Lichtstress oder Photooxidation bezeichnet den Zustand in dem die überschüssige absorbierte Lichtenergie, die nicht durch Photosynthese in chemische Energie umgewandelt werden kann, zur Bildung von reaktiven Sauerstoffradikalen führt. Diese Radikale verursachen dann die Oxidation und somit Schädigung verschiedenster Zellbestandteile. Pflanzen haben mehrere Mechanismen entwickelt, um diese Schäden zu verhindern oder wenigstens zu minimieren. In der vorliegenden Arbeit wurden einige der molekularen Mechanismen zur Photoprotektion untersucht.
Isoprenoide, insbesondere Carotinoide und Tocopherole sind effektive Antioxidatien, die reaktive Sauerstoffradikale detoxifizieren. Carotinoide sind essentielle akzessorische Pigmente der Lichtsammelkomplexe und sind maßgeblich am Prozess des nonphotoquemical quenching (NPQ) beteiligt, bei dem überschüssige absorbierte Energie als Wärme abgeleitet wird. Somit ist der Biosyntheseweg dieser Stoffklasse ein interessanter Angriffspunkt zur genetischen Manipulation geworden. Durch Einführung bakterieller Gene des frühen Biosyntheseweges (GGDP-Synthase und Phytoensynthase) wurde die biosynthetische Kapazität von Carotinoide und Tocopherole in Nicotiana tabacum Pflanzen erhöht. Die hierdurch auftretende Problematik der Verfügbarkeit der Synthesevorstufen konnte durch die kombinierte Einführung beider Enzyme überwunden werden. Zudem konnte eine Kompensation zwischen Carotinoiden und Tocopherolen im Lichtstress nachgewiesen werden.
Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag jedoch auf der Untersuchung der ELIP Protein Familie. Diese integralen Proteine der Thylakoidmembran aus der Familie der der Chlorophyll a/b bindenden Proteine werden im Starklicht induziert und binden zum Teil Pigmente. Es wurde vermutet, dass sie an der Photoprotektion beteiligt sind, indem sie frei werdende Chlorophylle binden und so eine erhöhte Radikalbildung verhindern, oder/und durch Bindung von Carotinoiden am NPQ beteiligt sind. Um die physiologische Funktion der ELIP-Proteine zu untersuchen, wurden Arabidosis thaliana Mutanten hergestellt/isoliert die entweder die Proteine konstitutiv überexprimieren oder in denen diese Proteine fehlen, und anschließend ihre Toleranz gegenüber Lichtstress untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass nur unter extrem photoinhibitorischen Bedingungen eine Korrelation zwischen ELIP1 und ELIP2 Gehalt und Stress-Toleranz herrscht. Diese Beobachtung lässt auf diverse Kompensationsmechanismen schließen, die unter mildem Stress keinen eindeutigen Phänotyp aufkommen lassen.
Zu den ELIP Proteinen zählen auch mehrere andere Proteine (SEPs und OHPs), alle mit hoch konservierten membranspannenden α-Helices, und putativen Pignment-Bindestellen. Die Charakterisierung von Mutanten mit fehlenden OHP1 oder OHP2 Protein ergab, dass diese Proteine essentiell für die Photoprotektion von Photosystem I sind. Im homozygoten Zustand wiesen beide Mutanten einen stark gebleichten Phänotyp auf und waren nicht imstande sich fortzupflanzen. Selbst unter Schwachlichtbedingungen herrschten photooxidative Bedingungen, die sich unter anderem im Abbau mehrerer Proteine des Photosyntheseapparats widerspiegelten.

Light stress or photooxidation describes the situation when the excess of absorbed light energy, which cannot be utilized for photochemistry during photosynthesis, leads to the production of reactive oxygen radicals. These radicals cause the oxidation and thus damage of all kinds of cell components. Plants have evolved several mechanisms to prevent or at least minimize this damage. In the present work some of the molecular mechanisms of photoprotection were investigated.
Isoprenoids, especially carotenoids and tocopherols are effective antioxidants scavenging reactive oxygen radicals. Carotenoids are essential parts of the light-harvesting antenna and play a decisive role in the process of nonphotoquemical quenching (NPQ), where excess absorbed energy is dissipated as heat. Therefore the biosynthetic pathway of these compounds has become an interesting target for genetic manipulation. By insertion of bacterial genes of the early biosynthetic pathway ( geranylgeranyl diphosphate (GGDP) synthase and phytoene synthase) the biosynthetic capacity of carotenoids and tocopherols could be enhanced in Nicotiana tabacum plants. Emerging problems in precursor supply could be overcome by combinatorial insertion of both enzymes. Moreover, compensation between carotenoids and tocopherols in photoprotection could be demonstrated.
The main focus of this work, however, was the ELIP protein family. These thylakoid membrane proteins from the large chlorophyll a/b binding protein family are induced under high light and bind pigments. It was proposed that they are involved in photoprotection by binding released chlorophylls and thus preventing excessive radical formation, or/and by binding carotenoids and contributing to NPQ. To investigate the physiological function of ELIP proteins, Arabidopsis thaliana mutants were generated/isolated with either constitutive overexpression or depletion of the proteins, and analysed under light stress conditions. It could be shown, that only at extreme photoinhibitory conditions a correlation between ELIP1 and ELIP2 content and stress tolerance was apparent. This suggests that diverse compensation mechanisms are preventing the manifestation of a phenotype under less severe stress conditions.
The ELIP protein family also comprises several other proteins (SEPs and OHPs), all with highly conserved transmembrane α-helixes, and with putative pigment binding residues. The characterization of mutants depleted of OHP1 or OHP2 protein showed that these two proteins are essential for photoprotection of photosystem I. Homozygous ohp1 or ohp2 mutants had a bleached phenotype and were not able to reproduce. Even under low light conditions, strong photooxidation was observed, which was reflected among other things in degradation of several proteins of the photosyhthetic complexes/apparatus.