Zeitaufgelöste spektroskopische Untersunchungen des Photosystems II

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Apparatur zur Messung von blitzinduzierten Änderungen der Fluoreszenzquantenausbeute von photosynthetisch aktiven Proben im Zeitbereich von 100 ns bis 10 s nach einem aktinischen Laserblitz entwickelt. Es wurde gezeigt, daß diese Methode geeignet ist, um Proben mit sehr unterschiedlichem Komplexitätsgrad, wie z.B. Suspensionen von Pigment-Protein-Komplexen, Zellorganellen sowie ganze Blätter, zu analysieren. Der komplexe Zeitverlauf der Fluoreszenzquantenausbeuteänderungen, die durch einen aktinischen Blitz induziert werden, ist abhängig von den Redoxzuständen des primären Elektronendonators (P680) und des sekundären Elektronenakzeptors (QA) des Photosystems II, sowie vom Anregungszustand der Carotinoide (Car) in den Antennenkomplexen. Aufgrund der unterschiedlichen Relaxationszeiten der durch den aktinischen Blitz gebildeten Komponenten P680+?, QA- und ³Car ist es möglich, deren individuelle Beiträge zur Fluoreszenzlöschung zu separieren. Das neu entwickelte Meßsystem wurde benutzt, um den Einfluß der Lipidzusammensetzung der Thylakoidmembran auf das Reaktionsmuster des Photosystems II zu untersuchen. Dazu wurden genetisch modifizierte Pflanzen der Gattung Arabidopsis thliana benutzt, die einen reduzierten Gehalt an den Galaktolipiden Monogalactosyldiacylglycerol (MGDG) oder Digalactosyldiacylglycerol (DGDG) aufweisen. Es wurde gezeigt, daß eine Reduktion des MGDG Gehaltes um 50 % im Vergleich zum Wildtyp nicht zu einer Veränderung der transienten blitzinduzierten Änderung der Fluoreszenzquantenausbeute führte. Der DGDG Gehalt in den verschiedenen untersuchten DGDG Mutanten ist um 90 % (bzw. mehr als 90 %) reduziert. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, daß die an diesen Mutanten gemessenen Änderungen der Fluoreszenzquantenausbeute nicht zufriedenstellend mit dem normalerweise verwendeten Model für die Fluoreszenzlöschung durch P680+?, QA und ³Car beschrieben werden können. Es wurde gezeigt, daß das weithin akzeptierte Postulat von ungefähr gleicher Löscheffektivität für P680+? und QA revidiert werden muß. Eine Modifizierung des Standardmodels in Bezug auf diesen Punkt ermöglicht eine konsistente Beschreibung der im Wildtyp und allen Mutanten gemessenen Kinetik der transienten blitzinduzierten Fluoreszenzquantenausbeuteänderungen. Die Auswertung der Ergebnisse legt die Lokalisierung der Wirkung des DGDG-Mangels an zwei unabhängigen Orten nahe: die Antennenkomplexe und die Donatorseite des Photosystems II. In Bezug auf die Antennenkomplexe zeigte die Untersuchung, daß der relative Anteil an blitzinduzierter Bildung von ³Car in den DGDG-Mangelmutanten ansteigt. Daraus wurde die Schlußfolgerung gezogen, daß der DGDG-Mangel die strukturelle Organisation der Antennenkomplexe ändert und infolgedessen die Bildung von ³Car begünstigt. Die Wirkungsweise des DGDG-Mangels auf Photosystem II ist spezifisch für die Donatorseite des Photosystems II und betrifft nur eine Subpopulation von PS II Komplexen. In diesen modifizierten PS II Komplexen ist die schnelle Reduktion von P680+? durch YZ verlangsamt, sodaß P680+? zu einem relativ hohen Anteil durch die Rekombinationsreaktion mit QA- reduziert wird.In the context of this work, a measuring system was developed that allows to monitor transient fluorescence quantum yield changes in the wide time range from 100 ns up to 10 s induced by a single actinic laser flash in photosynthetic sample material. It was shown that this method is applicable to analyse sample material of highly different degrees of complexity, like suspensions of pigment protein complexes, whole cell organelles as well as whole leaves. The complex time course of transient changes of fluorescence quantum yield induced by a single actinic laser flash is determined by the redox states of the primary electron donor and secondary electron acceptor of PS II, P680 and QA, respectively and by the excitation state of carotenoids (Car) located in the antennae complexes. The actinic flash induces the formation of the radical ion pair [P680+?QA-] and of ³Car. The different relaxation times of the components P680+?, QA- and ³Car offer the possibility to separate kinetically the contributions of the individual fluorescence quenchers. The new equipment was applied to study the role of lipids for the reaction kinetics of PS II by using mutant plants of Arabidopsis thaliana that exhibit different degrees of deficiency in either the content of the galactolipid MGDG or DGDG. It was shown that a 50 % reduction in the content of MGDG compared to the wild type plant does not change the transients of fluorescence yield changes induced by a laser flash. With respect to DGDG, mutants were investigated that exhibit a reduction of the DGDG content by 90 % and more than 90 % (below the detection limit). The obtained results reveal, that the observed changes of flash induced fluorescence quantum yield could not be satisfactorily described by the conventionally used model. In particular it is shown, that the commonly accepted postulate of virtually equal quenching efficiencies for P680+? and QA has to be revised. A modification of the standard model with respect to this problem allowed a reasonable description of the observed kinetics in all wild type and mutant plants. Data analysis revealed two independent sites of action of the DGDG deficiency: the antennae complexes and the donor site of photosystem II. With respect to the antennae complexes, the investigation showed that the extent of ³Car triplet formation induced by the actinic laser flash is increased in DGDG deficient mutants. It was concluded that the DGDG deficiency causes changes in the structural organisation of the antennae complexes that increase the extent of ³Car formation. The mode of action of the DGDG deficiency on photosystem II was found to be specific for the donor side of photosystem II. This effect is restricted to only a certain fraction of PS II complexes. In the modified fraction of PS II complexes the fast reduction of P680+? by YZ is highly retarded, so that P680+? becomes reduced via direct recombination with QA-