Kieselalgen sind einzellige, eukaryotische Mikroalgen und gehören zu den am häufigsten auftretenden phytoplanktonischen Organismen auf der Erde. Sie sind photoautotroph und benutzen Lichtenergie um Photosynthese zu betreiben. Es wird geschätzt, dass sie etwa 20% des weltweiten Kohlendioxids fixieren. Ein Überschuss an Licht, kann jedoch für die photosynthetischen Organismen schädlich sein. Es wird vermutet, dass Kieselalgen vor allem aufgrund ihrer hohen photosynthetischen Flexibilität, d.h. durch ihre Fähigkeit sich unterschiedlichen Lichtmengen sehr schnell anzupassen, ökologisch so erfolgreich sind.
In dieser Arbeit wurden Mechanismen der Lichtstress-Protektion in der Kieselalge Phaeodactylum tricornutum mit Hilfe von molekularen Techniken in Kombination mit physiologischen Messungen untersucht. Es wurden genetische Mutanten erzeugt, die eine Veränderung im photosynthetischen linearen Elektronentransport zeigen und diese hinsichtlich ihrer Lichtanpassung charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass photoprotektive Vorgänge wie NPQ (nicht-photochemisches Quenching) oder der zyklische Elektronentransport an Photosystem II sehr wichtig sind für die Regulation der Photosynthese, um photo-oxidative Schäden am Photosynthese-Apparat zu vermeiden.
Die Bedeutung der Diadinoxanthin De-Epoxidase (DDE) für die PQ-Entwicklung in P. tricornutum wurde untersucht. Das Enzym katalysiert die Umwandlung von Diadinoxanthin in Diatoxanthin; für letzteres konnte eine direkte Beziehung mit der möglichen NPQ Kapazität der Zelle gezeigt werden. Das Dde Gen, welches für die DDE kodiert, wurde sowohl mittels RNAi gerichtetem "Gen-Silencing" in P. tricornutum ausgeschaltet wie in den Zelle überexprimiert. Die Stilllegung der DDE verdeutlichte nicht nur die starke Bedeutung dieses Enzyms für NPQ, sondern ergab auch erste Einblicke in die Mechanismen des "Gen-Silencing" in Kieselalgen. So lassen die vorliegenden Daten vermuten, dass zwei verschiedene Mechanismen in Kieselalgen vorhanden sind. Es konnte auch gezeigt werden, dass die Gegenwart von Diatoxanthin in ausreichender Menge nicht zwangsläufig zu höheren NPQ-Werten führt.
Die Expressionsraten von einigen Antennenproteinen wurde unter verschiedenen Lichtbedingungen hinsichtlich einer möglichen Funktion für die Photoprotektion untersucht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Mitglieder der LHC-ähnlichen Familie im Gegensatz zu den entsprechenden Proteinen in höheren Pflanzen und Grünalgen nicht an der Anpassung an veränderte Lichtbedingungen beteiligt sind, jedoch bei der Lichtaufnahme mitwirken könnten. Auf der anderen Seite konnte gezeigt werden, dass die Transkriptsraten von drei der vier LHCX Proteine in P. tricornutum eindeutig durch Starklicht induziert werden können, was einen Hinweis für die mögliche Beteiligung an der Starklicht Anpassung in Kieselalgen darstellt.

Diatoms are unicellular, eukaryotic microalgae that belong to the most abundant phytoplankton on earth. They are photoautotrophic and use light energy to drive hotosynthesis, thereby fixing an estimated amount of about 20% of the global carbon. However, an excess of light can be harmful for the photosynthetic organisms and the ecological success of diatoms can be partially explained by their high photosynthetic flexibility which allows them to quickly adapt to a rapidly changing light climate.
In this work, molecular tools in combination with physiological measurements were used to investigate the mechanisms of light stress protection in the diatom P. tricornutum. We produced targeted genetic mutants that are altered in the photosynthetic linear electron transport and characterized them with respect to their photoacclimative capacities. The results show that photoprotective mechanisms such as NPQ (non-photochemical quenching) or the cycling electron transport of photosystem II are important to regulate photosynthesis by preventing photo-oxidative damage to the photosynthetic apparatus.
By a reverse-genetic approach, we analyzed the importance of the diadinoxanthin deepoxidase (DDE) for NPQ in P. tricornutum. DDE catalyzes the conversion of diadinoxanthin to diatoxanthin, the latter was shown to be directly correlated with the capacity of the cells to develop NPQ. We knock-downed the respective gene encoding this enzyme by RNAi mediated gene silencing as well as overexpressed the DDE protein in vivo. Silencing the DDE did not only reveal the importance of this enzyme for NPQ, but also gave first insights into silencing mechanisms in diatoms. The data presented here suggest the presence of two different gene silencing mediating mechanisms in diatoms. We also show that the presence of diatoxanthin in sufficient amounts does not necessarily lead to higher NPQ values.
Finally, we examined the expression levels of several antenna proteins under different light conditions and discuss their possible role in photoprotection. Our data indicate that, in contrast to their counterpart in higher plants and green algae, members of the LHC-like family in diatoms are not involved in photoacclimation, but might be responsible for light harvesting. Furthermore, we show that the transcript level of three of the four LHCX proteins in P. tricornutum are clearly induced by high light, suggesting a possible involvement in high light acclimation of diatoms.