Summary
Morphogenesis and metabolism of the gametophytes (= sporelings) of the common male fern Dryopteris filix-mas are controlled by visible radiation. Short wavelengths visible radiation (= blue light) leads to an increase in protein synthesis and makes possible the formation of “normal” two-dimensional prothallia. Under long wavelengths visible radiation (= red light) the sporelings grow as cellular filaments the protein contents of which are markedly lower than under blue irradiation even under conditions of equal rate of dry matter accumulation in red and blue (Ohlenroth and Mohr, 1963). — It is shown in the present paper that the RNA content of sporelings of the same age is always higher in blue light than in red light (Figs. 1, 3). The blue-dependent increase of RNA occurs faster than the blue-dependent increase of protein (Fig. 2). Furthermore the increase of protein per sporeling is much larger than the increase of RNA (Fig. 4). These facts are in agreement with the hypothesis that in some way or another blue light initiates differential gene activation.
The blue light-dependent morphological changes which occur if we put red grown filamentous sporelings under blue light can be measured much faster than the blue light-dependent increase of the bulk protein (Figs. 5, 6). We have to conclude as we did in a previous paper (Kasemir and Mohr, 1965) that the blue light-dependent increase in the protein content of the sporelings might be mainly due to an increase of chloroplast protein. — The blue light-dependent increase of the RNA content occurs at least as fast as the morphological changes (Figs. 5, 6). This finding is supplemented by the observation (Fig. 8) that blue light markedly and rapidly stimulates the incorporation of 14C into RNA. The 14C was applied as 14C-uridine (U). — It seems that blue light causes an increase of protein synthesis in the chloroplasts as well as in the cytoplasm. Blue light-dependent RNA synthesis seems to be involved in this response. These data support the view that blue light might exert its morphogenetic control through differential gene activation.
Zusammenfassung
In einer früheren Arbeit wurde gezeigt (Ohlenroth und Mohr, 1963), daß sich die Vorkeime von Dryopteris filix-mas im Blaulicht zu “normalen” zweidimensionalen Prothallien mit einem relativ hohen Proteingehalt entwickeln. Im Hellrot hingegen bilden sich Zellfäden (= Protonemen) aus, deren Proteingehalt bei gleicher Photosyntheseleistung wesentlich geringer ist.
In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, daß auch der RNS-Gehalt im Blaulicht stets größer als im Hellrot ist. Die blaulichtabhängige RNS-Zunahme setzt zeitlich früher ein als die Proteinzunahme.
In Umsetzexperimenten von Hellrot nach Blau manifestiert sich die morphogenetische Umsteuerung der Protonemen zeitlich eher als die blaulichtabhängige Steigerung des Proteingehalts. Kasemir und Mohr (1965) konnten zeigen, daß es sich bei dem “Blaulichtprotein” in erster Linie um eine Vermehrung des Strukturproteins der Chloroplasten hanhandelt. Die blaulichtabhängige RNS-Zunahme dagegen ist spätestens zum Zeitpunkt der morphologischen Umsteuerung faßbar. Dieses Ergebnis wird dadurch gestützt, daß Blaulicht im Vergleich zu Hellrot rasch einen gesteigerten Einbau von 14C, als 14C-Uridin (U) geboten, in die RNS-Fraktion verursacht. Das Blaulicht scheint in den Farnvorkeimen zwei verschiedene Vorgänge zu verursachen. 1. Steigerung einer autonomen Proteinsynthese in den Chloroplasten. 2. Auslösung oder Steigerung einer spezifischen Enzymsynthese im Cytoplasma. Die blaulichtabhängige Steigerung der RNS-Synthese scheint damit in Zusammenhang zu stehen. Die Daten der vorliegenden Arbeit werden als Indizien dafür angesehen, daß das Blaulicht seine morphogenetische Wirkung über eine differentielle Genaktivierung ausübt.
Similar content being viewed by others
Literatur
Bergfeld, R.: Der Einfluß roter und blauer Strahlung auf die Ausbildung der Chloroplasten bei gehemmter Proteinsynthese. Z. Naturforsch. 19b, 1076–1078 (1964a).
Brawerman, G., A. O. Pogo, and E. Chargaff: Induced formations of ribonucleic acids and plastid protein in Euglena gracilis under the influence of light. Biochim. biophys. Acta (Amst.) 55, 326–334 (1959).
Casper, R., u. A. Pirson: Grund- und Säurestoffwechsel in Blättern von Kalanchoe rotunditolia Haw. bei Farblichtkultur. Flora (Jena) 156, 177–196 (1965).
Etzold, H.: Der Polarotropismus und Phototropismus der Chloronemen von Dryopteris filix-mas (L.) Schott. Planta (Berl.) 64, 254–280 (1965).
Hämmerling, J., u. K. Zetsche: Zeitliche Steuerung der Formbildung von Acetabularia. Umschau 15, 489–492 (1966).
Heber, U.: Ribonucleinsäuren in den Chloroplasten der Blattzelle. Planta (Berl.) 59, 600–616 (1963).
