3. Phototropismus von festgewachsenen Pflanzen

3.1 Einleitung

Sprosse zeigen je nach Bestrahlungsstärke meist einen positiven oder negativen Phototropismus (Abb. 3.1), manche Wurzeln einen negativen Phototropismus (Sinapis); die meisten Wurzeln sind indifferent. Blätter stellen sich meist senkrecht zur Lichtrichtung (Dia- oder Transversialphototropismus). Die Krümmungsreaktion erfolgt durch differentielles Flankenwachstum. Die Stärke der Krümmung ist von der eingestrahlten Dosis (I x t) abhängig. In einem weiten Bereich gilt das Reizmengengesetz (=Bunsen-Roscoe-Gesetz: Bestrahlung mit 10 lx für 10 min führt zu der selben Krümmung wie 100 lx für 1 min oder 1 lx für 100 min.

3.2 Phototropismus bei Sporangiophoren von Phycomyces

Das Mycel des Schimmelpilzes Phycomyces blakesleeanus wächst mit ca. 2 cm/Tag. Dabei kann kein Phototropismus festgestellt werden. Nach einigen Tagen des Wachstums wird die Entwicklung der Sporangiophoren (Sporangienträger) induziert. Dabei unterscheidet man vier Phasen: Die Phase I bezeichnet die Induktion des Sporangiophors nach 2 – 3 Tagen. Dieses Organ wächst negativ gravitrop (nach oben) mit 1 – 2 mm/h (Abb. 3.2). In der Phase II wird ein gelbes Sporangium an der Spitze angelegt, in dem später 100 000 Sporen gebildet werden und das durch Carotenoide gelb gefärbt ist. An der Basis ragt der Sporangiophor als Columella in das Sporangium hinein. In der Phase III wird eine transiente Pause im Wachstum eingelegt. In der Phase IV färbt sich das Sporangium durch Melanine schwarz und das Wachstum beträgt ca. 3 mm/h. In der Phase IVa rotiert das Sporangium (von oben betrachtet) gegen den Uhrzeigersinn (CCW), in der Phase IVb erfolgt die Rotation mit dem Uhrzeigersinn (CW, 1 Umdrehung in 30 min). Die Wachstumsrate ist temperaturabhängig mit einem Optimum bei 25°C; bei 27°C wird das Wachstum eingestellt. Im Bereich zwischen 7 und 25° C verdoppelt sich die Wachstumsgeschwindigkeit alle 8°C. Das Wachstum ist auf die Wachstumszone von 2 – 3 mm unterhalb des Sporangiums beschränkt. Hier besitzt der Sporangiophor einen Durchmesser von ca. 70 µm, in der Mitte seiner Länge von 10 – 15 cm ca. 100 µm und an der Basis ca. 170 µm. Zentral findet sich eine Vakuole von 40 µm Durchmesser. Das die Vakuole umgebende Plasma zeigt eine schnelle Plasmaströmung. Die lichtsensitive Zone umfaßt die oberen 0,5 – 2 mm der Wachstumszone (Abb. 3.3).

3.2.1 Lichtwachstumsreaktion

Beobachtet man die Wachstumsgeschwindigkeit des Sporangiophors mit einem Horizontalmikroskop, bei dem ein Meßokular die Ablesung erleichtert, zeigt sich (bei konstanter Temperatur und im roten Sicherheitslicht, das vom Pilz nicht perzipiert wird) eine konstante Wachstumsgeschwindigkeit. Läßt man den Pilz an eine konstante Bestrahlungsstärke adaptieren (z.B. 0,1 W m^-2) und erhöht dann plötzlich (step-up) die Bestrahlungsstärke (1 W m²), so beobachtet man nach einer Lagphase von einigen Minuten eine transiente Zunahme der Wachstumsgeschwindigkeit, die nach einigen weiteren Minuten ein Maximum erreicht, wieder abklingt und anschließend die ursprüngliche Wachstumsgeschwindigkeit einnimmt (Abb. 3.4). Diese Lichtwachstumsreaktion ist in weiten Bereichen unabhängig von der Ausgangsbestrahlungsstärke, solange der step-up relativ gleich groß bleibt (0,01 auf 0,1 W m^-2 oder 0,1 auf 1 W m^-2). Umgekehrt führt ein step-down (z.B. 1 auf 0,1 W m^-2) zu einer transienten Verringerung der Wachstumsgeschwindigkeit; danach wird wiederum das ursprüngliche Niveau eingenommen.

Auch eine transiente Erhöhung der Lichtintensität (puls-up) führt nach einer Lagphase zu einer transienten Erhöhung der Wachstumsgeschwindigkeit. Im Unterschied zu der step-up Reaktion beobachtet man jedoch eine transiente Verringerung der Wachstumsgeschwindigkeit (undershoot) nach dem Anstieg, bevor die Ausgangsgeschwindigkeit wieder erreicht wird. Das umgekehrte Verhalten beobachtet man bei einem puls-down (transiente Wachstumsabnahme, overshoot und Rückkehr zum Ausgangsniveau).

