Nennen Sie 2 grundlegende entwicklungsbiologische Unterschiede zwischen Pflanzen und Tieren! Erläutern Sie diese Unterschiede jeweils kurz mit Bezug auf die Lebensweise von Pflanzen! (6P)
Plastizität: Pflanzen werden stärker von veränderten Umweltbedingungen in ihrer Entwicklung beeinflusst
Ständiges Wachstum: selbst ein Jahrtausende Jahre alter Baum wächst noch um Nährstoffe zu erschließen
Totipotenz: aus undifferenzierten Wundgewebe kann sich Pflanze regenerieren (z.B. nach Fraß)
Nennen Sie drei keimungsauslösende Umweltfaktoren und erklären Sie, welche relevanten Informationen diese Faktoren einem Samen jeweils liefern! (9P)
Rauch: Konkurrenz, Feuer
Licht: Konkurrenz (Vegetationslücke), Bodentiefe
Temperatur (Amplitude): Bodentiefe, Vegetationslücke
Unterscheiden Sie an jeweils zwei Beispielen zellautonome von nicht-zellautonomen Prozessen der Antwort von Pflanzen auf Licht! Nennen Sie für jeden Prozess die beteiligten Photorezeptoren! (8P)
Zellautonome Prozesse:
Öffnung der Stomata (Photorezeptor: Phototropin)
Chloroplastenbewegung (Photorezeptor: Phototropin)
Nicht-zellautonome Prozesse:
Koleoptilenkrümmung (erfordert Auxin); Photorezeptor: Phototropin
Blühinduktion (erfordert Gibberellin); Photorezeptor: Phytochrom und Chrypochrom
Phototropismus —> Phototropine
Shade avoidance
Was ist die molekulare Ursache für den von Gregor Mendel an Erbsen untersuchten Phänotyp „runzelige Samen“! (8P)
Phänotyp „runzelige Samen“ geht auf die Transposon-Inaktivierung einer branching enzyme-Isoform zurück. Die Samen bilden weniger Stärke und enthalten mehr Saccharose. Dadurch schwellen sie aufgrund von Osmose an und werden beim Trocknen durch den zusätzlichen Wasserverlust runzelig.
Mit welchem Phytohormon ist die Pflanze rechts behandelt worden? Wie wird dieses Phytohormon perzipiert? Wie erfolgt die Auslösung transkriptioneller Antworten? (10P)
Behandelt mit Gibberellin (GA)
Perzipiert durch GID1 Rezeptor und membrangebundenen GA-Rezeptor
In Abwesenheit von Gibberellin inhibiert DELLA die GA-Antwort. DELLA-Repressoren werden durch Übertragung eines N-Acetylglucosamin-Rest aktiviert. Dadurch binden sie an DNA und unterdrücken die Transkription. GA bindet an löslichen Rezeptor (GID1), wodurch die Interaktion mit DELLA erfolgen kann. Dadurch wird ein SCF-Ubiquitin-E3-Ligase-Komplex rekrutiert (GID1 und GID2 beteiligt), der DELLA für den Abbau markiert. Nach Abbau kann GA-MYB gebildet werden, wodurch die Transkription der Gene für die GA-Antwort vermittelt werden.
Welcher Prozess ist dargestellt? Was passiert hier („?“)? Welche Funktion haben die mit „III“ und „IV“ bezeichneten Strukturen? (8P)
—> Auxin-Signaltransduktion
?: Auxin bindet an den Rezeptor (Teil eines E3-Ligase-Komplexes) TIR1, wodurch die Polyubiquitinierung der AXR-Proteine (Repressorproteine) eingeleitet wird. Durch den Abbau der Repressoren wird die Aktivität der ARF-Proteine erlaubt, wodurch Transkription erfolgen kann.
III & IV: Dimersierungsdomäne aus AXR und ARF.
AXR = Repressor (hält Transkriptionsaktivator ARF in inaktiven Zustand)
ARF = Transkriptionsaktivator
Solange sie zusammen sind, kann keine Transkription erfolgen.
Wie unterscheiden sich Sonnen- und Schattenblätter physiologisch? Nennen Sie zwei Unterschiede und beschreiben deren funktionelle Bedeutung! (8P)
Schattenblätter haben mehr Chlorophyll b
—> Verkleinerung der Grünlücke
—> Effizientere Nutzung des Lichts
Schattenblätter haben erhöhten Photosystem II-Anteil
—> Im Schatten hat man einen hohen Anteil von dunkelrotem Licht —> Überanregung von Photosystem I
—> erhöhter Photosystem II-Anteil verhindert das
Diese Blätter wurden Starklicht ausgesetzt. Erklären Sie die Beobachtungen! (10P)
Bei der Katalase-Antisense Pflanze liegt ein Defekt vor, der dazu führt, dass diese nur reduzierte Katalase-Aktivität hat. Dadurch kann sie reaktive Sauerstoffspezies (H2O2) nicht neutralisieren und bleicht aus.
