La photosynthèse oxygénique fournit l’énergie pour presque toutes les formes de vie sur Terre. Les premières étapes sont réalisées par quatre complexes membranaires. Deux sont des photosystèmes (PS) divisés en un core et une antenne qui, chez les plantes, est composée des protéines Lhca et Lhcb respectivement pour le PSI et le PSII. Les Lhcb les plus abondantes forment les hétérotrimères LHCII. Pour optimiser leur croissance, les organismes photosynthétiques doivent réguler précisément l’absorption de la lumière. Dans cette thèse, nous nous sommes focalisés sur un de ces mécanismes chez Arabidopsis thaliana : les transitions d’état. Cette régulation intervient en lumière faible ou fluctuante pour répondre à un déséquilibre d’excitation des photosystèmes. Elle implique la phosphorylation de Lhcb1 et Lhcb2, deux des isoformes composant le LHCII, et leur déplacement du PSII au core du PSI où elles agissent comme antenne. Récemment, l’attachement d’un LHCII additionnel à l’antenne du PSI a été rapporté, sans indice sur le rôle de la phosphorylation dans la liaison. Nous nous sommes attachés à quantifier la phosphorylation du LHCII dans les supercomplexes PSI et PSII et à déterminer les rôles respectifs de Lhcb1 et Lhcb2 dans les transitions d’état. Nous avons établi que la phosphorylation d’un seul Lhcb2 est suffisante pour l’attachement d’un LHCII au core du PSI. Nous avons ensuite isolé un complexe PSI-LHCII2 et déterminé que la liaison du second LHCII implique aussi la phosphorylation d’un seul Lhcb2. Ce travail apporte de nouvelles preuves des rôles divergents des isoformes Lhcb dans la régulation de la photosynthèse, qui sont discutées ici à la lumière de leur évolution. / Oxygenic photosynthesis directly or indirectly provides energy for almost all forms of life on earth. The first steps are performed by four membrane complexes. Two of them are photosystems (PS) organized in a core complex and an antenna system, which is composed in green organisms by Lhca and Lhcb proteins for PSI and PSII, respectively. The most abundant Lhcb proteins form the LHCII heterotrimers. To optimize growth, photosynthetic organisms have to precisely regulate their light harvesting. In this thesis, we focused on one of these mechanisms in Arabidopsis thaliana: state transitions. This regulation occurs in low or fluctuating light to answer for the imbalance of excitation between photosystems. It involves the phosphorylation of Lhcb1 and Lhcb2, two of the isoforms composing LHCII. The phosphorylated LHCII trimers detach from PSII and bind to PSI core and act as an antenna for it. Recently the attachment of additional LHCII trimers to PSI on its antenna side has been reported, with no clue of the role of phosphorylation in this binding. We set on quantifying the LHCII phosphorylation of purified PSI and PSII supercomplexes to determine the respective roles of the Lhcb1 and Lhcb2 isoforms in state transitions. We established that the phosphorylation of a single Lhcb2 protein is sufficient for the binding of PSI core. We then isolated a PSI-LHCII2 supercomplex, and determined that the binding of the additional trimer also involves the phosphorylation of a single Lhcb2 isoform per trimer. This work brings new evidences for the divergent roles of the Lhcb isoforms in light harvesting and its regulation, which are discussed here in the light of their evolution.