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
Was haben die Antworten auf Auxin, Jasmonat und Gibberellin mechanistisch gemeinsam? (6P)
Alle Rezeptoren der jeweiligen Phytohormone sind an E3-Ligase-Komplexe gebunden.
Bei Perzeption wird dann der Repressor mit Ubiquitin gekennzeichnet, anschließend im Proteasom abgebaut und die Antwort kann ausgelöst werden. (5P)
Wie wirken sich die folgenden Mutationen auf die Ethylen-Antwort aus:
Funktionsverlust aller Ethylenrezeptoren
Mutation führt zu einem Defekt in der Ethylen-bindenden Domäne eines Rezeptors
Mutation führt zu einem Defekt in der mit CTR1 interagierenden Domäne eines Rezeptors
Repressor kann nicht mehr aktiviert werden —> dauerhafte Antwort
Verlust eines Ethylen-bindenden Rezeptors verhindert ebenfalls Ethylen-Antwort —> da der Hemmende Prozess weiterhin abläuft und nicht von den restl. Ethylenrezeptoren kompensiert werden kann
Repressor kann nicht mehr aktiviert werden —> dauerhaft in einem Rezeptor
Wofür stehen die Zahlen? (12P)
Befruchtung
Dormanz / Samenruhe
Kugelstadium
Herzstadium
Tropedostadium
Zellstreckung
Dehydratisierung
Cytokinese (CK)
Auxin (AUX)
Brassinosteroide (BR)
Gibberellin (GA)
Abscissinsäure (ABA)
Erklären Sie die Defekte in der Blütenentwicklung mit dem ABC-Modell! (8P)
Aktivität von … (homötische Gene)
A: resultiert in Kelchblätter (grau)
A & B: spezifizieren Kronblätter (gelb)
B & C: spezifizieren Staubblätter (rot)
C: spezifiziert Fruchtblätter (blau)
A & C: sind antagonistisch
Wildtyp: kein Defekt
Mutante 1: C defekt, A & B aktiv —> keine Staub- & Fruchtblätter, nur Kelch- & Kronblätter
Mutante 2: A defekt, B & C aktiv —> keine Kelch- & Kronblätter, nur Staub- & Fruchtblätter
Mutante 3: B defekt, A & C aktiv —> keine Kron- & Staubblätter, nur Kelch- & Fruchtblätter
Mutante 4: A & B defekt, C aktiv —> keine Kron-, Staub- & Kelchblätter, nur Fruchtblätter
Welche Reaktionen werden von der Superoxiddismutase und der Katalase katalysiert (Summengleichungen)? Beschreiben Sie zwei physiologische Situationen, in denen die Aktivitäten dieser Enzyme besonders wichtig sind. (10P)
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Welche Reaktionen werden von der Superoxiddismutase und der Katalase katalysiert (Summengleichungen)? Beschreiben Sie eine physiologische Situation, in der die Aktivitäten dieser Enzyme besonders wichtig sind. (8P)
Schutz vor reaktiven Sauerstoffspezies
Schutz des Photosyntheseapparates
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
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 Phloemzum Sprossapikalmeristem transportiert wird. Dort aktiviert es zusammen mit FD Gene der Meristemidentitätsebene.