3.2.2 Phototropismus bei Phycomyces

Im seitlichen Licht krümmt sich der Sporangiophor zur Lichtquelle (positiver Phototropismus) mit etwa 3°/min (Abb. 3.5). Die Lichtrichtungsperzeption wird auf einen Linseneffekt (Sporangiophor als Zylinderlinse) zurückgeführt (Abb. 3.6). Damit krümmt sich der Sporangiophor von der Zone höherer Lichtintensität weg! Der Brechungsindex des Sporangiophors (n = 1,37) ist höher als der des umgebenden Mediums (Luft, n = 1,00). Diese Hypothese wurde bereits durch den Inversionsversuch von Buder belegt: Bringt man den Sporangiophor in ein Medium mit höherem Brechungsindex (Paraffinöl, n = 1,5), krümmt er sich von der Lichtquelle weg, was dadurch erklärt wird, daß jetzt der Sporangiophor als Zerstreuungslinse wirkt (Abb. 3.7). Ebenso krümmt er sich von der Lichtquelle weg, wenn man vor den Sporangiophor einen Glasstab mit etwas gleichem Durchmesser bringt. Dieser Glasstab fokussiert seinerseits das parallel einfallende Licht auf die Vorderseite des Sporangiophors, die dadurch eine höhere Intensität aufweist als die lichtabgewandte Seite. Allerdings ist der Versuch nicht unproblematisch, denn Phycomyces-Sporangiophoren krümmen sich auch im Dunkeln von nahe liegenden Objekten weg (Barrier-Effekt). Dieses Verhalten erklärt man damit, daß der Sporangiophor Substanzen abgibt (Wasser, Gase?), die sich vor der Barriere stauen und damit einen Gradienten aufbauen. Einen weiteren Beleg für die Zylinderlinsenhypothese liefert die Halbseitenbeleuchtung: Bestrahlt man einen Phycomyces-Sporangiophor von der Seite und beschattet eine vertikale Hälfte, krümmt er sich von der belichteten Hälfte weg (Abb. 3.8). Coleoptilen von Avena (s. unten) krümmen sich hingegen zu der belichteten Seite hin. Ein letzter Beweis ergibt sich aus einem Experiment im UV Bereich. Der positive Phototropismus wird im Blaubereich und nahen UV-A Bereich ausgelöst (s. Photorezeptor, unten). Strahlt man hingegen UV-B Strahlung ein, beobachtet man einen negativen Phototropismus. Dieses Verhalten ist dadurch zu erklären, daß die Vakuole Gallussäure enthält (Abb. 3.9), die im UV-Bereich eine starke Absorption zeigt. Dadurch wird die Funktion der Zylinderlinse verhindert, und die Bestrahlungsstärke ist an der Vorderseite des Sporangiophors am höchsten. Deshalb krümmt sich der Sporangiophor von der hellen Vorderseite weg (negativer Phototropismus). Allerdings zeigt eine Mutante, die nur 8 % des normalen Gehaltes an Gallussäure beinhaltet, trotzdem einen normalen negativen Phototropismus. Ein unterstützendes Argument für die Hypothese, daß die Funktion der Zylinderlinse durch Absorption gehemmt wird, ist die Tatsache, daß eine Mutante (C 158), die viel Carotenoide enthält, ebenfalls einen negativen Phototropismus in dem Wellenlängenbereich zeigt, in dem die Carotenoide absorbieren (Blaubereich). Die Absorption bei 450 nm beträgt 1.19 O.D.

Hat die Lichtwachstumsreaktion etwas mit dem Phototropismus zu tun? Auf den ersten Blick liegt hier ein Widerspruch vor: die LWR ist transient, während der Phototropismus beliebig lange weiter läuft. Letzteres läßt sich beweisen, wenn man einen Sporangiophor auf einen langsam rotierenden Teller stellt (1 Umdrehung in 6 h). Dabei krümmt sich die Spitze dauernd auf die Lichtquelle zu (0,1 W m^-2) und die Krümmung wird gleichsam in einer Helix eingefroren (Abb. 3. 10). Diesen scheinbaren Widerspruch klärt die Rotationshypothese von Dennison (1979). Wenn man den Querschnitt eines Sporangiophors betrachtet und den Strahlengang des seitlich einfallenden Lichtes einzeichnet, so erkennt man, daß die Stahlen auf der lichtabgewandten Seite gebündelt werden (s. Abb. 3.6). Den genauen Strahlenverlauf und die Lichtintensitätssteigerung durch die Fokussierung hat Fukshansky (1990) mathematisch berechnet. Jetzt berücksichtigen wir gleichzeitig die Rotation (von oben betrachtet im Uhrzeigersinn): Wir betrachten ein Wandelement oder das daranhängende Cytoplasmaelement mit dem Photorezeptor oberhalb der Fokussierungszone (Abb. 3.11). Dieses Element befindet sich in einer relativ dunklen Zone, da die Strahlung daran vorbei fokussiert wird. Nun wird dieses Element durch die Wachstumsrotation (10°/min) in die belichtete Zone hinein gedreht. Dabei kommt es zu einer Lichtwachstumsreaktion, und dieses Wandelement wächst transient schneller als die anderen Elemente. Somit krümmt sich der Sporangiophor auf die Lichtquelle zu. Die Tatsache, daß die Lichtwachstumsreaktion nur transient ist, spielt keine Rolle, weil immer neue Wandelemente mit dem peripher angeordneten Photorezeptor in die Zone des fokussierten Lichtes hinein gedreht werden.