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / In tropical regions, where there is a high incidence of light, electrons can accumulate in the transport chain (PET) producing large quantities of H 2 O 2 and other ROS, which might generate photodamage and photoinhibition. To survive to these challenges, plants have developed several mechanisms to mitigate the excess energy in photosystems, besides having an efficient machinery for removal of excess H 2 O 2 , which includes cytosolic APX (cAPX). However, double - silenced rice plants for cAPX (OsAPX1/2) do not show large differences in morpho - phenotype when compared to non - transformed (NT), although OsAPX1/2 presents induction of expression on several proteins re lated to photosynthesis. The physiological implications of this induction, as well as its consequences for OsAPX1/2 resistance against stresses of high light (HL), are still poorly known. Aiming to clarify the role of cAPx in pho tosynthesis, OsAPX1/2 plant s were produced, subjected to 24 hours of HL (2 , 000 μ mol m - 2 s - 1 ) and studied for the expression and activity of proteins related to photosynthesis , ph otorespira tion and redox homeostasis . The amount of several PET proteins (Lhcb1, PsbO, Psb P, PsbQ, PSAC, P C, FNR and FDX) and Chl and Pheo were increased in OsAPX1/2 in normal growth conditions, however without causing changes in the in vivo photochemistry activity parameters (Fv /Fm and ΔFm/Fm'). In contrast, expression of proteins associated with Calvin - Benso n cycle (Rls, ativase RBC) and rubisco carboxylation activity ( in vivo and in vitro ) were not altered in mutants under normal growth conditions . In HL, the expression of proteins related to photosynthesis was strongly repressed in all genotypes , as well as gas exchange parameters and Fv/Fm, the latter being strong indication of photoinhibition. Moreover, proteins related to photorespiration showed increased expression/activity in response to HL in NT and maintenance of already high levels in OsAPX1/2. In OsAPX1/2 t h e expression and activity of chloroplastic Cu/Zn - SOD showed a similar response exhibited by photorespiration - related proteins, although the activity of thylakoid APX has been greatly reduced, meaning deficiency in water - water cycle. Taken togeth er, these data demonstrate that induction of expression of proteins related PET in OsAPX1/2 plants may represent a compensatory mechanism for maintaining the photosynthetic activity levels similar to NT. Moreover, in HL, it is possible that the increased e xpression of photorespiration - related proteins in OsAPX1/2 acts as alternative electron sink, compensating the deficiency in the water - water cycle from these plants / Em regiÃes tropicais, onde existe alta incidÃncia luminosa, os elÃtrons podem se acumular na cadeia transportadora (PET) produzindo grandes quantidades de H 2 O 2 e outras ROS, que podem gerar fotodano e fotoinibiÃÃo. Para sobreviver a esse desafio, plantas desenvolveram vÃrios mecanismos de atenuaÃÃo do excesso de energia nos fotossistemas, alÃm de contar com uma eficiente ma quinaria de remoÃÃo do excesso de H 2 O 2 , da qual fazem parte as APX citosÃlicas (cAPX). Entretanto, plantas duplamente silenciadas para as cAPX (OsAPX1/2) nÃo apresentam grandes diferenÃas morfo - fenotÃpicas quando comparadas Ãs nÃo transformadas (NT), embor a OsAPX1/2 apresente induÃÃo de expressÃo de diversas proteÃnas relacionadas com a fotossÃntese, comparadas com as NT. As implicaÃÃes fisiolÃgicas dessa induÃÃo, assim como suas consequÃncias para a resistÃncia de OsAPX1/2 contra estresses de alta luz (HL) , ainda sÃo pouco conhecidas. Objetivando clarificar o papel das cAPx na fotossÃntese, plantas de arroz OsAPX1/2 foram produzidas, submetidas a 24 horas de HL (2000 μ mol m - 2 s - 1 ) e estudadas quanto à expressÃo e atividade de proteÃnas relacionadas com a fotossÃntese, fotorespiraÃÃo e homeostase redox. A quantidade de diversas proteÃnas da PET (Lhcb1, PsbO, PsbP, PsbQ, PSAC, PC, e FDX FNR), bem como teores de Chl e Pheo foram aum entadas em OsAPX1/2 em condiÃÃes