Welche Phytohormone stimulieren den Zellzyklus, welche hemmen ihn? Wie heißen die wichtigsten Kontrollproteine des Zellzyklus? (8P)
Zellzyklus-stimulierende Phytohormone:
Gibberellin
Cytokinin
Auxin
Zellzyklus-hemmende Phytohormone:
Abscisinsäure (ABA)
Ethylen
Jasmonat
Wichtigsten Kontrollproteine des Zellzyklus:
Cycline
Cyclin-abhängige Kinasen
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 das ABA-Signal moduliert? (12P)
Wie wird Abscisinsäure (ABA) perzipiert? Wie erfolgt die Signaltransduktion? Wie wird der Schluss der Stomata ausgelöst? (12P)
Rezeptor PYR1, Phosphatase PP2C, SnRK-Kinase
Schließen der Stomata:
ABA bewirkt Ca(2+)-Anstieg —> hemmt Protonenpumpe; außerdem werden Cl(-)-Kanäle (SLAC1) durch Phosphorylierung aktiviert, einwärts gerichtete K(+)-Kanäle (KAT1) inaktiviert —> resultierende Depolarisation der Plasmamembran öffnet auswärts gerichtete K(+)-Kanäle —> Kalium strömt aus & zieht osmotisch einen Wasserstrom mit sich —> durch Wasserausstrom sinkt Turgor & Schließzellen schließen sich
Aktivität der Proteine / Signaltransduktion:
Wenn kein ABA gebunden —> PP2C inaktiviert SnRK2
Wenn ABA (an PYR) gebunden —> inaktiviert PP2C, sodass SnRK2 aktiv wird
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)
Nennen Sie vier Moleküle, die Elektronen von Ferredoxin übernehmen können. Stellen Sie die Reaktionen jeweils in einen physiologischen Zusammenhang. (10P)
Was ist der Unterschied zwischen „sommerannuellen“ und „winterannuellen“ Ökotypen von Arabidopsis thaliana? Wie lässt sich die Evolution von sommerannuellen Ökotypen molekular erklären? (8P)
Was ist der Unterschied zwischen „sommerannuellen“ und „winterannuellen“ Ökotypen von Arabidopsis thaliana? Mutationen in welchen Genen können die Evolution von Sommerannuellen erklären? Was ist die Funktion dieser Gene? (10P)
Sommerannuelle Ökotypen benötigen keine Vernalisation zum Blühen, Winterannuelle schon, damit das FLC-Gen epigenetisch abgeschaltet werden kann, bevor sie blühen können
Evolution von Sommerannuellen:
Evolution aufgrund mutierten FLC-Gens oder FRI-Gen (FRI Aktivator von FLC) —> dadurch dauerhaft inaktiv —> Blühinduktion wird nicht mehr reprimiert (= unterdrückt) —> Blühinduktion
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 & systematisch die Herbivor-Abwehr
—> dieser Effekt zeigt sich im Unterschied der Überlebensraten der Mutante zw. Wasser- & Jasmonat-Behandlung
Die erhöhte Sensivität der Mutante im Vergleich zum Wildtyp beruht auf einer gestörten Jasmonat-Synthese der Mutante
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 —> nicht mehr in der Lage Jasmonsäure zu bilden
Bei Behandlung der Mutante nur mit Wasser —> kann sich nicht gegen Fliegenlarven verteidigen —> Blätter & Wurzel der Pflanze werden stark beschädigt ==> geringe Überlebensrate
Mit Jasmonat behandelte Pflanzen —> produzieren toxische Sekundärmetabolite gegen Fliegenlarven, ausgelöst durch Jasmonat —> Fliegenlarven lassen von Pflanze ab ==> hohe Überlebensrate
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: (kann von Zelle alleine ausgeführt werden)
Öffnung der Stomata (Photorezeptor: Phototropin)
Chloroplastenbewegung (Photorezeptor: Phototropin)
Nicht-zellautonome Prozesse: (benötigt Zell-Zell-Kommunikation)
Koleoptilenkrümmung (erfordert Auxin); Photorezeptor: Phototropin
Blühinduktion (erfordert Gibberellin); Photorezeptor: Phytochrom und Chrypochrom
Phototropismus (Phototropine)
Shade avoidance (Phytochrom)
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
Auslösung transkriptioneller Antworten:
In Abwesenheit von Gibberellin inhibiert DELLA die GA-Antwort
DELLA-Repressoren werden durch Übertragung eines N-Acetylglucosamin-Rest aktiviert —> binden an DNA & unterdrücken Transkription
GA bindet an löslichen Rezeptor (GID1) —> Interaktion mit DELLA kann erfolgen —> ein SCF-Ubiquitin-E3-Ligase-Komplex wird rekrutiert (GID1 und GID2 beteiligt), der DELLA für den Abbau markiert —> nach Abbau kann GA-MYB gebildet werden —> dadurch wird Transkription der Gene für die GA-Antwort vermittelt
Welcher Prozess ist dargestellt? Was passiert hier („?“)? Welche Funktion haben die mit „III“ und „IV“ bezeichneten Strukturen? (8P)
Prozess: Auxin-Signaltransduktion
?: Auxin bindet an den Rezeptor TIR1 —> leitet Polyubiquitinierung der AXR-Proteine (Repressorproteine) ein —> durch Abbau der Repressoren wird Aktivität der ARF-Proteine erlaubt —> Transkription kann erfolgen
III & IV: Dimersierungsdomäne aus AXR und ARF.