Dabei gibt es noch ein Problem: die Lichtwachstumsreaktion erfolgt mit einer Lagphase von einigen Minuten nach der Erhöhung der Lichtintensität. In der Zeit müßte das Wandelement schon weiter gewandert sein und aus der belichteten Zone wieder heraus drehen. Damit müßte die Krümmung nicht genau auf die Lichtquelle zu erfolgen, sondern etwas rechts daran vorbei. Genaue Analysen der Krümmungsrichtung bestätigen diese Annahme. Wenn diese Hypothese richtig ist, dürfte sich ein Sporangiophor nicht kontinuierlich auf die Lichtquelle zu krümmen, wenn er mit der selben Geschwindigkeit wie die Rotationsgeschwindigkeit gegengedreht wird. Und tatsächlich findet man ein Minimum in der Krümmungsreaktion bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 10° gegen den Uhrzeigersinn, die die Rotation des Sporangiophors kompensiert (Abb. 3.12). Auch beim negativen Phototropismus im UV findet man eine Winkelabweichung, die ebenso durch die Rotationshypothese erklärt werden kann.

3.2.3 Photorezeptor(en)

Den (oder die) Photorezeptor(en), der für eine lichtabhängige Reaktion verantwortlich ist, läßt sich häufig durch den Vergleich eines Aktionsspektrums mit dem Absorptionsspektrum erschließen. Wie man ein Aktionsspektrum erstellt, haben wir in der ersten Einheit gelernt. Das Aktionsspektrum für den positiven Phototropismus bei Phycomyces-Sporangiophoren zeigt ein Maximum im nahen UV-A Bereich bei 360 nm und ein dreigipfliges Maximum (420, 455 und 475 nm) im Blaubereich (Abb. 3.13). Dreigipflige Spektren im Blaubereich sind charakteristisch für Carotinoide; daher hat man in ihnen den Photorezeptor vermutet. Allerdings absorbieren Carotinoide nicht im nahen UV-A Bereich. Deshalb hat man alternativ vorgeschlagen, daß Flavine die verantwortlichen Photorezeptoren sind, da sie im UV-A bei 360 nm absorbieren und einen Absorptionspeak bei 450 nm im Blaubereich zeigen. Allerdings zeigen extrahierte Flavine keinen dreigipfligen Peak im Blaubereich. In der Folge wurden eine Fülle von Argumenten für den einen oder anderen Kandidaten ins Feld geführt. So sollte durch Ankopplung der Carotinoide an Proteine eine UV-A Absorption erklärt werden; andererseits läßt sich durch Aufnahme von Flavinen in eine hydrophobe Umgebung (Öl) ein dreigipfliges Spektrum erzeugen. Außerdem können neben dem eigentlichen Photorezeptor Schirmpigmente vorkommen, die das Aktionsspektrum verändern. Weiterhin ist es denkbar, daß mehr als ein Pigment an der Reaktion beteiligt ist.

Gegen Carotinoide spricht, daß der Phototropismus nicht beeinträchtigt wird, wenn man die Carotinoid-Biosynthese durch spezifische Hemmstoffe (z.B. SAN von Sandoz oder Diphenylamin) unterdrückt. Allerdings läßt sich argumentieren, daß die Carotinoidsynthese nicht vollständig gehemmt wird und daß vielleicht noch ausreichende Mengen an Photorezeptorpigment vorhanden ist, die spektroskopisch oder biochemisch nicht mehr nachweisbar sind. W. Briggs hat die minimale Menge an Photorezeptormolekülen berechnet: Um eine Reaktion bei  der Einstrahlung von 2 * 10⁸ Quanten auszulösen, sind 3 * 10⁹ Rezeptormoleküle erforderlich, das entspricht 10^-6 M. Tatsächlich entspricht das der freien Flavinkonzentration in der Zelle. Albinomutanten, deren Carotenoidsynthese gehemmt ist, besitzen immer noch 1,2 * 10¹⁰ Carotinoidmoleküle. Nur Doppelmutanten zeigen geringere Carotinoidkonzentrationen.