normais de crescimento sem causar alteraÃÃes nos parÃmetros de atividade fotoquÃmica in vivo (Fv/Fm e Δ Fm/Fm'). Em contraste, as proteÃnas relacionadas com expressÃo ciclo de Calvin - Benson (Rls, ativase de Rbc) e a ativida de de carboxilaÃÃo da rubisco ( in vivo e in vitro ) nÃo foram alterados nos mutantes em condiÃÃes normais de crescimento. Em HL, a expressÃo de proteÃnas relacionadas com fotossÃntese foi fortemente reprimida em ambos os genÃtipos, assim como os parÃmetros de trocas gasosas e Fv/Fm, sendo esse Ãltimo forte indÃcio de fotoinibiÃÃo. Por outro lado, as proteÃnas relacionadas com a fotorespiraÃÃo, ou mostraram aumento na expressÃo/atividade em resposta à luz elevada (NT) ou manutenÃÃo de nÃveis jà elevados (OsAP X1/2) . A expressÃo e atividade de Cu/Zn - SOD de cloroplastos mostrou resposta similar a exibida pelas proteÃnas da fotorespiraÃÃo, embora a atividade de APX de tilacÃides tenha sido fortemente reduzida em OsAPX1/2, evidenciando deficiÃncia no ciclo Ãgua - Ãgu a. Tomados em conjunto, estes dados demonstram que a induÃÃo da expressÃo de proteÃnas relacionadas com o PET em OsAPX1/2 pode representar um mecanismo compensatÃrio para a manutenÃÃo da atividade fotossintÃtica aos nÃveis da NT. Por outro lado, sob HL, à possÃvel que o aumento da expressÃo de proteÃnas associadas com fotorespira ÃÃo em OsAPX1/2 atue como dissipador alternativo de elÃtrons, compensando a deficiÃncia no ciclo da Ãgua - Ãgua dessas plantas

The thesis focuses on regulation of the chlorophyll biosynthetic pathway and its coordination with synthesis of chlorophyll-binding proteins in the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803. One of the aims was to analyze correlation between syntheses of photosystems and chlorophyll in Synechocystis cells using radioactive labeling of proteins and chlorophyll by 35S and 14C, respectively. I also investigated the role of enzymes catalyzing protochlorophyllide reduction step in the chlorophyll biosynthesis by analyzing the synthesis and accumulation of photosynthetic proteins in Synechocystis mutants lacking one of the enzymes. Further, roles of Ycf54 and Psb27 proteins in stability and assembly of oxidative cyclase and CP43, respectively, are also described.

Title: Quantum mechanical study of the electron hoping processes of pig- ments from photosystems. Simulation of absorption and emission photoelectron spectra. Author: Bc. Radim Cajzl Department: Department of Chemical Physics and Optics Supervisor: prof. RNDr. Ing. Jaroslav Burda, DrSc., Department of Chemical Physics and Optics Abstract: The aim of this thesis is to develop a methodology for simulation of dynamical properties of carotenoids by OMx method combined with surface electron hopping. We use linear conjugated polyenes: ethene, butadiene, hexa- triene up to polyenes with 22 carbon atoms as model systems. First, the spectra are calculated with sufficiently good agreement with the experimental data by both correct order of excited states and small deviation from experimental data. These results are used for electron surface hopping for calculation of mean lifetimes of excited states of studied polyenes. Calculated lifetimes are of the same order as experimental data for butadiene, hexatriene and octatetraene. Calculated lifetimes for poleynes with 20 resp. 22 carbon atoms agree well with chemically analogous carotenoids. Keywords: quantum mechanics, photoelectron spectra, pigments of photosys- tems, elecrton transitions, molecular and electronic dynamics

