

The effects of desiccation on photochemical processes and nitrogenase activity were evaluated in Nostoc commune s.l. colonies in situ from a wet thufur meadow at Petuniabukta, Billefjorden, Central Svalbard, during the 2009 arctic summer. The colonies were collected in the fully hydrated state, and were subjected to slow desiccation at ambient temperatures (5 - 8°C) and low light (30 - 80 µmol/m**2/s). For each colony the weight, area, photochemical performance, and nitrogenase activity were determined at the beginning, as well as on every day during the first four days of the experiment; thereafter, on every second day until desiccation was complete. The photochemical performance was evaluated from variable chlorophyll fluorescence parameters (FV/FM, Phi(PSII) , qP, and NPQ), and the nitrogenase activity was estimated by an acetylene-ethylene reduction assay. A significant decrease in the photochemically active area was recorded from the third day, when the colony had lost approximately 40% of its original weight indicating some changes in the extracellular matrix, and stopped on the 14th to 18th day. No effects of the desiccation on the main photochemical parameters (FV/FM, Phi(PSII), qP) were observed up to the sixth to eighth days of desiccation. Slightly lower values of FV/FM and Phi(PSII) recorded in fully-hydrated colonies could be caused by impaired diffusion of CO2 into cells. The steep reduction of photochemical activity occurred between the eighth and tenth day of the experiment, when the colony had lost approximately 80% of its fully-hydrated weight. The nitrogenase activity was highest on the first day, probably due to improved diffusion of N2 into cells, then declined, but was detectable until the sixth day of the experiment. Since Nostoc commune s.l. colonies were capable of photosynthesis and nitrogen fixation to the level of ca. 60% of its fully-hydrated weight, even partly-hydrated colonies contribute substantially to carbon and nitrogen cycling in the High Arctic wet meadow tundra ecosystem.

Chlorophyll fluorescence lifetimes and variable fluorescence parameters from phytoplankton in the global ocean

In situ data was collected between 2008-2014 in upper ocean. This data set includes the date, local time, coordinate, lifetime value, and variable fluorescence values.

Increased CO2 modifies the carbon balance and the photosynthetic yield of two common Arctic brown seaweeds: Desmarestia aculeata and Alaria esculenta

Ocean acidification affects with special intensity Arctic ecosystems, being marine photosynthetic organisms a primary target, although the consequences of this process in the carbon fluxes of Arctic algae are still unknown. The alteration of the cellular carbon balance due to physiological acclimation to an increased CO2 concentration (1300 ppm) in the common Arctic brown seaweeds Desmarestia aculeata and Alaria esculenta from Kongsfjorden (Svalbard) was analysed. Growth rate of D. aculeata was negatively affected by CO2 enrichment, while A. esculenta was positively affected, as a result of a different reorganization of the cellular carbon budget in both species. Desmarestia aculeata showed increased respiration, enhanced accumulation of storage biomolecules and elevated release of dissolved organic carbon, whereas A. esculenta showed decreased respiration and lower accumulation of storage biomolecules. Gross photosynthesis (measured both as O2 evolution and 14C fixation) was not affected in any of them, suggesting that photosynthesis was already saturated at normal CO2 conditions and did not participate in the acclimation response. However, electron transport rate changed in both species in opposite directions, indicating different energy requirements between treatments and species specificity. High CO2 levels also affected the N-metabolism, and 13C isotopic discrimination values from algal tissue pointed to a deactivation of carbon concentrating mechanisms. Since increased CO2 has the potential to modify physiological mechanisms in different ways in the species studied, it is expected that this may lead to changes in the Arctic seaweed community, which may propagate to the rest of the food web.