AXR = Repressor (hält ARF in inaktiven Zustand)
ARF = Transkriptionsaktivator
Solange sie zusammen sind, kann keine Transkription erfolgen.
Diese Blätter wurden Starklicht ausgesetzt. Erklären Sie die Beobachtungen! (10P)
bei Katalase-Antisense Pflanze liegt ein Defekt vor, der bewirkt, dass diese nur reduzierte Katalase-Aktivität hat —> kann reaktive Sauerstoffspezies (H2O2) nicht neutralisieren & bleicht aus
bei hohen Konzentrationen an CO2 liegen durch die Photosynthese genügend Reduktionsäquivalente wie z.B. NADP+ vor —> es kommt nicht zu Mehler-Reaktion, bei welcher Sauerstoff durch Ferredoxin reduziert wird & zur Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies führen kann
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
Gärungsprodukte & verantw. Enzyme:
Lactat: Lactatdehydrogenase
Ethanol: Pyruvat-Decarboxylase & Alkoholdehydrogenase
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
Füllen Sie die Lücken in diesem Text: (10P)
Phytochrom ist ein ___lichtrezeptor. Beispiele für durch Phytochrom gesteuerte Prozesse sind _____________ und _____________. Phytochrom wird durch __________ Licht aktiviert. Diese Aktivierung kann durch _____________ Licht revertiert werden. Ein Tetrapyrrol ist das ___________ von Phytochrom. Nach Aktivierung wandert Phytochrom aus dem Cytosol in __________, wo es als ____________ aktiv ist und mit _________________ wie ______________ interagiert.
Phytochrom ist ein Rotlichtrezeptor. Beispiele für durch Phytochrom gesteuerte Prozesse sind (Samen)Keimung und Schattenvermeidung. Phytochrom wird durch (hell)rotes Licht aktiviert. Diese Aktivierung kann durch dunkelrotes Licht revertiert werden. Ein Tetrapyrrol ist das Phytochromobilin von Phytochrom. Nach Aktivierung wandert Phytochrom aus dem Cytosol in den Zellkern, wo es als lichtregulierte Proteinkinase aktiv ist und mit Transkriptionsfaktor wie PIF3 interagiert.
Erläutern Sie zwei Argumente für die Hypothese, dass das Kältegedächtnis während der Mitose an Tochterzellen weitergegeben wird! Warum darf das Kältegedächtnis meiotisch nicht stabil sein? (8P)
Vernalisierte Pflanzen blühen, auch wenn sie länger (Monate) mit Kurztag behandelt wurden und dann erst mit Langtagen
Züchtet man Ableger von vernalisierten Pflanzen, können auch diese nach Kälteeinwirkung wieder blühen
Das FLC-Gen exprimiert FLC, welches als Repressor der Blühinduktion dient. Dieses muss epigenetisch abgeschaltet werden, durch Histon-Modifikation. Dies geschieht nach längerer Kälteeinwirkung. Wäre dies meiotisch würde die Pflanze schon im Winter blühen.
Welches Charakteristikum der Stärke-Synthese in Chloroplasten kann als Beleg für die Endosymbionten-Theorie gelten? Warum? (6P)
Stärke wird aus ADP-Glucose im Chloroplasten synthetisiert und nicht wie in Eukaryoten aus UDP-Glucose. Bakterien verwenden auch ADP-Glucose —> Beleg für die Endosymbiontentheorie
Chloroplasten besitzen eigenes ringförmiges DNA-Molekül, das ihnen ermöglicht, die Produktion von Proteinen zu steuern, die für die Stärke-Synthese notwendig sind
Welchen biologischen Sinn könnte es haben, dass in einigen Pflanzen unter Salzbelastung der CAM-Stoffwechsel induziert wird? Wie heißt das hoch regulierte Schlüsselenzym? (6P)
Salz entzieht der Pflanze Wasser, sodass Wassermangel für die Pflanze entstehen kann
CAM-Stoffwechsel ist ausgelegt, um Wasserverlust zu vermeiden
PEP-Carboxylase ist hoch reguliertes Schlüsselenzym
Welche 4 Zell-Kompartimente sind an der Glucogenese beteiligt?
Warum speichern viele flugfähige Samen/Sporen/Pollen Fett statt stärke?
