Stickstoff-Fixierung und Regulation der Photosynthese für ... · Anammox NO 3-NO N 2O N 2 NH 3 H...
Transcript of Stickstoff-Fixierung und Regulation der Photosynthese für ... · Anammox NO 3-NO N 2O N 2 NH 3 H...
StickstoffStickstoff--FixierungFixierungundund Regulation Regulation derder PhotosynthesePhotosynthese
ffüürr die die StickstoffStickstoff--FixierungFixierung
Stickstoff-Kreislauf (I)
von: www.esf.edu/efb/schulz/limnology/nitrogen.html
combustion, Haber-Bosch
Anammox
NO3-
NO
N2O
N2
NH3
H2NOH
NO2-
NitritNitrit--OxidaseOxidase NitratNitrat--ReduktaseReduktase
Stickstoff-Kreislauf (III): an biologischen Prozessen beteiligte Verbindungen
An biologischer N-Fixierung beteiligte Organismen
Anabaena TrichodesmiumRhizobienAzolla
AzotobacterGloeothece
N2 + 8H+ + 16 MgATP + 8e-
2NH3 + H2 + 16 MgADP + 16 Pi
Summengleichung der biologischen Stickstoff-Fixierung
Nitrogenase: M-Cluster
Struktur von Mayer and Smith, 1999, Auflösung 1.6 Å: Entdeckung des zentralen Stickstoffs
Barney B_et al_2006_Breaking the N2 triple bond- insights into the nitrogenase mechanism_DaltonTransactions2277-84
Nitrogenase: Vermutliche Intermediate der Stickstoff-Reduktion
Teil Teil II:II:Regulation Regulation der Photosynthese fder Photosynthese füürr diedie StickstoffStickstoff--FixierungFixierung
Evolution der biologischen Stickstoff-Fixierung im Vergleich zur Photosynthese
Berman-Frank I_Lundgren P_Falkowski P_2003_Research in Microbiology154_157-164
Strategien der Regulation der Photosynthese für die Stickstoff-Fixierung in Cyanobakterien
Berman-Frank I_Lundgren P_Falkowski P_2003_Research in Microbiology154_157-164
Regulation der Photosynthese für die Stickstoff-Fixierung in Einzelligen Cyanobakterien (II)
light period: carbon + energy storage
dark period: nitrogen fixation
max. photosynthetic capacity
glycogen storage begins
down regulation of photosynthesis
maximum glycogen storage
nitrogen fixation begins
maximum nitrogen fixationmaximum respiration
up regulation ofphotosynthesis
Von: Culture service of Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis, Sevilla, Spain
Heterocysten bildende Cyanobakterien
vegetative Zellen
Pro-Heterocyste
Heterocyste
Aus:El-Shehawy et al 2003 Physiol Plant 119 (1), 49-55
13 h 36 h 55 h 112 h
Maximale Fluoreszenz-Quantenausbeute (Fm)
Photosystem II -Aktivität (Fv/Fm)
25 µm
Heterocysten-Differenzierung:Verteilungskarten von Parametern der Chlorophyll-
Fluoreszenzkinetik
Ferimazova F, Setlík I, Küpper H, unpublished
Heterocysten-Differenzierung:Veränderung von Parametern der Chlorophyll-
Fluoreszenzkinetik
Ferimazova F, Setlík I, Küpper H, unpublished
Nitr
ogen
fixa
tion
(nm
ol C
2H2
µg c
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-1 h
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0
5
10
15
20
25
30
35
Rel
ativ
e F v
/Fm
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
Local time (h)
8 10 12 14 16 18 20 22
GP
(µM
O2
µg
chl a
-1 h
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-20
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0
10
20
30
40
50
60
Dar
k re
spir
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n
(µM
O2
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-1 h
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-20
-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
Berman-Frank I, Lundgren P, Chen Yi-B, Küpper H, Kolber Z, Bergman B, Falkowski P (2001) Science 294, 1534-1537
Aktivitätszyklus von Trichodesmium
Trichodesmium-Blüte
Kolonien: “Tuft”und “Puff”
Trichodesmium
D1 Protein (grün) and Nitrogenase (rot). Grosses Bild: Overlay, kleines Bild: nur Nitrogenase (Immunofärbung)
Berman-Frank I, Lundgren P, Chen Yi-B, Küpper H, Kolber Z, Bergman B, Falkowski P (2001) Science 294, 1534-1537
Co-Lokalisation von Nitrogenase und PSII in Trichodesmium
Influence of DCMU (10 µM), ascorbic acid (100 µM), and DTT (100 µM) were tested for cultures incubated under aerobic (white columns) and anaerobic (blue columns) conditions. Changes in nitrogenase activity as measured by acetylene reduction.