Bis zum heutigen Zeitpunkt ist wenig über die physiologischen Effekte von Ethanol auf Cyanobakterien bekannt. Dies ist nicht überraschend, da es unwahrscheinlich ist, dass Cyanobakterien in ihrer natürlichen Umwelt auf Wachstums inhibierende Konzentrationen stoßen, und deswegen war die Stressantwort auf Ethanol nur von geringerem Interesse für die Forschungsgemeinschaft. Nichts desto weniger sind durch neue Entwicklungen im Biofuel- Sektor, insbesondere im Kontext der Produktion von Ethanol mit Hilfe von genetisch manipulierten Cyanobakterien, Kenntnisse über die zelluläre Toleranz und Zellantwort gegenüber dem gewünschten Produkt von grundlegender Bedeutung. Microarray-Experimente, die einen Einblick in die zelluläre Antwort durch Änderung der Genexpression auf Ethanolproduktion bringen sollten, zeigten, dass Gene des Phycocyanin-Operons als die am signifikantesten und stärksten betroffenen funktionalen genetischen Elemente. Weitere Microarray-Experimente mit verschiedenen Konzentrationen von extern zugefügtem Ethanol zeigten eine zeitverzögerte (24h) Hochregulation von PS II-Genen und dem Transkript cpcG2. Diese Arbeit beschreibt weiterhin die Ergebnisse eines Experiments zur "Evolution im Labor", das die intrinsische Kapazität von Synechocystis sp. PCC 6803 zur Erweiterung der Toleranz gegenüber Ethanol aufzeigen sollte. Die erhöhte Ethanoltoleranz führte zu einer Optimierung der endogenen Ethanolproduktion. Derartige Versuche zur Stammoptimierung durch "Evolution im Labor" sollten daher geeignete Mittel sein, um bestimmte Eigenschaften von Organismen für biotechnologische Ziele zu verbessern. In der Gesamtheit geben die Ergebnisse dieser Arbeit Einblicke in die Antwort der Synechocystis-Zellen auf Ethanol auf den Ebenen des Stoffwechsels und der Genexpression und stellen eine wertvolle Datensammlung für zukünftige Versuche mit dem Ziel dar, die Ethanolproduktionsrate in Cyanobakterien durch genetic engineering zu erhöhen. / Until recently, little has been known about the effects of ethanol on the physiology of cyanobacteria. This is not surprising as it is unlikely that cyanobacteria encounter growth inhibiting concentrations of ethanol in their natural environment, and thus the ethanol stress response used to be of limited interest to the scientific community. Nevertheless, for recent biotechnological approaches in the field of biofuel production, and in particular for the attempts to produce ethanol with the help of genetically modified microalgae and cyanobacteria, knowledge of cellular tolerance and response to the desired product is pivotal. Microarray analysis demonstrating that a specific part of the phycocyanin operon is the most significantly and strongly affected functional genetic subsystem under ethanol producing conditions. Additional microarray experiments with different concentrations of external ethanol showed a time-delayed (24h) characterized by a prominent up-regulation of PS II genes with phycocyanin linker proteins playing a major role in the transcriptional response. Another aspect of this work was an artificial evolution experiment, which was performed to delineate the intrinsic capacity of Synechocystis sp. PCC6803 to tolerate ethanol. In addition, the evolved strain proved to be a superior background for endogenous ethanol production showing that artificial evolution experiments are a suitable method to improve certain features of organisms for biotechnological purposes. Overall, the results of this work give new insight into physiological and gene regulatory responses of Synechocystis sp. PCC6803 exposed to ethanol and will be a very valuable dataset for future attempts to improve cyanobacterial ethanol production by the means of genetic engineering.