(6P)
4 Zell-Kompartimente der Kohlenhydrat-Synthese:
Oleosom
Glyoxisom
Mitochondrien
Die Energiedichte, d.h. die freisetzbare Energiemenge pro Masseneinheit, ist bei Fett mehr als doppelt so groß wie bei Kohlenhydraten —> dadurch ermöglicht Fett Samen die auf ihr Gewicht achten müssen, ein Maximum an Energiereserve bei minimalem Gewicht
Knöllchenbakterien fixieren Luftstickstoff.
Welches Enzym katalysiert die Fixierung von Luftstickstoff und wie lautet die Reaktionsgleichung?
In welchen zellulären Strukturen findet die Stickstoff-Fixierung statt?
Welches physiologische Problem tritt dabei auf und wie wird es in den Wurzelknöllchen gelöst? (10P)
Nitrogenase
N2 + 8 H+ + 16 ATP —> 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 P-
Symbiosomen
Bakterien besitzen Cytochrom-Oxidase mit besonders hoher Affinität für O2
—> Pflanze synthetisiert Knöllchen-spezifische Proteine, z.B. Leghämoglobin
—> Pflanze bildet eine zusätzliche O2 Permeabilitätsbarriere
Welche beiden Phytohormone sind essentiell für die in-vitro Kultur von Pflanzen? Warum kann das Tumorgewebe von Wurzelhalsgallen ohne Hormonzugabe wachsen? (6P)
Auxin und Cytokinin sind essentiell
Die durch Acetosyringon aktivierten vir-Gene synthetisieren einzelsträngige T DNA, welche onc-Gene trägt. Die onc_gene sorgen dafür, dass Opine als Nährstoffe für A. tumefaciens gebildet werden, sowie Auxin und Cytokinin, um Zellteilung zu stimulieren. Dadurch kann der Tumor ohne Hormonzugabe wachsen.
Die ga1-Mutante ist Gibberellin-defizient, weil sie ein Defekt in einem Biosynthese-Gen trägt. Warum führt das zu Zwergenwachstum? Erklären Sie, wie der Wachstumsdefekt dieser Mutante durch den Verlust der Funktion eines zweiten Genes (RGA) aufgehoben werden kann. (10P)
Gibberellin (GA) fördert die Internodienstreckung. Da die ga1-Mutante aber GA-defizient ist, d.h. sie kann kein GA bilden, ist sie nicht mehr in der Lage den DELLA Repressor abzubauen. Dadurch wird das Aktivatorprotein nie aktiv und die Transkription der GA-Gene kann nicht erfolgen. Es kommt zu einem Zwergenwachstum.
RGA ist ein negativer Regulator von GA-Antworten. Zusätzlich ist es ein Repressor von ga1. Durch den Verlust der Funktion wirken sich die beiden negativen Mutation (ga1/rga) positiv aus, eine Antwort auf GA erfolgt und Wachstum wird möglich.
Welches Gen ist zentral für den Prozess der Vernalisation? Erläutern Sie ein Argument für die Hypothese, dass das Kältegedächtnis während der Mitose an Tochterzellen weitergegeben wird! Warum darf das Kältegedächtnis meiotisch nicht stabil sein? (6 P)
Flowering locus C (FLC)
An einer Pflanze, die eine Kältebehandlung zum Blühen braucht wurde nachgewiesen, dass ohne Kälte die FLC mRNA weiterhin vorhanden ist, während bei einer Pflanze die Kälte erlebt hat die FLC mRNA nicht mehr vorhanden ist. Es muss nach Kältebehandlung also das FLC epigentisch abgeschaltet werden d.h. Abschaltung wird an Tochterzellen weitergegeben.
Bei Meiose wird Chromosomensatz haploid, wodurch das FLC Gene verloren gehen kann, d.h. das Kältegedächtnis wird gelöscht.
Belegen Sie mit zwei experimentellen Beobachtungen, dass Seneszenz ein kontrollierter Entwicklungsprozess ist und nicht einfach ein Verfall! (6P)
Ein Blatt, das Seneszenz aufweist wird mit Cytokonin behandelt—> festzustellen: das Blatt wird wieder grün —> d.h. die Seneszenz kann verzögert werden
Auf Weizenfeldern wird bei Lichtmangel an den unteren Blättern die Seneszenz dieser eingeleitet —> wird durch Schatten induziert
Die PEP-Carboxylase wird durch Malat gehemmt. Welche Regulation ermöglicht in Pflanzen mit C4- und CAM-Photosynthese die Aktivität des Enzyms zu den jeweils richtigen Zeitpunkten (welche sind das?) und trotz hoher Malat-Konzentration in den Zellen? (10P)
Regulation durch das Thioredoxin-System. In der C4-Photosynthese wird durch Lichteinstrahlung die PEP-Carboxylasekinase aktiv. Diese phosphoryliert die PEP-Carboxylase (wird dadurch weniger leicht von Malat gehemmt), wodurch diese aktiv wird. PEP-Carboxylase wird in der Nacht durch eine Phosphatase dephosphoryliert und inaktiviert. Genauso wird dir PEP-Carboxylasekinase inaktiviert durch Dunkelheit.