Bei hohen Konzentrationen an CO2 liegen durch die Photosynthese genügend Reduktionsäquivalente wie z.B. NADP+ vor, wodurch es nicht zu einer Mehler-Reaktion kommt, bei welcher Sauerstoff durch Ferredoxin reduziert wird und zur Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies führen kann.
Füllen Sie die Lücken in diesem Text: (15P)
In vielen Pflanzen wird der Blühzeitpunkt u.a. durch die Tageslänge kontrolliert. Dies nennt man __________. Das Blühen von Arabidopsis thaliana z.B. wird durch _______ werdende Tage mit ausgelöst. Die Wahrnehmung der Tageslänge erfolgt im _______. Sie wird erklärt durch das __________-Modell. Die Transkription des Regulators ____________ unterliegt einer _____________ Rhythmik. Nur wenn zum Zeitpunkt hoher _________menge noch Licht durch die Photorezeptoren _____________ und ____________ wahrgenommen wird, erfolgt die Translation. Das resultierende Protein aktiviert die Bindung von ____ dem lange gesuchten Blühhormon _________, welches dann im _______ zum _________________ transportiert wird. Dort aktiviert es zusammen mit ____ Gene der ___________________.
In vielen Pflanzen wird der Blühzeitpunkt u.a. durch die Tageslänge kontrolliert. Dies nennt man Photoperiodismus. Das Blühen von Arabiodopsis thaliana z.B. wird durch länger werdende Tage mit ausgelöst. Die Wahrnehmung der Tageslänge erfolgt im Blatt. Sie wird erklärt durch das Koinzidenz-Modell. Die Transkription des Regulators CONSTANS (CO) unterliegt einer circadianen Rhythmik. Nur wenn zum Zeitpunkt hoher Transkriptmenge noch Licht durch die Photorezeptoren Phytochrom und Cryptochrom wahrgenommen wird, erfolgt die Translation. Das resultierende Protein aktiviert die Bindung von FT dem lange gesuchten Blühhormon Florigen, welches dann im Phloem zum Sprossapikalmeristem transportiert wird. Dort aktiviert es zusammen mit FD Gene der Meristemidentitätsebene.
Beschreiben Sie zwei Beispiele der Stressvermeidung (Avoidance) bei Pflanzen! (6P)
Bildung von Aerenchymen zur Vermeidung der Anoxie
Bildung von Blatthaaren zur Vermeidung von Überhitzung durch Sonneneinstrahlung (+ Blatthaare reflektieren Licht)
Kreuzen Sie bei den folgenden Aussagen an, ob sie richtig oder falsch sind! (Falsch angekreuzte Kästchen geben Minuspunkte!) (12P)
Vernalisation ist die Auslösung der Samenkeimung durch Kälte.
Phytochrom trägt eine Kernlokalisationssequenz.
Die Synthese von Abscisinsäure kann ein Pathogenitätsfaktor sein.
Die Erhöhung des pH-Wertes im Stroma bei laufenden Thylakoidreaktionen fördert die Aktivierung der RubisCO.
Die PEP-Carboxylase-Kinase ist in CAM-Pflanzen vor allem in der Nacht aktiv.
Ethylen inhibiert die Fruchtreifung.
Die Synthese kurzkettiger Fettsäuren erfordert die Aktivität von Thioestersen.
Der Oxidative Pentosephosphatweg läuft in Pflanzenzellen nur im Dunkeln ab.
Vernalisation ist die Auslösung der Samenkeimung durch Kälte. —> F
Phytochrom trägt eine Kernlokalisationssequenz. —> R
Die Synthese von Abscisinsäure kann ein Pathogenitätsfaktor sein. —> R
Die Erhöhung des pH-Wertes im Stroma bei laufenden Thylakoidreaktionen fördert die Aktivierung der RubisCO. —> R
Die PEP-Carboxylase-Kinase ist in CAM-Pflanzen vor allem in der Nacht aktiv. —> R
Ethylen inhibiert die Fruchtreifung. —> F
Die Synthese kurzkettiger Fettsäuren erfordert die Aktivität von Thioestersen. —> R
Der Oxidative Pentosephosphatweg läuft in Pflanzenzellen nur im Dunkeln ab. —> R
Das Zusammenwirken welcher drei Proteine vermittelt die Wirkung der Abscisinsäure (ABA)? Welche Zielproteine lösen wie den Schluss der Stomata aus? Wie wird die Aktivität dieser Proteine in Antwort auf des ABA-Signal moduliert? (12P)
Rezeptor PYR1, Phosphatase PP2C, SnRK-Kinase
Anionenkanäle wie SLAC1 werden durch Phosphorylierung aktiviert, einwärts gerichtete Kaliumkanäle wie KAT1 inaktiviert.