Η διακυμαινόμενη ασυμμετρία των φύλλων, δηλαδή η τυχαία απόκλιση από τη συμμετρία, θεωρείται ένα μέτρο της καταπόνησης που υπέστησαν κατά την ανάπτυξή τους. Η ασυμμετρία υποδηλώνει αναπτυξιακή αστάθεια και έχει προταθεί ότι συσχετίζεται αρνητικά με την αρμοστικότητα (fitness). Εάν η φωτοσύνθεση αποτελεί έναν έμμεσο δείκτη της αρμοστικότητας, αναμένεται, ένα φύλλο με μειωμένη αρμοστικότητα να είναι και φωτοσυνθετικά υποδεέστερο. Προς επιβεβαίωση αυτού, στην παρούσα διατριβή εξετάστηκαν εκατοντάδες άθικτα φύλλα σε συνολικά 7 διαφορετικά είδη ως προς τη διακυμαινόμενη ασυμμετρία, καθώς και ως προς τη φωτοσυνθετική τους απόδοση (δείκτες PItotal & Fv/Fm). Ο δείκτης PItotal υπολογίζεται με βάση την κινητική ανάλυση των in vivo μεταβολών του φθορισμού της χλωροφύλλης και λαμβάνεται εύκολα και γρήγορα (εντός δευτερολέπτων). Ο δείκτης αυτός θεωρείται ανάλογος της φωτοσυνθετικής αφομοίωσης του CO2 και περιγράφει την απόδοση τόσο του φωτοσυστήματος Ι (PSI) όσο και του φωτοσυστήματος ΙΙ (PSII). Ο παραδοσιακός δείκτης Fv/Fm προκύπτει άμεσα από τις in vivo μετρήσεις φθορισμού της χλωροφύλλης και υποδεικνύει τη μέγιστη φωτοχημική ικανότητα του PSII. Δύο φυτικά είδη (Pistacia lentiscus, Olea europea) επέδειξαν θετική συσχέτιση μεταξύ διακυμαινόμενης ασυμμετρίας και φωτοσυνθετικής ικανότητας, αποτελέσμα αντίθετο από τις αρχικές προβλέψεις. Το μόνο φυτικό είδος που επιβεβαίωσε την αρχική υπόθεση ήταν το Ceratonia siliqua. Στα υπόλοιπα είδη (Arbutus unedo, Cercis siliquastrum, Platanus orientalis, Populus alba) δεν υπήρξε συσχέτιση μεταξύ των δύο παραμέτρων. Τα φυτικά είδη που εμφάνισαν μεγάλες τιμές διακυμαινόμενης ασυμμετρίας ήταν και αυτά στα οποία η ασυμμετρία συχετίστηκε θετικά με τη φωτοσύνθεση. Συμπεραίνεται, εμμέσως ότι η ισχυρή ένταση της καταπόνησης κατά τα πρώιμα στάδια της ανάπτυξης των φύλλων σε μερικά φυτά ενδεχομένως να οδηγεί σε πιο σφριγηλή φωτοσύνθεση κατά την ωριμότητά τους ή σε μεγαλύτερη ικανότητα αντοχής στην καταπόνηση. Αν το συμπέρασμα είναι αληθές, τότε μπορεί μεν η συμμετρία να είναι ομορφότερη, δεν είναι όμως και αποδοτικότερη. Σε γενικές γραμμές, και με βάση τη βιβλιογραφία, ο δείκτης διακυμαινόμενης ασυμμετρίας των φύλλων δεν φαίνεται από μόνος του να επιτυγχάνει αξιόπιστη εκτίμηση της αρμοστικότητας. Για αυτό τον λόγο η χρησιμοποίησή του πρέπει να γίνεται με ιδιαίτερη προσοχή και συνάμα θα πρέπει να συνδυάζεται με σειρά άλλων δεδομένων-δεικτών. Ένας ακόμη δείκτης περιβαλλοντικής καταπόνησης μπορεί να είναι η εποχική συσσώρευση ερυθρών χρωστικών (ανθοκυανινών) που παρατηρείται στα ώριμα φύλλα ορισμένων φυτικών ειδών. Έχει προταθεί ότι οι ανθοκυανίνες των φύλλων λειτουργούν ως «ομπρέλα» προστασίας για τη φωτοσυνθετική συσκευή ενάντια στη φωτοαναστολή. Ως προς την εξέταση αυτής της υπόθεσης, η παρούσα διατριβή χρησιμοποίησε δύο πειραματόφυτα που εμφανίζουν εποχική ερυθρότητα στα φύλλα ορισμένων ατόμων τους. Αυτά είναι το Pistacia lentiscus και το Cistus creticus. Αρχικά όσον αφορά το P. lentiscus, εξετάστηκε η συσχέτιση του βαθμού φωτοπροστασίας με τις πραγματικές συγκεντρώσεις ανθοκυανινών σε φύλλα ατόμων που φύονται σε συνθήκες πεδίου. Το συγκεκριμένο εγχείρημα αποτελεί καινοτομία, αφού μέχρι σήμερα δεν έχει μελετηθεί η φωτοπροστασία σε σχέση με τη διαβάθμιση της ερυθρότητας των φύλλων. Προς αυτή τη κατεύθυνση χρησιμοποιήθηκαν μη επεμβατικές οπτικές μέθοδοι (φάσματα ανακλαστικότητας και φθορισμός χλωροφύλλης) για να αποτιμήσουν τα επίπεδα ανθοκυανινών και χλωροφυλλών καθώς και τη φωτοχημική απόδοση του PS II, σε εκατοντάδες ώριμα φύλλα του φυτικού είδους P. lentiscus (σχίνος). Ο σχίνος κατά τη χειμερινή περίοδο εμφανίζει κόκκινους (όλων των διαβαθμίσεων ερυθρού χρώματος) και πράσινους φαινότυπους. Αντίθετα με την υπόθεση που υποστηρίζει το φωτοπροστατευτικό ρόλο των ανθοκυανινών, η ένταση της ερυθρότητας συσχετίστηκε θετικά με τη φωτοαναστολή και αρνητικά με τα επίπεδα των εμπεριεχόμενων χλωροφυλλών στα φύλλα. Έτσι, ο πιθανός φωτοπροστατευτικός ρόλος των ανθοκυανινών δεν επιβεβαιώθηκε. Ωστόσο, η