Ein entscheidendes Argument gegen die Beteiligung von Carotinoiden ist die Tatsache, daß sie keine (sehr wenig) langlebige Tripletzustände besitzen, die energetisch sehr unwahrscheinlich sind. Flavine zeigen zusätzlich zu den nach dem Aktionsspektrum zu fordernden Aktivitäten im Blau- und UV-Bereich zwei hohe und scharf begrenzte Peaks im UV-B Bereich bei 280 nm, die für den negativen Phototropismus verantwortlich sein könnten. Mikroskopische Analysen zeigen oktahedrische Kristalle in der Photoperzeptionszone. Mikrospektrale Analysen mit einem Strahldurchmesser < 1 µm² zeigen ein typisches Spektrum eines Flavins, das an ein azidisches Protein angekoppelt ist. Das Fluoreszenzexzitationsspektrum dieser Kristalle zeigt Peaks bei 340 und 465 nm und Emissionspeaks bei 450 und 540 nm.

Max Delbrück hat ein entscheidendes Experiment zur Analyse des Photorezeptors beigetragen: Flavine besitzen einen verbotenen angeregten Tripletzustand bei 600 nm. Verbotener Zustand bedeutet nicht, daß er nie vorkommt, sondern, daß die Populationswahrscheinlichkeit extrem gering ist. Also müßte man bei Anregung mit 600 nm bei ausreichend hoher Strahlungsintensität eine Reaktion induzieren können. Dabei laufen wir in ein technisches Problem: Wenn wir einen Interferenzlinienfilter bei 600 nm verwenden und hohe Bestrahlungsstärken einstrahlen, läßt der Filter bei Wellenlängen außerhalb seines eigentlichen Transmissionsbereiches, also z.B. im Blaubereich, ca. 0,1 % der Strahlung durch. Wenn wir also 10⁵ W m^-2 eintrahlen müssen, um den angeregten Tripletzustand zu populieren, strahlen wir gleichzeitig 100 W m^-2 Blaulicht ein, daß mehr als genug ist, um eine Reaktion auszulösen. Delbrück löste das Problem dadurch, daß er einen Tunable Dye Laser verwendete (durchstimmbar von 575 – 630 nm), der bei 1,8 * 10⁵ W m^-2 eine blaue Kontamination von 10^-10 besaß. Mit dieser Strahlungsquelle war er sicher, daß er keine Blaulichtkontamination erzeugte, und andererseits konnte er tatsächlich eine phototrope Reaktion induzieren.

Triplettzustände lassen sich durch bestimmte Quencher hemmen. So hemmt KJ bei 0,1 M den Phototropismus bei Avena (s. unten) während 0,1 M KCl nicht hemmt. Die Photorezeptoren sind dichroitisch orientiert, d. h. sie müssen in einer starren Struktur (Zellwand, anhängende Plasmamembran etc.) eingelagert sein und können nicht frei im Cytoplasma gelöst treiben. Der Beweis für diese Behauptung ist ein Versuch, bei dem man Sporangiophoren zwischen zwei Lichtquellen bringt. In der Mitte (bei gleicher Intensität) balancieren sich die beiden Lichtstärken aus (Abb. 3.14). Je näher ein Sporangiophor zu einer Lichtquelle verschoben ist, um so mehr neigt er sich zu dieser Lichtquelle hin. Diese Balancemethode wird auch als empfindliches Werkzeug für die Aufnahme von Aktionsspektren eingesetzt, bei der die Wellenlänge einer Lichtquelle konstant gehalten wird und die andere variiert wird. Wenn beide Wellenlängen gleich effektiv sind, krümmt sich der Sporangiophor nicht. Wenn man nun polarisiertes Licht einsetzt, bei dem die von beiden Lichtquellen ausgehenden Strahlen senkrecht zueinander polarisiert sind, wirkt eine Polarisationsebene 24 % stärker als die andere. Daraus kann man entnehmen, daß die absorbierenden Vektoren schraubig um den Storangiophor angeordnet sind (Abb. 3.15). 

