Two-Photon Spectroscopy of Wildtype-Plants and Mutants of Arabidopsis thaliana

Die Photosynthese ist einer der bedeutesten enzymatischen Prozesse. Da die Sonneneinstrahlung auf Pflanzen während eines Tages und über das Jahr starken Schwankungen unterliegt, haben sich neben den eigentlichen Prozessen des Lichtsammelns auch Regulationsmechanismen ausgebildet, um die Pflanze vor der Beschädigung durch überschüssige Energie zu schützen. Sowohl für die Lichtabsorption als auch für diese Schutzreaktionen sind die Wechselwirkungen der Pflanzenpigmente, Chlorophylle und Carotinoide von entscheidender Bedeutung. Die Prozesse der Lichtabsorption und der anschließende Energietransfer in Pflanzen laufen auf Piko- oder sogar Femtosekundenzeitskalen ab. Für einen effektiven Schutz muss auch der Energietransfer der Regulationsmechanismen auf ähnlich schnellen Zeitskalen ablaufen. Durch kombinierte Einphotonenanregung der Chlorophylle und Zweiphotonenanregung der Carotinoide mit jeweiliger Detektion der Chlorophyllfluoreszenz können die Wechselwirkungen der in der Pflanze vorliegenden Pigmente sowohl im helladaptierten Zustand als auch im dunkeladaptierten Zustand untersucht werden. So können Rückschlüsse auf die Energietransferwege in Pflanzen gewonnen werden, um so den Ablauf des nicht-photochemischen Quenchens zubestimmen. Die Messungen wurden in vivo an Blättern des Wildtyps der biologischen Modellpflanze Arabidopsis thaliana und an charakterisierten Mutanten von Arabidopsis thaliana durchgeführt. Diese Mutanten besitzen Veränderungen in der Carotinoidbiosynthese oder bei der Ausbildung von Photosystemuntereinheiten. Die Ergebnisse der Messungen deuten daraufhin, dass nicht-photochemisches Quenchen in zwei unterschiedlich schnellen Prozessen abläuft, die von verschiedenen Carotinoiden und Proteinkomplexen abhängt. Dabei konnte gezeigt werden, dass die ermittelte Transfereffizienz gut mit den in der Literatur postulierten Mechanismen korreliert und als ein Maß für nicht-photochemisches Quenchen genutzt werden kann.Photosynthese is one of the most important enzymatic processes. During a day as well as during a year solar irradiation strongly fluctuates. Thus plants have developed beside a light harvesting process also a regulation process to protect plants of damages due to excess energy. The light harvesting processes and also the regulation process are dependend on the interactions of pigments, chlorophylls and carotenoids, formed in plants. These processes and the resulting energy transfer in plants proceed in pico- or even femtosecond time scales. Hence an effective protection can only be assured by a regulation process on a similar time scale. The combination of one photon excitation of chlorophylls and two photon excitation of carotinoids with a respective detection of chlorophyll fluorescence leads to investigation on the interactions of the pigments excisting in plants in the light adapted state as well as in the dark adapted state. Thus conclusions on the energy transfer can be made, to assign non-photochemical quenching. The experiments were done in vivo with leaves of the wildtyp of Arabidopsis thaliana and with leaves of characterized mutants of Arabidopsis thaliana. These mutants have variances in the biosyntheses of carotenoids or in the build up of protein subunits. The results indicate that non-photochemical quenching proceeds in two different processes, which depend on various carotenoids and protein complexes. Furthermore it was shown that the determined transfer efficiencies can be correlated with already postulated mechanisms in literature and, moreover, can also be used as measure for non-photochemical quenching