χειμερινή ερυθρότητα των φύλλων στο σχίνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ένας ρεαλιστικός, γρήγορος και μη επεμβατικός τρόπος εντοπισμού ατόμων «ευάλωτων» στη χειμερινή καταπόνηση. Σε μετέπειτα στάδιο στο ίδιο φυτικό είδος, εξετάστηκε in situ η σχέση της χειμερινής ερυθρότητας των φύλλων με σειρά άλλων φωτοσυνθετικών παραμέτρων. Συγκρινόμενοι με τους πράσινους φαινότυπους κατά τη διάρκεια του χειμώνα, οι ερυθροί (ανθοκυανικοί) φαινότυποι παρουσίασαν χαμηλότερες ταχύτητες αφομοίωσης CO2. Βρέθηκε ότι αυτό οφείλεται στη χαμηλή περιεκτικότητα ή/και ενεργότητα του ενζύμου καρβοξυλάση/οξυγονάση της διφωσφορικής ριβουλόζης (Rubisco) των ερυθρών φύλλων, ενώ ταυτόχρονα η στοματική αγωγιμότητα δεν φάνηκε να είναι περιοριστική για τη φωτοσύνθεση. Συγχρόνως, οι ερυθροί φαινότυποι βρέθηκε ότι περιέχουν λιγότερο άζωτο σε σχέση με τους πράσινους. Το εύρημα αυτό πιθανώς συνδέεται με την παρατηρούμενη χαμηλή περιεκτικότητα του ενζύμου Rubisco και τον μειωμένο φωτοσυνθετικό ρυθμό των ερυθρών φύλλων. Η περιορισμένη ικανότητα των αντιδράσεων καρβοξυλίωσης να χρησιμοποιήσουν αναγωγική δύναμη και ηλεκτρόνια, ενδεχομένως εξηγεί και τη μειωμένη απόδοση παγίδευσης φωτονίων του PSII που σημειώνεται στους ερυθρούς φαινοτύπους. Σε οποιαδήποτε περίπτωση, η ανάπτυξη της ανθοκυανικής «ομπρέλας» δεν φαίνεται να αποσοβεί το κίνδυνο φωτοαναστολής της φωτοσύνθεσης στον ερυθρό φαινότυπο του σχίνου. Ως παραπροϊόν της εργασίας με το P. lentiscus, εξετάστηκε η πιθανή επίδραση των φυσικών διακυμάνσεων του αζώτου των φύλλων του στις φωτεινές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης. Συγκεκριμένα, εξετάστηκαν οι φυσιολογικές διακυμάνσεις του αζώτου ώριμων φύλλων σε συνδυασμό με την ανάλυση των αντίστοιχων καμπυλών ταχείας ανόδου του φθορισμού της χλωροφύλλης. Η μαθηματική ανάλυση των καμπυλών έγινε σύμφωνα με το λεγόμενο «JIP-test», γεγονός που επέτρεψε την εκτίμηση της εν δυνάμει δραστηριότητας των δύο φωτοσυστημάτων. Τα αποτελέσματα υπέδειξαν εξάρτηση από την εποχή, επιτρέποντας την εξαγωγή του συμπεράσματος ότι η έλλειψη αζώτου επηρεάζει επιλεκτικά και αρνητικά το PSI, ενώ η αρνητική επίδραση στο PSII περιορίζεται μόνο κατά τη δυσμενή-χειμερινή περίοδο του έτους. Ένας δεύτερος Μεσογειακός θάμνος που εξετάστηκε ήταν το είδος Cistus creticus. Όπως και ο σχίνος, το είδος αυτό επιδεικνύει χαρακτηριστική ενδοειδική ποικιλομορφία στην έκφραση του ανθοκυανικού χαρακτήρα στα φύλλα του. Συγκεκριμένα, μερικά άτομα κοκκινίζουν το χειμώνα, ενώ γειτονικά τους κάτω από τις ίδιες περιβαλλοντικές συνθήκες παραμένουν πράσινα. Η ερυθρότητα των φύλλων διατηρείται μέχρι τα μέσα της άνοιξης. Αυτό το σύστημα απεδείχθη κατάλληλο, όχι μόνο για τη μελέτη του φυσιολογικού ρόλου των ανθοκυανινών αλλά και για τη προσέγγιση οικολογικών ερωτημάτων που σχετίζονται με την αρμοστικότητα (fitness) των δύο φαινότυπων. Επίσης, απεδείχθη πως η φυλλική ερυθρότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ένας οπτικός δείκτης καταπόνησης. Ως τελικές παράμετροι αρμοστικότητας χρησιμοποιήθηκαν, η αναπαραγωγική προσπάθεια ως ο αριθμός ανθέων ανά άτομο, η αναπαραγωγική επιτυχία ως ο αριθμός σπερμάτων ανά άτομο καθώς και η επικονιστική επιτυχία ως ο αριθμός καρπών ανά αριθμό ανθέων και ως ο αριθμός σπερμάτων ανά καρπό. Η μελέτη αυτή, συνδιαζόμενη με σειρά φυσιολογικών δεικτών που εξέτασαν άλλα μέλη της ερευνητικής ομάδας του εργαστηρίου μας έδειξαν ότι, παρόλο που οι φυσιολογικοί δείκτες εμφανίζουν τον ερυθρό φαινότυπο υποδεέστερο, αντίθετα οι αναπαραγωγικοί δείκτες (αποτελέσματα παρούσας διατριβής) δεν παρουσίασαν διαφορές. Εν τέλει, μπορεί ίσως να λεχθεί πως η παρουσία της ερυθρότητας υποδεικνύει μεν «ασθενέστερα» άτομα (που με τη βοήθεια των ανθοκυανινών ίσως επιτυγχάνουν κάποια αντιστάθμιση αυτών των ενδογενών