CAM-Photosynthese erfolgt ebenfalls über/durch die Phosphorylierung der PEP-Carboxylase. Im Gegensatz zu C4-Photosynthese unterliegt die Transkription der PEP-Carboxylasekinase einer ausgeprägten circadianen Rhythmik und erfolgt in der Nacht. Dadurch ist sie in der Nacht und nicht am Tag aktiv.
Wofür stehen die blauen Buchstaben? Wofür stehen die eingekreisten Zahlen 1 und 4? (15P?)
a. Bündelscheidezelle
b. Mesophyllzelle
c. Pyruvat
d. HCO3-
e. Calvin-Zyklus
f. Saccharose
g. L-Malat
h. Assimilationsstärke
i. ATP
j. Thylakoid
k. NADP+
PEP-Carboxylase
(Malat-Dehydrogenase)
(Decarboxylierendes Malatenzym)
Pyruvat-phosphat-Dikinase
Was haben die Perzeptionsmechanismen für Auxin, Jasmonat und Gibberellin mechanistisch gemeinsam? Nennen Sie für eines der Phytohormone die an der Signalwahrnehmung beteiligten Proteine! (9P)
Fungieren nach ähnlichen Prinzipien:
Alle werden durch die konstitutive Synthese von negativen Regulatoren inhibiert, welche durch Ubiquitin/E3-Ligase-Komplex abgebaut werden um Signaltransduktion in Gang zu setzen
Was ist Phytochrom? Beschreiben Sie mit einer schematischen Skizze den Aufbau von Phytochrom! Welche Funktionen haben die verschiedenen Domänen des Proteins? (8P)
Phytochrom = Rotlichtrezeptor von Pflanzen; nimmt die Dunkel-/Rotverhältnisse vom Licht war; weist NLS-Domäne und Kinase-Domäne auf
NLS-Domäne —> Kernimportierung
Kinase-Domäne —> Signaltransduktion —> Überträgt Phosphatgruppen
Sensor-Domäne —> Signalperzeption
Warum ist eine die Affinität für Ethylen vermindernde Mutation im Ethylen-Rezeptor ETR1 dominant und nicht rezessiv? (6P)
Die Affinität für Ethylen vermindernde Mutation im Ethylen-Rezeptor ETR1 ist dominant, da bereits eine einzelne mutierte Kopie des Gens ausreicht, um die normale Rezeptorfunktion stark zu beeinträchtigen. Da der Rezeptor als Homodimer vorliegt, führt eine Mutation in einem Allel direkt zu einer verminderten Ethylen-Wahrnehmung, was phänotypische Veränderungen verursacht.
Für welche Stoffwechselwege, Metaboliten, Enzyme oder Organellen stehen die Zahlen? (12P)
Lipasen
Glyoxysom
Acetly-CoA
Glyoxylat-Zyklus
Mitochondrium
Citratzyklus
Phosphoenolpyruvat
Gluconeogenese
Glycerin
Welches hypothetische Geschehen ist hier dargestellt? Welche Moleküle verbergen sich hinter den grünen Buchstaben? Erläutern Sie, durch welchen regulatorischen Mechanismus der gezeigte Ablauf verhindert wird. (12P)
futile cycle = gleichzeitige Aktivität von Calvin-Zyklus & oxidativen Pentosephosphatweg
A: Ribulose-1,5-bisphosphat
B: 2x 3-Phosphoglycerat
C: 2x Triosephosphat
D: Glucose-6-Phosphat
E: CO2
Calvin-Zyklus findet am Tag und oxidativer Pentosephosphatweg in der Nacht statt. Dazu wird über das Ferredoxin-Thioredoxin-System gewährleistet, dass Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase nur in der Nacht aktiv ist. Unter Tags liegt Ferredoxin in der reduzierten Form (Disulfidbrücken werden reduziert) vor. —> Dadurch wird Thioredoxin ebenfalls reduziert. —> Dadurch wird ebenfalls das Zielprotein reduziert und hemmt die Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase. Das Enzym kann nur durch oxidiertes Ferredoxin aktiviert werden.