3.2.4 Mutantenanalyse

Der Einsatz von Mutanten hat die Phycomyces-Forschung enorm weitergebracht. Mutanten lassen sich leicht durch Strahlung oder chemisch erzeugen und dann ebenso leicht screenen. Ed Lipson verwendet eine Methode, bei der potentielle Mutanten in kleinen Schälchen angezogen werden, die auf eine von unten beleuchtete Glasplatte gestellt werden (Abb. 3.16). Bei vorhandenem Phototropismus (Wildtyp) krümmen sich die Sporangiophoren nach unten zum Licht, während die Mutanten nach oben wachsen. Viele der Mutanten sind nach dem Nobelpreisträger Max Delbrück mit Mad A, Mad B usw. bezeichnet (Abb. 3.17). Dabei unterscheiden wir verschiedene Klassen. Klasse 1 Mutanten zeigen noch einen normalen Gravitropismus. Klasse 1.1 Mutanten (Mad A und B) zeigen keine ß-Carotinoidsynthese mehr, während Klasse 1.2 Mutanten (Mad C) eine normale ß-Carotinoidsynthese besitzen. Die Klasse 2 Mutanten zeigen auch keinen Gravitropismus (Mad D und E), können aber Licht perzipieren; daher handelt es sich um downstream Mutanten. Der dynamische Bereich des Phototropismus erstreckt sich über mehr als 10 Größenordnungen: der Schwellenwert für den Wildtyp liegt bei 10^-10 W m^-2, erreicht die maximale Reaktion bei 10^-6 W m^-2 und sättigt oberhalb von 1 W m^-2 (Abb. 3.18). Letzteres bedeutet, daß ein Overload des Rezeptors auftritt und die Lichtrichtung nicht mehr erkannt werden kann. Einige Mutanten zeigen einen normalen Phototropismus bei höheren Bestrahlungsstärken, aber ihr Schwellenwert liegt bei 10^-6 W m^-2; daher werden sie als night blind (nachtblind) bezeichnet. Andere Mutanten haben die gleiche Lichtsensitivität wie der Wildtyp, krümmen sich aber weniger stark (stiff mutants). Aus den vielen bislang isolierten Mutanten kann man eine Signaltransduktionskette ableiten: einige Mutanten sind entweder Photorezeptormutanten oder kurz hinter dem Rezeptor gehemmt. Andere sind downstream-Mutanten und sind in der Transduktionskette oder in der mechanischen Antwort auf den Reiz gehemmt. Keine der Mad Mutanten sind vollständig blind; vielleicht wäre diese Mutation letal. UV-blinde Mutanten gibt es nur als Heterokaryon, sonst sind sie letal.

Ein weiteres Problem muß man betrachten, wenn sich ein Sporangiophor auf eine seitliche Lichtquelle zukrümmt. Durch die seitliche Auslenkung wird der Sporangiophor gleichzeitig im Schwerefeld der Erde gereizt und versucht sich zurückzukrümmen. Daher ist der maximale Krümmungswinkel bei seitlichem Licht nicht 90°, sondern nur ca. 60°. Dieses Phänomen bezeichnet man als "photogravitropisches Äquilibrium".

Aus diesen Mutanten wurden Heterokaryons hergestellt. Dazu schneidet man die Hyphen zweier Mutantenmycelien an und steckt sie ineinander, so daß sie die genetischen Eigenschaften beider Stämme vereinigen. Mit solchen Heterokaryons aus 15 Mutanten (5 Gene) wurden weitere spektroskopische Untersuchungen durchgeführt (Lipson). Dabei wurde eine Kombination gefunden, bei der das Aktionsspektrum fast genauso aussah wie bei dem Wildtyp; nur die langwellige  Schulter bei 475 nm zeigte eine deutlich reduzierte Sensitivität (Abb. 3.19). Dieses Verhalten läßt sich nur durch die Annahme von multiplen Photorezeptoren erklären, von denen einer durch die Mutation beeinträchtigt ist.

Die Aufklärung wurde durch eine weitere Beobachtung von P. Galland kompliziert: Wie viele andere physiologische Prozesse (z.B. der Sehvorgang) unterliegt der Phototropismus von Phycomyces einer Adaptation: die phototrope Krümmung bei einer bestimmten Bestrahlungsstärke ist geringer, wenn der Pilz zuvor einer anderen Bestrahlungsstärke ausgesetzt wurde als wenn er vorher im Dunkeln gehalten wurde. So reagiert er nicht auch 10^-4 W m^-2, wenn er vorher mit 10^-2 W m^-2 bestrahlt worden ist. Das Aktionsspektrum für diese Adaptation sieht aber anders aus als das für den eigentlichen Phototropismus und hat ein Maximum bei 530 nm, wo keine phototrope Reaktion auftritt.

3.2.5 Transduktionskette

Über die nächsten Schritte in der Signaltransduktionskette weiß man relativ wenig.  Nach einem Lichtpuls kann man eine Potentialänderung von 2 – 10 mV bei einem Ruhepotential von 120 mV messen. Das könnte bedeuten, daß der primäre Lichtreiz in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, daß die Reaktion auslöst.

Mit Hilfe der Luciferin/Luciferasemethode kann man einen 30 %igen Anstieg im ATP Gehalt der Zelle nach einem Lichtpuls nachweisen (Shropshire).