φυσιολογικών και γενετικών αδυναμιών τους), όχι όμως τόσο ασθενικά ώστε να επηρεάζεται αρνητικά η αναπαραγωγική τους επιτυχία και αρμοστικότητα. / Fluctuating asymmetry, small nondirectional deviations from perfect symmetry, has been proposed as a useful indicator of environmental stress. The developmental instability of an organism may induce asymmetric characters. Hence, a high degree of developmental instability, morphologically manifested as fluctuating asymmetry, may indicate less fitness. According to that, less fit individuals are expected to have asymmetric leaves and this may have a negative impact in their photosynthetic yield. In this investigation, fluctuating asymmetry and two photosynthetic indices (PItotal, Fv/Fm) has been measured in a great number of leaves in 7 plant species. PItotal, is an index which expresses the relative photosynthetic performance. It is calculated from the kinetics of fast chlorophyll a fluorescence rise curves according to the so-called «JIP-test». It is considered to be positively correlated to CO2 assimilation rates, hence to productivity based on photosynthesis. Fv/Fm, is a second photosynthetic index which indicates the maximum photosystem II (PSII) photochemical efficiency. Fluctuating asymmetry was positively correlated to both photosynthetic indices in two plant species (Pistacia lentiscus, Olea europea). These results do not support the initial hypothesis of this investigation. Contrary, the species Ceratonia siliqua shows a negative correlation between fluctuating asymmetry and the two photosynthetic indices. Furthermore, in four plant species (Arbutus unedo, Cercis siliquastrum, Platanus orientalis, Populus alba), fluctuating asymmetry and photosynthetic performance were not correlated. It happened that the two species deviating from the initial hypothesis (P. lentiscus and O. europea) display the maximum mean fluctuating asymmetry values among all species included in this investigation. In conclusion, it seems that in some plants whose leaves have experienced high stress as young are more photosynthetically potent as mature. Moreover, these results suggest that the relation between fluctuating asymmetry and photosynthesis is species-specific. Finally, the results show that fluctuating asymmetry may not be a reliable index of developmental instability and stress exposure in plants. Leaf anthocyanins are believed to afford protection against photoinhibition, yet the dependence of protection on actual anthocyanin concentrations has not been investigated. To that aim, non-invasive optical methods (spectral reflectance and chlorophyll fluorescence) were used to assess levels of anthocyanins and chlorophylls as well as photosystem II (PSII) photochemical efficiency in hundreds of leaves from the mastic tree (Pistacia lentiscus). This species displays a continuum of leaf tints during winter from fully green to fully red under field conditions. Contrary to expectations based on the photoprotective hypothesis, the strength of leaf redness was positively correlated to the extent of mid-winter chronic photoinhibition and negatively correlated to leaf chlorophyll contents. Hence, a photoprotective role for anthocyanins is not substantiated. Instead, we argue that winter leaf redness may be used reliably, quickly and non-invasively to locate vulnerable individuals in the field. Given that winter-red leaf phenotypes in the mastic tree are more vulnerable to chronic photoinhibition during the cold season, we asked whether corresponding limitations in leaf gas exchange and carboxylation reactions could also be manifested. During the cold («red») season, net CO2 assimilation rates (A) and stomatal conductances (gs) in the red phenotype were