Diese Prozesse haben eine Depolarisation der Plasmamembran zur Folge, auswärts gerichtete Kaliumkanäle öffnen sich, Kalium strömt aus und zieht osmotisch einen Wasserstrom mit sich. Durch den Wasserausstrom sinkt der Turgor und die Schließzellen schließen sich.
Bei Sauerstoffmangel tritt in Wurzelzellen Gärung auf. Durch welche Bedingungen wird Sauerstoffmangel ausgelöst? Welche Gärungsprodukte werden in welcher Reihenfolge gebildet? Wie heißen die jeweils verantwortlichen Enzyme? (8P)
Durch Überflutung wird Hypoxie und Anoxie ausgelöst.
Das aus der Glykolyse stammende Pyruvat wird über die Lactatdehydrogenase zu Lactat abgebaut. Dieses säuert das Cytosol an und begünstigt die Alkoholische Gärung. Das heißt Pyruvat wird durch die Pyruvat-Decarboxylase zu Acetaldehyd umgewandelt, welches dann durch die Alkoholdehydrogenase zu Ethanol wird.
Die Synthese und Abgabe von Strigolactonen kann für Pflanzen nachteilig sein. Warum? Begründen Sie auch, warum Pflanzen dennoch nicht auf die Synthese von Strigolactonen verzichten können! (8P)
Synthese und Abgabe von Strigolactonen hemmt Wurzelwachstum und kann Ausbildung von Seitenwurzeln unterdrücken —> Verringerte Aufnahme von Wasser und Nährstoffen (v.a. in Ressourcen-begrenzten Umgebungen)
Strigolactone lösen Keimung von parasitischen Pflanzen aus
Sie werden aber auch für Symbiose mit der Mykorrhiza benötigt, da diese Pflanzen anhand der Strigolactone erkennt und diese bei ihr das Auskeimen der Hyphen bewirkt
Strigolactone sind auch an Regulation des Sprosswachstums beteiligt, indem sie apikale Dominanz fördern
Wofür stehen die blauen Zahlen? (12P)
Calvin-Zyklus
ATP
ADP-Glucose (ADPG)
Amylase
UTP
UDP-Glucose (UDPG)
Chloroplast
Cytosol
Gezeigt sind in der Abbildung unten die Überlebensraten von Arabidopsis thaliana Wildtyp-Pflanzen (Kontrolle) und der Dreifach-Mutant fad3 fad7 fad8 nach einer Inkubation mit Fliegenlarven, die die Wurzeln und Blätter der Pflanze schädigen können. Die Mutanten wurden entweder mit Jasmonat oder mit Wasser behandelt. Erklären (nicht: Beschreiben) Sie die Beobachtungen! (10P)
Jasmonat aktiviert lokal und systematisch die Herbivor-Abwehr, z.B. Synthese von Abwehrstoffen.
Dieser Effekt zeigt sich im Unterschied der Überlebensraten der Mutante fad2 fad7 fad8 zwischen Wasser- und Jasmonat-Behandlung.
Die erhöhte Sensivität der Mutante im Vergleich zum Wildtyp rührt daher, dass in der Mutante die Jasmonat-Synthese gestört ist. Fad-Gene codieren für Desaturasen, die Doppelbindungen in Fettsäuren einführen.
Jasmonat wird ausgehend von ungesättigten Fettsäuren synthetisiert.
Fad3 fad7 fad8 Desaturase-Mutasen enthalten keine ungesättigten C16 und C18-Fettsäuren, wodurch sie nicht mehr in der Lage sind, Jasmonsäure zu bilden.
Wird die Mutante nur mit Wasser behandelt kann sie sich gegen die Fliegenlarven nicht verteidigen, wodurch die Blätter und die Wurzel der Pflanze stark beschädigt werden.
—> geringe Überlebensrate
Pflanzen die mit Jasmonat behandelt wurden produzieren toxische Sekundärmetabolite gegen die Fliegenlarven, da Jasmonat die Bildung dieser auslöst. Dadurch lassen die Fliegenlarven von der Pflanze ab —> im Gegensatz zur mit Wasser behandelten Mutante hohe Überlebensrate
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