Gleichzeitig beobachtet man einen 50 %igen Anstieg im cAMP Spiegel der Zelle (Cohen). cAMP beeinflußt die Chitinsynthetase, die Zellwand wird elastischer und dadurch dehnbarer.

Gibt man den Lichtreiz bei 1°C, erfolgt keine Krümmung. Bringt man den Sporangiophor aber bis zu 2 h nach dem Lichtreiz im Dunkeln auf 24° C, erfolgt eine Krümmung. Dieses ``Gedächtnisphänomen" bezeichnet man als Mneme und läßt vermuten, daß durch den Lichtreiz ein chemisches Intermediat gebildet wird, auf das der Sporangiophor reagiert, wenn er physisch dazu in der Lage ist (permissive temperature).

3.3 Phototropismus bei Pilobolus

Pilobolus ist ein Pilz, der ausgehend von einem Mycel einen Sporangienträger mit einem Sporangium entwickelt, das auf einer subsporangialen Blase sitzt (Abb. 3.20). Die Sporen keimen nur, wenn sie eine Darmpassage durch ein Wirbeltier gemacht haben (Schaf, Pferd, Elefant, Reh, etc.). [Bei eigenen Versuchen muß man sicherstellen, daß z.B. das Pferd nicht mit Hafer gefüttert wurde, der gegen Pilzbefall gebeizt war.] Nach der Darmpassage keimen die Sporen auf dem Kot und bilden ein Mycelium. Man kann z.B. Schafsmist auf feuchtes Filterpapier in verschlossenen Glasschalen ansetzen. Nach einigen Tagen erscheinen die Sporangiophoren. Die Sporangien bilden sich morgens vor Sonnenaufgang und krümmen sich zum Licht hin. Der Turgordruck in der subsporangialen Blase wird durch Wasseraufnahme auf mehrere bar gesteigert. Man erkennt in Videozeitrafferaufnahmen, daß Wassertröpfchen nach außen gedrückt werden.
 

Wenn der Druck einen Schwellenwert übersteigt, reißt das Sporangium an der Dehiszienzlinie am oberen Ende der subsporangialen Blase ab und wird von dem Überdruck bis zu einem Meter weit geschleudert (daher der deutsche Name Hutschleuder). Wenn man kurz vor dem Abschuß die Richtung der Lichtquelle ändert, wird die Druckzunahme gestoppt, der Sporangiophor richtet sich innerhalb von 30 min erneut aus und schießt erst dann das Sporangium ab. Der ökologische Sinn ist wohl, daß die Sporangien von dem Kothaufen weggeschleudert werden und auf frischen Gras landen sollen, das von den Weidetieren gefressen wird. Kühe meiden z.B. das üppige Grasbüschel, das sich um einen Kuhfladen herum bildet.

Man kann die Präzision dieses Abschusses experimentell untersuchen, indem man abschußbereite Sporangien in eine dunkle Kiste bringt, in deren Deckel eine 1 cm große Öffnung geschnitten ist. Darunter klebt man eine Folie mit konzentrischen Ringen (Zielscheibe). Nach Abschuß der Sporangien zählt man aus, wieviele Sporangien in welchem Ring gelandet sind. Wenn man die Öffnung mit Cut-off Filtern abdeckt, kann man den Wellenlängenbereich untersuchen, auf den der Pilz anspricht. Das Aktionsspektrum zeigt vorwiegend eine Blaulichtaktivität.

Die Budersche Halbseitenbestrahlung zeigt, daß sich die Sporangiophoren von der bestrahlten Hälfte wegkrümmen. Eine Hypothese vermutet, daß die von oben einfallenden Strahlen im Inneren der subsporangialen Blase auf die gegenüberliegende Unterseite der Blase  fokussiert werden (Abb. 3.20). Die zentralen Strahlen werden durch die durch Melanin schwarz gefärbten Sporen im Sporangium absorbiert. Am unteren Ende der subsporangialen Blase findet man einen Ring aus carotenoidreichem Cytoplasma, der aber erst 60 – 90 min vor dem Abschuß entsteht. Auch am oberen Ende unter dem Sporangium findet sich ein Ring aus carotenoidreichem Cytoplasma. Die Rolle der Carotenoide wird als die eines Screens betrachtet. Wenn man die Sporangien in Diphenylamin anzieht, wird die ß-Carotinsynthese gehemmt, und es wird ein negativer Phototropismus beobachtet. Die Erklärung ist, daß in diesem Fall der Screen fehlt. In den oberen 50 µm wird die höchste Lichtsensitivität gefunden. Reife Sporangien sind aber 100000 mal unempfindlicher als junge.    