Was ist das Ausgangssubstrat der Fettsäuresynthese und wie entsteht es in Pflanzen? (6P)
Ausgangssubstrat: Aceytyl-CoA
[in Plastiden]
1) aus Acetyl-CoA-Synthetase aus importiertem Acetat
2) durch oxidative Decarboxylierung von Pyruvat in plastidischer Glykolyse mit Pyruvat-Dehydrogenase
Wofür steht das Fragezeichen? Wofür steht PC-Kinase? Wie ist die PC-Kinase in CAM- und C4-Pflanzen reguliert? Warum? (10P)
? —> Malat
PC-Kinase —> Phosphoenolpyruvat-Carboxylase-Kinase
CAM-Pflanzen:
Regulation der PEP-Carboxylase über Phosphorylierung durch die PC-Kinase
Transkription des PC-Kinase-Gens in CAM-Pflanzen unterliegt einer ausgeprägten circadianen Rhythmik —> Expression der PC-Kinase nachts am stärksten (weil Endfixierung nachts stattfindet)
PEP-Carboxylase also in schwach aktiven “Tag-Form” & aktiven “Nacht-Form” vorliegend
C4-Pflanzen:
tagsüber, wenn Photosynthese aktiv, wird Aktivität der PC-Kinase erhöht, um Fixierung von CO2 zu fördern
Anstieg von PEP kann Aktivität der Kinase hemmen, während ein Mangel die Aktivität fördern kann
Unterscheiden Sie Tropismen von Nastien! Nennen Sie jeweils drei Beispiele! (10P)
Tropismen: Krümmungsbwegung durch Reiz ausgelöst, Richtung durch Reiz bestimmt
—> Phototropismus, Gravitropismus, Thigmotropismus
Nastien: durch Reiz ausgelöste, vom Bauplan vorgegebene Bewegung
—> Epinastie, Thigmonastie, Hyponastie
Welche funktionelle Bedeutung für den Lipidstoffwechsel haben die Kontaktstellen zwischen Chloroplasten und Endoplasmatischem Retikulum? (6P)
direkter Transfer von Lipiden zw dChloroplasten & ER
—> erleichtert Austausch von Lipidmolekülen
—> ermöglicht auch effiziente Zusammenarbeit bei Lipidsynthese
Bildung & Transport von Lipiden zu Plastoglobuli
Speicherung von Lipiden
Anpassung des Lipidstoffwechsels während Stressreaktionen
Erklären Sie folgende Beobachtung zum Einfluss der Inkubationslösung auf das Streckungswachstum von Hafer-Koleoptilen: KCl < Auxin < Auxin + KCl (12P)
Drei Inkubationslösungen:
Lösung enthält nur KCL → Nur Osmotikum → Keine Ansäuerung des Apoplasten, nur loneneinstrom
Lösung enthält nur Auxin → Nur Botenstoff → Sehr geringes Wachstum
Lösung enthält KCL und Auxin Osmotikum und Botenstoff
—> Ansäuerung und Wachstum am besten, da Auxin Zellstreckung herbeiführt und Osmotikum lonenenstrom + Wassereinstrom
Warum können Mutationen in einem Repressor der Gibberellin-Antwort sowohl zu Zwergwüchsigkeit als auch zu besonders starkem Längenwachstum führen? (8P)
Zwei mögliche Szenarien:
Repressor kann SCF-Komplex nicht rekrutieren —> kann dadurch nicht markiert werden —> kein Abbau des Repressors —> kein Wachstum in Anwesenheit von GA —> Zwergwüchsigkeit
Repressor kann GA-Rezeptor nicht mehr binden —> Aktivator ist ständig aktiv —> Längenwachstum
Wie lässt sich erklären, dass eine Pflanze im Schatten einer Mauer anders wächst als im Schatten eines Baumes? Welchen Unterschied im Wuchsverhalten gibt es? (10P)
Schattenvermeidungsreaktion aufgrund anderer Hellrot/Dunkelrot-Verhältnisse —> Pflanze wendet sich durch stärkere Elongation, reduzierte Blattentwicklung und verstärkte apikale Dominanz dem Licht zu
Welche biologische Funktion hat das lange hypothetische „Florigen“? Was wissen wir heute über die molekulare Natur und Wirkungsweise von „Florigen“? (12P)
Florigen: Ein systematisches Signal, das Blühen auslöst