Inhibitor-Tests: Notwendigkeit von PSII-Aktivität für die Stickstoff-Fixierung in Trichodesmium
Berman-Frank I, Lundgren P, Chen Yi-B, Küpper H, Kolber Z, Bergman B, Falkowski P (2001) Science 294, 1534-1537
Färbung mit DAB (Diaminobenzochinon) zeigt die intrazelluläreVerteilung von H2O2 als braune Farbe in allen Zellen
Nachweis von Mehler-Reaktion während der Stickstoff-Fixierung
Mehler-Reaktion: H2O + 2O2 --> H2O2+O2
Berman-Frank I, Lundgren P, Chen Yi-B, Küpper H, Kolber Z, Bergman B, Falkowski P (2001) Science 294, 1534-1537
0 10 20 30 40 50 600
5
10
0
5
10
Num
ber o
f obj
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tical
cel
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= bright type IIbrighttype I
normal
low
F0
Diazotrophic period
Non-diazotrophic period
F0
PSII-Aktivität in Trichodesmium: Chl-Fluoreszenzkinetikunterschiedliche Verteilungen der Basisfluoreszenz zu
verschiedenen Aktivitätsstadien
Küpper H, Ferimazova F, Setlík I, Berman-Frank I (2004) Plant Physiology 135, 2120-33
02468
1012
06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:000.0
0.1
0.2
0.3
0.4
Nitrogenaseactivity
Nitr
ogen
ase
activ
ity((m
l eth
ylen
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duct
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.(ml c
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control 5% oxygen 50% oxygen
% bright cells
% B
right
cel
ls
Chl
con
cent
ratio
n (µ
M)
Chl
PSII-Aktivität in Trichodesmium: Korrelation der „bright cells“ mit der Stickstoff-Fixierung
Küpper H, Ferimazova F, Setlík I, Berman-Frank I (2004) Plant Physiology 135, 2120-33
Küpper H, Ferimazova F, Setlík I, Berman-Frank I (2004) Plant Physiology 135, 2120-33
PSII-Aktivität in Trichodesmium: An- und Abschalten der „bright cells“
Küpper H, Andresen E, Wiegert S, Šimek M, Leitenmaier B, Šetlík I (2009) Biochim. Biophys. Acta (Bioenergetics) 1787, 155-167
PSII-Aktivität in Trichodesmium: An- und Abschalten der „bright cells“ (II)
Reversible coupling of individual
phycobiliproteins...
...as a basis for diazotrophic photosynthesis
Küpper H, Andresen E, Wiegert S, Šimek M, Leitenmaier B, Šetlík I (2009) Biochim.
Biophys. Acta (Bioenergetics) 1787, 155-167
Licht initiiert die Photosynthese
Sauerstoffverbrauch übersteigt Sauerstoffproduktion: Gelegenheit zur Stickstoff-Fixierung
Kohlenhydrate werden verbraucht
Atmung geht zurück, Übergang zum “normal F0 inactive”- oder “quenching”- Zustand
Sauerstoffkonzentrationen in der Zelle steigen an
Nitrogenase wird gehemmt, keine weitere N2-Fixierung bis zum nächsten Tag, die Zellen kehren zum Ausgangszustand zurück
Energie und Reduktionsäquivalent für die CO2-Assimilation
Reduktion des PQ-Pools
Induktion eines State 2 --> State 1-ÜbergangsState 1 - Zellen haben ein hohes F0 (“bright cells type I”) wegen überschüssiger PBSs
Stimulation d. pseudozyklischen Elektronentransports hohe Atmungsraten während der frühenLichtperiode
Zusammenfassung: derzeitige Hypothese zur Regulation der Photosynthese für die Stickstoff-Fixierung in Trichodesmium