3.4 Phototropismus bei Gramineencoleoptilen

Junge, etiolierte Coleoptilen von Gramineen sind die klassischen Objekte zur Untersuchung von Phototropismus. Zu Anfang wurde hauptsächlich Avena untersucht, später Zea mays und andere. Im Standardexperiment exponiert man dunkel gewachsene Coleoptilen (ca. 4 Tage alt) im lateralen Licht und beobachtet die Krümmungsreaktion. Der Krümmungswinkel ist abhängig von der Dosis (gemessen in W m^-2 s = J m^-2). Der Schwellenwert für die erste Reaktion beträgt 10^-3 J m^-2. Die Reaktion – gemessen als Krümmungswinkel – durchläuft ein Optimum, wird mit steigenden Bestrahlungsstärken schwächer und schlägt bei ca. 0.5 J m^-2 in eine negative Reaktion um. Oberhalb von 10 J m^-2 wird die Reaktion wieder positiv (zweite positive Reaktion). Danach beobachtet man eine Indifferenzzone und eine dritte positive Reaktion. Noch höhere Dosen lassen sich experimentell nicht untersuchen, da dann die Coleoptilen vertrocknen (Abb. 3.21). Dicotyledonen zeigen eine ähnliche Dosis-Effektkurve, aber statt der negativen Reaktion wird eine Indifferenzzone durchlaufen. Der Kurvenverlauf der Dosis-Effektkurve ist von den experimentellen Parametern abhängig. Im Prinzip gilt das Reizmengengesetz: R = I * t = const. In einem physiologischen Bereich ist der Krümmungswinkel konstant, solange das Produkt aus Bestrahlungsstärke I und Expositionszeit t konstant ist (Tab. 3.1). Allerdings ändert sich die Dosis-Effektkurve, und die erste negative Reaktion verschwindet vollständig, wenn man die Bestrahlungstärke um jeweils den Faktor 10 steigert und entsprechend die Expositionszeit um den Faktor 10 verringert (Abb. 3.22). Blaauw and Blaauw-Jansen (1970) haben dieses Phänomen systematisch untersucht (Abb. 3.23). Man kann die Form der Dosis-Effektkurve auch durch Vorbestrahlung mit Rotlicht verändern, obwohl der eigentliche Photorezeptor ein Blaulichtpigment ist (Abb. 3.24). Auch das Resultantengesetz gibt bei Avena: Die Coleoptile krümmt sich auf der Resultante, wenn zwei Lichtquellen gleichzeitig eingestrahlt werden (Abb. 3.25).

3.4.1 Der Photorezeptor

Der Photorezeptor ist in der äußersten Spitze der Coleoptile lokalisiert. Das läßt sich mit folgenden Versuchen belegen: Wenn man ein Käppchen über die Spitze stülpt, erfolgt keine Krümmung, wenn man der Coleptile ein ``Höschen" anzieht, krümmt sich die Spitze (Abb. 3.26). Allerdings findet man auch eine Krümmungsreaktion, wenn man die Spitze abschirmt, aber deutlich höhere Bestrahlungsstärken verwendet (Abb. 3.27). Außerdem beobachtet man eine UV-B induzierte Reaktion, wenn man die Spitze abdeckt. Die Coleptile ist im Querschnitt nicht drehsymmetrisch, da sich zwei gegenüberliegende Leitbündel durch die Längsachse ziehen (Abb. 3.28). Daher ist auch die Dosis-Effektkurve davon abhängig, ob man die Coleoptile in der Ebene der Leitbündel oder senkrecht dazu bestrahlt (Abb. 3.29). Bei seitlicher Lichteinstrahlung beobachtet man ein elektrisches Potential von 2-10 mV zwischen den Flanken.

Der Photorezeptor ist ein typischer Blaulichtrezeptor (s. unter Phycomyces) mit einem Maximum im nahen UV-A und einem dreigipfeligen Peak im Blaubereich (Abb. 3.30). Die relativen Höhen der UV und Blaupeaks zueinander variieren je nachdem, bei welchem Auslenkwinkel man die Reaktion betrachtet (Abb. 3.31). Helle Vorbestrahlung zerstört die Sensitivität des Photorezeptors (Adaptation); nach 25 min ist die Sensitivität wieder hergestellt.

Auch in diesem Fall ist eine intensive Diskussion über die Beteiligung von Carotenoiden und Flavinen geführt worden (s. Phycomyces, Abb. 3.13). In letzter Zeit ist Arabidopsis als Modellsystem etabliert worden, weil daran leicht molekulargenetische Untersuchungen durchgeführt werden können. In diesem Organismus ist ein Protein mit einer im Blaulicht absorbierenden chromophoren Gruppe isoliert worden (CRY I, Cashmore, 1997). Interessant in diesem Zusammenhang ist jedoch, daß die Protonemata des Mooses Phycomitrium turbinatum im Rotbereich sensitiv sind, was auf die Beteiligung von Phytochrom zurückgeführt wird (Abb. 3.32). Das Aktionsspektrum für den Phototropismus bei dem Farn Dryopteris filix-mas zeigt die Beteiligung von einem Blaulichtrezeptor und einem Rotlichtrezeptor (Abb. 3.33).