Hotta, Y., and S. Osawa: Control of differentiation in the fern gametophyte by amino acid analogs and 8-azaguanine. Exp. Cell Res. 15, 85–94 (1958).
Janowski, M.: Synthèse chloroplastique d'acides nucléiques chez Acetabularia mediterranea. Biochim. biophys. Acta (Amst.) 103, 399–408 (1965).
Kasemir, H., u. H. Mohr: Die Regulation von Chlorophyll- und Proteingehalt in Farnvorkeimen durch sichtbare Strahlung. Planta (Berl.) 67, 33–43 (1965).
Kowallik, W.: Über die Wirkung des blauen und roten Spektralbereichs auf die Zusammensetzung und Zellteilung synchronisierter Chlorellen. Planta (Berl.) 58, 337–365 (1962).
—: Die Proteinproduktion von Chlorella im Licht verschiedener Wellenlängen. Planta (Berl.) 64, 191–200 (1965).
Mohr, H.: Die Beeinflussung der Keimung von Farnsporen durch Licht und andere Faktoren. Planta (Berl.) 46, 534–551 (1956a)
—: Die Abhängigkeit des Protonemawachstums und der Protonemapolarität bei Farnen vom Licht. Planta (Berl.) 47, 127–158 (1956b).
—: Die Steuerung der Entwicklung durch Licht am Beispiel der Farngametophyten. Ber. dtsch. bot. Ges. 78, 54–68 (1965).
—, U. Meyer u. K. Hartmann: Die Beeinflussung der Farnsporenkeimung [Osmunda cinnamomea (L.) u. Osmunda claytonia (L.)] über das Phytochromsystem und die Photosynthese. Planta (Berl.) 60, 483–496 (1964).
—, u. K. Ohlenroth: Photosynthese und Photomorphogenese bei Farnvorkeimen von Dryopteris filix-mas. Planta (Berl.) 57, 656–664 (1962).
Nieman, R. H., and L. L. Poulsen: The light dependence of nucleic acid and protein synthesis by isolated radish cotyledonary leaves. Plant. Physiol. 37, Suppl. XXI–XXII (1962).
Ohlenroth, K., u. H. Mohr: Die Steuerung der Proteinsynthese und der Morphogenese bei Farnvorkeimen durch Licht. Planta (Berl.) 59, 427–441 (1963).
Pirson, A., and W. Kowallik: Spectral responses to light by unicellular plants. Photochem. and Photobiol. 3, 489–497 (1964).
Richter, G.: Die Wirkung von blauer und roter Strahlung auf die Morphogenese von Acetabularia. Naturwissenschaften 49, 238–239 (1962).
—, u. J. Kirschstein: Regeneration und Photosynthese-Leistung kernhaltiger Zell-Teilstücke von Acetabularia in blauer und roter Strahlung. Z. Pflanzenphysiol. 54, 106–117 (1966).
Schnarrenberger, C.: Staatsexamensarbeit, Botanisches Institut der Universität Freiburg i. Br. 1966.
Schweiger, H. G., and S. Berger: DNA-dependent RNA synthesis in chloroplasts of Acetabularia. Biochim. biophys. Acta (Amst.) 87, 533–535 (1964).
Sevag, M., D. B. Lackmann, and J. Smolens: The isolation of the components of streptococcal nucleoproteins in serologically active form. J. biol. Chem. 124, 425–436 (1938).
Smillie, R. M., and G. Krotkov: The estimation of nucleic acids in some algae and higher plants. Canad. J. Bot. 38, 31–51 (1961).
Vischer, E., and E. Chargaff: The composition of the pentose nucleic acids of yeast and pancreas. J. biol. Chem. 176, 715–735 (1948).
Weidner, M., M. Jacobs, u. H. Mohr: Über den Einfluß des Phytochroms auf den Gehalt an Ribonucleinsäure und Protein in Senfkeimlingen (Sinapis alba L.). Z. Naturforsch. 20b, 689–693 (1965).
Wissenschaftliche Tabellen. Documenta Geigy, 6. Aufl. Basel: J. R. Geigy AG, 1960.
Wollgiehn, R., u. B. Parthier: Ein Beitrag zur quantitativen Bestimmung von Ribonucleinsäure und Protein in Blättern. Flora (Jena) 154, 325–348 (1964).
Zetsche, K.: Regulation der zeitlichen Aufeinanderfolge von Differenzierungsvorgängen bei Acetabularia mediterranea. Z. Naturforsch. 21b, 375–379 (1966).
Author information
Authors and Affiliations
Additional information
Die Arbeit wurde durch Sachbeihilfen der Deutschen Forschunggemeinschaft und der Stiftung Volkswagenwerk gefördert.
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Drumm, H., Mohr, H. Die Regulation der RNS-Synthese in Farngametophyten Durch Licht. Planta 72, 232–246 (1966). https://doi.org/10.1007/BF00386749
Received:
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.1007/BF00386749