Molekulare Lichtstressmechanismen in Höheren Pflanzen

Lichtstress oder Photooxidation bezeichnet den Zustand in dem die überschüssige absorbierte Lichtenergie, die nicht durch Photosynthese in chemische Energie umgewandelt werden kann, zur Bildung von reaktiven Sauerstoffradikalen führt. Diese Radikale verursachen dann die Oxidation und somit Schädigung verschiedenster Zellbestandteile. Pflanzen haben mehrere Mechanismen entwickelt, um diese Schäden zu verhindern oder wenigstens zu minimieren. In der vorliegenden Arbeit wurden einige der molekularen Mechanismen zur Photoprotektion untersucht.Isoprenoide, insbesondere Carotinoide und Tocopherole sind effektive Antioxidatien, die reaktive Sauerstoffradikale detoxifizieren. Carotinoide sind essentielle akzessorische Pigmente der Lichtsammelkomplexe und sind maßgeblich am Prozess des nonphotoquemical quenching (NPQ) beteiligt, bei dem überschüssige absorbierte Energie als Wärme abgeleitet wird. Somit ist der Biosyntheseweg dieser Stoffklasse ein interessanter Angriffspunkt zur genetischen Manipulation geworden. Durch Einführung bakterieller Gene des frühen Biosyntheseweges (GGDP-Synthase und Phytoensynthase) wurde die biosynthetische Kapazität von Carotinoide und Tocopherole in Nicotiana tabacum Pflanzen erhöht. Die hierdurch auftretende Problematik der Verfügbarkeit der Synthesevorstufen konnte durch die kombinierte Einführung beider Enzyme überwunden werden. Zudem konnte eine Kompensation zwischen Carotinoiden und Tocopherolen im Lichtstress nachgewiesen werden.Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag jedoch auf der Untersuchung der ELIP Protein Familie. Diese integralen Proteine der Thylakoidmembran aus der Familie der der Chlorophyll a/b bindenden Proteine werden im Starklicht induziert und binden zum Teil Pigmente. Es wurde vermutet, dass sie an der Photoprotektion beteiligt sind, indem sie frei werdende Chlorophylle binden und so eine erhöhte Radikalbildung verhindern, oder/und durch Bindung von Carotinoiden am NPQ beteiligt sind. Um die physiologische Funktion der ELIP-Proteine zu untersuchen, wurden Arabidosis thaliana Mutanten hergestellt/isoliert die entweder die Proteine konstitutiv überexprimieren oder in denen diese Proteine fehlen, und anschließend ihre Toleranz gegenüber Lichtstress untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass nur unter extrem photoinhibitorischen Bedingungen eine Korrelation zwischen ELIP1 und ELIP2 Gehalt und Stress-Toleranz herrscht. Diese Beobachtung lässt auf diverse Kompensationsmechanismen schließen, die unter mildem Stress keinen eindeutigen Phänotyp aufkommen lassen.Zu den ELIP Proteinen zählen auch mehrere andere Proteine (SEPs und OHPs), alle mit hoch konservierten membranspannenden α-Helices, und putativen Pignment-Bindestellen. Die Charakterisierung von Mutanten mit fehlenden OHP1 oder OHP2 Protein ergab, dass diese Proteine essentiell für die Photoprotektion von Photosystem I sind. Im homozygoten Zustand wiesen beide Mutanten einen stark gebleichten Phänotyp auf und waren nicht imstande sich fortzupflanzen. Selbst unter Schwachlichtbedingungen herrschten photooxidative Bedingungen, die sich unter anderem im Abbau mehrerer Proteine des Photosyntheseapparats widerspiegelten