considerably lower than the green phenotype, while leaf internal CO2 concentration (Ci) was higher. The differences were abolished in the «green» period of the year, the dry summer included. Analysis of A versus Ci curves indicated that CO2 assimilation during winter in the red phenotype was limited by Rubisco content and/or activity rather than stomatal conductance. Concomitant to that, leaf nitrogen levels in the red phenotype were considerably lower during the red-leaf period. Hence, we suggest that the inherently low leaf nitrogen levels are linked to the low net photosynthetic rates of the red plants through a decrease in Rubisco content. Accordingly, the reduced capacity of the carboxylation reactions to act as photosynthetic electron sinks may explain the corresponding loss of PSII photon trapping efficiency, which cannot be fully alleviated by the screening effect of the accumulated anthocyanins. In a next step we examined whether leaf nitrogen level affects photosynthetic light reactions. Although it is amply documented that CO2 assimilation rates are positively correlated to leaf nitrogen, corresponding studies on a link between this nutrient and photosynthetic light reactions are scarce, especially under natural field conditions. In this final investigation with mastic tree, we exploited natural variation in nitrogen content of mature leaves of P. lentiscus in conjunction with fast chlorophyll a fluorescence rise (the OJIP curves) analysed according to the so-called «JIP-test», as this was recently modified to allow also for the assessment of events in or around photosystem I (PSI). The results depended on the sampling season, with low nitrogen leaves displaying lower efficiencies for electron flow from intermediate carriers to final PSI acceptors and lower relative pool sizes of these acceptors, both during the autumn and winter. However, parameters related to the PSII activity (i.e. quantum yields for photon trapping and electron flow along PSII, efficiency of a trapped exciton to move an electron from QA- to intermediate carriers) were limited by low nitrogen only during the winter period. As a result, parameters like the quantum yield of total electron flow along both photosystems as well as the total photosynthetic performance index (PItotal) were positively correlated to leaf nitrogen independently of season. We conclude that nitrogen deficiency under field conditions preferentially affects PSI activity while the effects on PSII are evident only during the stressful period of the year. In the last part of this dissertation we asked whether the leaf anthocyanic trait confers long term benefits to the plant and to that aim parameters directly related to fitness, i.e. reproductive effort and success as well as seed germinability were registered in winter-red and green phenotypes of Cistus creticus growing in the field under apparently similar conditions. The results indicated that both phenotypes displayed similar flower numbers, pollination success and seed yield, mass and germinability. As judged by the similar final reproductive output, vulnerability to the winter stress does not render the red phenotype less fit, nor anthocyanin accumulation render it more fit. Although an apparent compensating function for anthocyanins may be inferred, it can not be linked to a protection against photoinhibition of photosynthesis. Moreover, the photosynthetic inferiority of the red phenotype although linked to slightly reduced leaf number, (results from other members of our laboratory) it was not limiting for reproductive effort and success. Regardless of function, winter leaf redness may indicate photosynthetically weak, yet not necessarily less fit individuals in C. creticus.