Der Einfluß von Rot- und Blaulicht auf die Photosynthese vonAcetabularia mediterranea und auf die Verteilung des assimilierten Kohlenstoffs

Summary

After photosynthesis for two hours in white light (8000 lux), cells of the marine chlorophycean algaAcetabularia mediterranea contain about 80% of the¹⁴C incorporated in ethanol soluble form, about 12% in starch, 2–3% in protein, and 6% in the cell wall.

When cells are irradiated with red light (continuous light, 3800 erg · cm⁻² · sec⁻¹), the incorporation rate for all four fractions is sharply reduced (Fig. 1). Concomitantly, the¹⁴C content in the ethanol soluble fraction rises in three weeks from 80% to about 90%, to the debit of starch and cell wall. In contrast to these findings, incorporation into starch, cell wall, and protein under blue light (continuous light, 5600 erg · cm⁻² · sec⁻¹) rises with the irradiation time (Fig. 1).

Starch content per cell rises under red light in spite of declining incorporation rates of¹⁴C into starch, whereas it is clearly reduced in blue light below the values for red light cells, notwithstanding the increased¹⁴C incorporation rates (Tables 1 and 2). Accumulation of starch under red light seems to be due, therefore, to an inhibition of starch degradation.

Soluble carbohydrate content (fructose, glucose, sucrose, fructosans) stagnates in red light cells and is multiplied in blue light cells (Table 1).

Blue light irradiation after red light pretreatment increases the intensity of photosynthesis. The assimilation rate rises after an irradiation period of eight hours, reaching, after 48 to 72 hours of irradiation, about five to six times the level at the end of the red light period.

Obviously, this rise in the assimilation rate must be preceded by protein synthesis (Fig. 3).¹⁴C incorporation into starch and cell wall rises even before the increase in total fixation, too, and, in addition, degradation of starch accumulated during the red light pretreatment is initiated (Table 2). The main amount of¹⁴C in the soluble fraction falls to soluble carbohydrates. Irradiation with blue light after red light pretreatment results at first in a reduction of¹⁴C incorporation into soluble carbohydrates, followed by a sharp increase till the 72nd hour and another decline (Fig. 4).¹⁴C incorporation into fructose, sucrose, and glucose follows this pattern, whereas incorporation into “inulin” increases continuously till the 72nd hour (Fig. 5).

The amount falling to the basic and the acid fractions is small, in contrast.¹⁴C incorporation into both fractions rises continuously in blue light (Fig. 4).

Amino acids are formed in the cells even after a three-week period of red light irradiation. Furthermore, the amino acid content is highest at the end of the red light pretreatment (Table 3). Thus, the rate of protein synthesis in red light seems not to be limited by amino acid concentration.

The cause for the reduction of photosynthesis under irradition with red light does not become obvious from the data obtained. Factors possibly playing a role in this process are discussed.

Zusammenfassung

Bei Zellen der marinen Grünalge Acetabularia mediterranea liegen nach 2stündiger Photosynthese im Weißlicht (8000 Lux) etwa 80% des fixierten¹⁴C in äthanollöslicher Form vor, etwa 12% entfallen auf Stärke, 2–3% auf Protein und 6% auf die Zellwand.

Werden die Zellen mit Rotlicht (Dauerlicht, 3800 erg · cm⁻² · sec⁻¹) bestrahlt, so fällt die Einbaurate in allen 4 Fraktionen stark ab (Abb. 1). Dabei nimmt der¹⁴C-Anteil in der äthanollöslichen Fraktion innerhalb von 3 Wochen zu Lasten der Stärke und Zellwand von 80% auf ca. 90% zu. Im Gegensatz dazu wird im Blaulicht (Dauerlicht, 5600 erg · cm⁻² · sec⁻¹) mit der Bestrahlungsdauer der Einbau in Stärke, Zellwand und Protein gefördert (Abb. 1).

Trotz sinkender Einbauraten von¹⁴C in Stärke nimmt im Rotlicht der Stärkegehalt pro Zelle zu, liegt dagegen im Blaulicht trotz höherer¹⁴C-Einbauraten deutlich unter demjenigen der Rotlichtzellen (Tabelle 1 und 2). Die Akkumulation von Stärke im Rotlicht dürfte demnach auf einer Hemmung des Stärkeabbaus beruhen.

Der Gehalt an löslichen Kohlenhydraten (Fructose, Glucose, Saccharose, Fructosane) stagniert in Rotlichtzellen und steigt in Blaulichtzellen um ein Mehrfaches an (Tabelle 1).

Bestrahlung mit Blaulicht nach Rotlichtvorbehandlung führt zu einem Ansteigen der Photosyntheseintensität. Nach 8stündiger Bestrahlung nimmt die Fixierungsrate zu und erreicht nach 48- bis 72stündiger Bestrahlung etwa das 5- bis 6fache des am Ende der Rotlichtbestrahlung gemessenen Wertes (Abb. 2).

Diesem Anstieg der Fixierungsrate muß offenbar eine Synthese von Proteinen vorausgehen (Abb. 3). Auch der¹⁴C-Einbau in Stärke und die Zellwand steigt bereits vor der Gesamtfixierung an, und außerdem wird der Abbau der während der Rotlichtvorbehandlung akkumulierten Stärke eingeleitet (Tabelle 2).

Der Hauptanteil des¹⁴C in der löslichen Fraktion entfällt auf die löslichen Kohlenhydrate. Bestrahlung mit Blaulicht nach Rotlichtvorbehandlung führt zunächst zu einer Abnahme des¹⁴C-Einbaus in die löslichen Kohlenhydrate, gefolgt von einem starken Anstieg bis zur 72. Stunde und einem erneuten Abfall (Abb. 4). Während der¹⁴C-Einbau in Fructose, Saccharose und Glucose diesem Kurvenverlauf folgt, steigt der Einbau in „Inulin“ bis zur 72. Stunde kontinuierlich an (Abb. 5).

Demgegenüber ist der auf die basische (Aminosäuren) und die saure Fraktion entfallende Anteil gering. Der¹⁴C-Einbau in beide nimmt im Blaulicht kontinuierlich zu (Abb. 4). Aminosäuren werden in den Zellen auch nach 3wöchiger Bestrahlung mit Rotlicht gebildet. Ferner ist der Gehalt an Aminosäuren am Ende der Rotlichtvorbehandlung am höchsten (Tabelle 3). Die Syntheserate von Protein in Rotlicht dürfte demnach nicht durch die Aminosäurekonzentration begrenzt werden.

Die Ursache für den Abfall der Photosyntheseintensität bei Rotlichtbestrahlung ist den vorliegenden Daten nicht zu entnehmen. Die Möglichkeiten, die dabei eine Rolle spielen könnten, werden diskutiert.