3.4.2 Die Wachstumsreaktion

Die Wachstumszone liegt deutlich hinter der Spitze mit dem Photorezeptor, so daß eine Transduktionskette über viele Zellen aktiv sein muß. Die Krümmung erfolgt durch Wachstum (Zellstreckung), das seinerseits durch unterschiedliche Auxinkonzentrationen gesteuert wird. Die Beteiligung von Auxin (Indol-3-Essigsäure, IES) läßt sich mit einem klassischen Versuch beweisen: Wenn man die Spitze einer Coleoptile einige Millimeter weit abschneidet und auf einen Agarblock setzt, diffundiert das in der Spitze gebildete Auxin in den Agarblock (Abb. 3.34). Der Auxintransport im Gewebe beruht auf einem aktiven basalen Transport. Trennt man die lichtzugewandte von der lichtabgewandten Seite bei seitlichem Lichteinfall durch eine eingeschobene Glimmerbarriere, so findet man in dem lichtabgewandten Agarblock deutlich mehr IES als in dem lichtzugewandten. Der dekapitierte Coleoptilenstumpf zeigt keine Wachstumsreaktion. Setzt man die beiden Aganblöckchen auf eine Seite von zwei Coleoptilenstümpfen, wachsen diese wieder und zeigen eine unterschiedlich starke Krümmung von der Seite mit dem Agarblock weg. Also beruht das differentielle Flankenwachstum auf einem Auxingradienten, der in Abb. 3.35 quantifiziert ist. Wie kommt dieser Auxingradient zustande? Zur Erklärung sind drei verschiedene Hypothesen aufgestellt worden.

1. Das Auxin wird auf der lichtzugewandten Seite abgebaut. Nach der Hypothese von Hager wird das Auxin von Zelle zu Zelle aktiv mit Hilfe von Permeasen transportiert. An der lichtzugewandten Seite wird mehr Auxin photolysiert, weil das Licht in der Zelle durch Schirmpigmente partiell absorbiert wird. Daher wird mehr Auxin an der lichtabgewandten Seite zur nächsten Zelle abgegeben (Abb. 3.36). Tatsächlich läßt sich IES im Licht in 3-Methyloxindol (3M) umwandeln. Allerdings erfolgt diese Reaktion nur bei höheren Bestrahlungsstärken und nicht in dem Bereich, in dem positiver Phototropismus beobachtet wird.

2. Die Auxinproduktion oder der Auxintransport wird auf der lichtabgewandten Seite gesteigert. In diesem Zusammenhang ist auch ein möglicher Linseneffekt diskutiert worden, jedoch ist die Coleoptile auf Grund ihrer zellulären Struktur keine effektive Zylinderlinse, lediglich ``light piping" (Lichtleiter) wurde beobachtet.

3. Das Auxin könnte einer Querverschiebung von der lichtzugewandten Seite zur lichtabgewandten Seite unterliegen. Obwohl diese Hypothese am unwahrscheinlichsten klingt, scheint sie die richtige Erklärung zu sein, wie die Versuche mit eingeschobenen Barrieren zeigen (Abb. 3.37).

Das natürliche IES aus der Coleoptilenspitze läßt sich durch künstlich zugesetztes Auxin ersetzen. Durch Verwendung von radioaktiv markiertem IES läßt sich der Quertransport quantifizieren.

3.4.3 Partialbelichtung und Polarotropismus

Läßt man eine Spore eines Farns zu einem Protonema auskeimen, wächst dieses in einem Lichtspalt, der senrecht zur Wachstumsebene eingestrahlt wird. Jedesmal, wenn die Spitze in den dunklen Bereich eindringt, kommt es zu einer Situation wie in Buder's Halbseitenbestrahlung und die Protonemaspitze krümmt sich zurück in den Lichtbereich (Abb. 3.38). Bei den Rhizoiden und Chloronemen von keimenden Farnsporen (Dryopteris filix-mas) beobachtet man einen Polarotropismus (Abb. 3.39). Strahlt man von oben linear polarisiertes Licht ein, wachsen die Chloronemen senkrecht zum elektrischen Vektor des polarisierten Lichtes und die Rhizoide parallel dazu. Dreht man die Polarisationsebene nach einigen Tagen des Wachstums, reorientieren sich die Rhizoide und Chloronemata entsprechend (Etzold). Das Aktionsspektrum für diese Reaktion zeigt ein Maximum im Rotbereich, während das Lebermoos Sphaerocarpus einen typischen Blaulichtrezeptor besitzt (Abb. 3.40).

Literatur

Blaauw, O.H. and Blaauw-Jansen, G.: The phototropic response of Avena coleoptiles. Acta Bot. Neerl. 19, 755 - 763 (1970)