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Chronobiologie von Clusia minor: circadianer Rhythmus in einer Pflanze mit C3/CAM- intermediärem photosynthetischen Verhalten

Duarte, Heitor Monteiro :
Chronobiologie von Clusia minor: circadianer Rhythmus in einer Pflanze mit C3/CAM- intermediärem photosynthetischen Verhalten.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2006)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Chronobiologie von Clusia minor: circadianer Rhythmus in einer Pflanze mit C3/CAM- intermediärem photosynthetischen Verhalten
Language: German
Abstract:

Die vorliegende Arbeit untersuchte den endogenen Rhythmus der C3/CAM-intermediären Pflanze Clusia minor L. (Clusiaceae). Diese Art ist eine der flexibelsten Pflanzen bezüglich der Expression unterschiedlicher Photosynthesemodi als Antwort auf eine Vielzahl von Umgebungsparametern. Aus diesem Grund stellt sie ein interessantes Modell für die Untersuchung des circadianen Rhythmus der Photosynthese dar. Gute Bewässerung oder drei bis vier Tage Trockenstress induzierten den C3- bzw. den CAM-Zustand. Diese Behandlung wurde als Pflanzenadaptation für Versuche im Dunkel/Hell-Wechsel (DL -12h/12h) und im Dauerlicht (LL) benutzt. Während LL wurden die Pflanzen gut bewässert. Eine Kombination verschiedener Instrumente ermöglichte die parallele Messung und Bestimmung von Gaswechselparametern (Netto-CO2-Aufnahme JCO2; stomatäre Leitfähigkeit gH2O; piCO2, berechnete interne CO2-Konzentration im Blattgewebe), Photorespiration (JO2), relative Quanteneffizienz der Photosynthese (rel. PSII) und ihre zeitlich-räumliche Dynamik. JO2 im C3-Modus war während der Versuche im Tagesgang relativ konstant. Die Werte lagen zwischen 32.1 und 35.7 % der maximalen Carboxylierungsrate. Im CAM-Modus hing JO2 völlig von den CAM-Phasen ab. Der relative JO2 war 15.6% in der Phase II (morgens) und entwickelte sich von 37.9 % zu 17.6 % während der Phase IV (spätnachmittags). Mit interzellulären Lufträumen von 9.3% sind Blätter von C. minor in Palisaden- und Schwammparenchym ausdifferenziert mit zu erwartendem homobarischen Verhalten. Die Berechnung der Heterogenität der rel. PSII aus Chlorophyllfluorezenzbildern in Blättern unter nicht-photorespiratorischen und photorespiratorischen Bedingungen zeigte aber für beide Photosynthesemodi C3 und CAM. Behinderungen der lateralen Diffusion von CO2 und O2. Blättern von C. minor sind deswegen funktionell heterobar. Im C3-Modus zeigten die Blätter noch eine restliche verbleibende CAM-Aktivität über dem Hauptleitbündel lokalisierten Chlorenchym. In den LL- Versuchen waren das oszillatorische Verhalten der photorespiratorischen Aktivität, hier zum erstmal für den CAM-Modus gezeigt, mit dem CAM-Prozess gekoppelt, der die Oxygenase- und Carboxylaseaktivität der RUBISCO beeinflussen kann. Der höchste Energiebedarf der Lichtreaktionen trat auf, wenn PEPC- und RUBISCO- Aktivität sich im LL bei den CAM- adaptierten Pflanzen überlappen. Die rel. PSII oszillierte nur unter 1 % O2, was darauf hinweist, dass die Photorespiration die Schwankungen des Energiebedarfs in unterschiedlichen Blattteilen kompensiert und ausgleicht. Die zeitliche Heterogenität der PSII- Aktivität ist eine Eigenschaft des CAM, die besonders bei der Desynchronisierung während der Übergang zwischen den in diurnalen CAM-Phasen deutlich wird. Die C3-adaptierten Pflanzen zeigten C3-Photosynthese unter den externen Dunkel/Hell-Rhythmen vor und nach LL. Die CAM- adaptierten Pflanzen zeigten CAM-Photosynthese vor LL, aber schalteten am Ende von LL zur C3-Photosynthese zurück. Dies geschah bei Temperaturen von 21, 25 und 30°C.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The present thesis studied the endogenous rhythm of photosynthesis in Clusia minor L. (Clusiaceae). This species is one of the most flexible plants regarding a reversible expression of crassulacean acid metabolism (CAM) in response to a large variety of combinations of environmental parameters. Therefore, it constitutes an interesting model to study the circadian rhythms in C3 and CAM photosynthesis. Well watering or droughting the plants for 3 to 4 days elicited C3 or CAM photosynthesis, respectively. This treatment was used to adapt the plants for dark/light (DL, 12h/12h) and continuous light (LL) experiments, respectively. During LL the plants were well watered. An on-line combination of instruments was used to simultaneously determine gas exchange (net CO2- uptake, JCO2, and stomatal conductance, gH2O) and to calculate internal partial pressure of CO2 (piCO2), photorespiration (JO2), relative quantum use efficiency of photosynthesis (rel. ΦPSII) and its spatial-temporal dynamics over the leaf. The effect of the temperature was studied under DL and LL regimes applying 21°C, 25°C and 30°C in the mini-cuvette system. Photorespiration was rather constant during the light period in the C3-mode leaves, JO2, ranging between 32.1 and 35.7 % of total activity. In the CAM-mode leaves photorespiration depended on the CAM phases. Relative JO2 was still 15.6 % in phase II in the morning and declined from 37.9 % to 17.6 % during phase IV in the afternoon. Anatomically leaves of C. minor are differentiated in palisade and spongy parenchyma with an internal air space of 9.3 % of the total volume and therefore could be structurally homobaric. However, the calculation of heterogeneity of rel. ΦPSII from chlorophyll fluorescence images of leaves under non-photorespiratory and photorespiratory conditions in the C3- and CAM-mode indicates that lateral diffusion of CO2 and O2 is subject to limitations showing that leaves are functionally heterobaric. In LL experiments, the oscillation of photorespiration, demonstrated for the first time for CAM, was coupled to CAM processes that can affect the oxygenase and carboxylase activity of RubisCO. High energy use in light reactions occurred when PEPC activity overlapped RubisCO activitiy in LL for CAM adapted plants. Heterogeneity of quantum use of photosystem II oscillated only under 1 % O2 suggesting that photorespiration compensates variations of energy demand in different parts of the leaf. Heterogeneity is a property of CAM, especially due to desynchronization during transitions between the diurnal CAM-phases. The C3-adapted plants showed C3-photosynthesis in external dark/light rhythms before and after the time in LL. The CAM adapted plants only showed CAM before the time in LL, but had switched to C3-photosynthesis at the end of LL. It happened under temperatures of 21, 25 and 30°C. In the C3-mode leaves still showed a residual CAM activity where the interveinal lamina tissue performed C3-photosynthesis but the major vein chlorenchyma showed features of CAM.English
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: Biology
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:51
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000675
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-6753
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Heber, Prof. Dr. Ulrich
Advisors: Lüttge, Prof. Dr. Ulrich
Refereed: 20 January 2006
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/675
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