Heutiges Wissen: Wird im Blatt, bei Vorliegen der richtigen Umweltbedingungen, produziert und über das Phloem zum Sprossapikalmeristem transportiert —> Dort löst es durch Interaktion mit dem Transkriptionsfaktor FD die Aktivierung von Genen der Meristemidentitätsebene aus —> Blühinduktion
Durch welches Experiment können Sie überprüfen, ob ein bestimmter Prozess eine circadiane Rhythmik zeigt? (T)
Experiment: Blattbewegung
Prozess aussuchen, der circadiane Schwingungen zeigt —> (1) Beobachtung unter Licht-Dunkel-Wechsel —> (2) Beobachtung unter konstanten Bedingungen —> Zeigt der Prozess auch unter konstanten Bedingungen circadiane Schwingungen, unterliegt er höchstwahrscheinlich einer circadianen Rhythmik
Definieren Sie Stratifikation und Vernalisation! (T)
Stratifikation: Samenauskeimung aufgrund von Kälte, z.B. bei einheimischen Apfelsorten
Vernalisation: Kompetenz für das Sprossapikalmeristem zu blühen → Durch Genlocus FLC, welcher epigenetisch abgeschalten wird
Was sind MAMPs? Welche Eigenschaften zeichnen sie grundsätzlich aus? (6P)
MAMPs: Microbe-Associated Molecular Patterns
Sind im Mikroorganismus strukturell hoch konserviert —> evolutionär gesehen, hat die Pflanze schon lange mit der jeweiligen Art von Mikroorganismus zu tun
Übernehmen wichtige Funktionen —> ein Angriff des Wirtes auf diese Moleküle ist sehr effektiv
Kommen im Wirt normalerweise nicht vor —> dadurch kann der Wirt leicht erkennen, wenn er angegriffen wird
Füllen Sie die Lücken in diesem Text:
Selbstbefruchtung reduziert die genetische Diversität, weil Neukombination von ____________ verhindert wird. Deshalb tritt bei Selbstbefruchtern ____________ auf, Fremdbefruchter sind in der Regel heterozygot. ____________ meint die Verhinderung der __________ durch Pollen von derselben Pflanze. Verantwortlich ist ein Locus, der ___ Gene enthält mit jeweils zahlreichen ____________. Unterschieden werden zwei Formen: ____________ und ____________.
Selbstbefruchtung reduziert die genetische Diversität, weil Neukombination von Allelen verhindert wird. Deshalb tritt bei Selbstbefruchtern Homozygotie auf, Fremdbefruchter sind in der Regel heterozygot. Selbstinkompartibilität meint die Verhinderung der Befruchtung durch Pollen von derselben Pflanze. Verantwortlich ist ein Locus, der 2 Gene enthält mit jeweils zahlreichen Allelen. Unterschieden werden zwei Formen: sporophytisch und gametophytisch.
Warum können wir davon ausgehen, dass die Nutzung von Steroidhormonen in Pflanzen und Tieren unabhängig evolvierte? (8P)
Tiere haben Membranrezeptor für Steroidhormone, hier sind diese nicht membrangängig
Pflanzen haben keine Membranrezeptoren, wodurch das Hormon direkt in die Zelle gelangen kann
Nennen Sie drei entwicklungssteuernde Phytohormone und jeweils eine typische Wirkung auf die Entwicklung! (9P)
Auxin —> Ausbildung einer Apikaldominaz und verantwortlich für Phototropismus
Cytokinin —> Förderung der Zellteilung und Förderung von Seitenknospen
Gibberellin —> Förderung der Internodienstreckung und der Samenkeimung
Welchen biologischen Sinn könnte es haben, dass in einigen Pflanzen unter Salzbelastung der CAM-Stoffwechsel induziert wird? Wie heißt das hoch regulierte Schlüsselenzym? (7P)
Biologischer Sinn: Salzbelastung verursacht „Trockenstress" um den damit verbundenen Wasserverlust durch Transpiration zu minimieren, schalten Pflanzen auf CAM-Stoffwechsel
Schlüsselenzym: PEP-Carboxylase-Kinase
Warum ist die PEP-Carboxylase auch für den Stoffwechsel von C3-Pflanzen von Bedeutung? Erläutern Sie dies unter Bezug auf anaplerotische Reaktionen! (10P)
C3-Pflanzen können bei Salzbelastung auf CAM-Stoffwechsel umschalten
Begründung: Salzbelastung verursacht „Trockenstress" um den damit verbundenen Wasserverlust durch Transpiration zu minimieren, schalten Pflanzen auf CAM-Stoffwechsel
Anaplerotische Reaktionen: Sind dem Citratzyklus zuliefernde Stoffwechse wege
Nennen Sie mit jeweils einem konkreten Beispiel zwei Arten von Pathogenitätsfaktoren phytopathogener Bakterien! (8P)
Suppressoren der allgemeinen pflanzlichen Abwehr
—> z.B. Avr-Protein
Toxine und Regulatoren
—> z.B. Phytohormone
Enzyme
—> z.B. Cutinasen, Cellulasen
Warum stellt Überflutung einen Stress für Pflanzen dar? Beschreiben Sie zwei Mechanismen, die Pflanzen das Überleben von Überflutungssituationen ermöglichen! (9P)
Anoxie (vollst. Fehlen von Sauerstoff) & Hypoxie (Mangel an Sauerstoff), da Wasser O2 im Boden verdrängt —> Wurzeln können nicht mehr atmen & “ertrinken” —> negative Auswirkungen auf Wachstum & Entwicklung der Pflanze
Überlebens-Mechanismen:
Aerenchyme: Luftgefülltes Gewebe in Wurzeln ermöglicht Transport von O2 aus Atmosphäre in Wurzeln, um Wurzelatmung aufrechtzuerhalten
Luftwurzeln: ragen aus dem Boden & nehmen Sauerstoff aus Luft auf, um direkt in Wurzeln zu gelangen
Rechts im Bild sehen Sie Weizensorten der Grünen Revolution. Was sind die Vorteile der Zwergwüchsigkeit und welche genetischen Veränderungen erklären diese Wuchsform? (8P)
[Bild unbrauchbar!]
Vorteile der Zwergenwüchsigkeit:
Ertragsteigerung: mehr Energie in Produktion von Körnern investieren, anstatt in Höhenwachstum
Stabilität: kürzere Stängel widerstandsfähiger gegenüber Wind & Regen
Düngereinsparung: ermöglicht effizientere Nutzung von Nährstoffen & Düngemitteln
genetischen Veränderungen:
Welches Molekül wirkt als Florigen? Unter welchen Bedingungen wird dieses Molekül gebildet? Wie wirkt dieses Molekül? (10P)
Molekül: FT
Bedingungen: Photoperiode (Dauer des Tageslichts), Umgebungstemperatur & interne Signale
Wird im Blatt, bei Vorliegen der richtigen Umweltbedingungen, produziert und über das Phloem zum Sprossapikalmeristem transportiert —> Dort löst es durch Interaktion mit dem Transkriptionsfaktor FD die Aktivierung von Genen der Meristemidentitätsebene aus —> Blühinduktion
Welche Störung liegt in der Mutante vor? Erklären (nicht: beschreiben) Sie die Beobachtungen! (8P)
Desaturase-Mutasen enthalten keine ungesättigten C16 und C18-Fettsäuren —> nicht mehr in der Lage Jasmonsäure zu bilden —> kann sich nicht gegen Larven verteidigen —> Blätter & Wurzel der Pflanze werden stark beschädigt ==> geringe Überlebensrate
Welches Phytohormon löst das Schließen der Stomata aus? Wie wird dieses Phytohormon perzipiert? Wie werden die Aktivitäten von Kaliumkanälen in den Schließzellen in Antwort auf das Phytohormon moduliert? (12P)
Phytohormon: Abscisinsäure (ABA)
Perzipiert durch: Rezeptor PYR1, Phosphatase PP2C, SnRK-Kinase
ABA bewitkt Ca(2+)-Anstieg —> hemmt Protonenpumpe; außerdem werden Cl(-)-Kanäle (SLAC1) durch Phosphorylierung aktiviert, einwärts gerichtete K(+)-Kanäle (KAT1) inaktiviert —> resultierende Depolarisation der Plasmamembran öffnet auswärts gerichtete K(+)-Kanäle —> Kalium strömt aus & zieht osmotisch einen Wasserstrom mit sich —> durch Wasserausstrom sinkt Turgor & Schließzellen schließen sich
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