Pflanzenphysiologie - Allgemeines

• Alle Lebewesen sind aus den gleichen Molekülen aufgebaut. → Biomoleküle

• Die stoffliche Zusammensetzung ist in allen Lebewesen nahezu gleich.

• Bei Pflanzen Wassergehalt über 90%

1. Proteine (Eiweiße) → Grundbausteine: Aminosäuren

2. Polysaccharide (Kohlenhydrate) → Grundbausteine: Monosaccharide (Einfachzucker)

   → Glucose, Fructose, Galactose (Hextosen: 6 Bausteine)

   → Ribose, Ribulose, Xylulose (Pentosen: 5 Bausteine)

3. Lipide:

   • große heterogene Stoffklasse

   • Gemeinsamkeit aller Verbindungen: lipophiler Charakter (unlöslich in Wasser)

     → Fette (ätherische (sichtbar auf Wasser)), Wachse, Bestandteile von Zellmembranen, sekundäre Pflanzenstoffe (Isoprenoide)

4. Nucleinsäure:

   • DNA → Träger der Erbinformation

   • RNA → Umsetzung der genetischen Information

   • Grundbaustein: Nucleotid → Energiespeicher

     → Bestandteil von Coenzymen

     → Signalmolekül

*poly=mehrfach, mono=einfach (eins)

→ 2 Zelltypen

• kleinste lebende Einheit aller Organismen

• strukturell abgegrenztes, eigenständiges und selbsterhaltendes System

• erfüllt Merkmale des Lebens (grundlegende Fähigkeiten aller Zellen):

  • Vermehrung durch Zellteilung

  • Energie- und Stoffwechsel (Nahrungsaufnahme, Aufbau von Zellstrukturen oder Energieumsatz)

  • Reaktion auf Reize (zbsp auf Temperatur oder Nahrungsangebot)

  • Bewegung

  • Strukturiertheit (morphologisch und dynamisch)

  • Wachstum und Entwicklung

  • Tod (Nekrose)

→ enthält das Erbgut ((DNA)genetisches Material) in Form der Chromosomen

-> 5-16 µm

→ Kernhülle/Membran - Abgrenzung zum Cytoplasma

→ Kernporen - kontrollierter Transport von RNA und Protein

→ Nucleolus - Synthese der ribosomalen RNA

→ Kernlamina (Intermediärfilamente) - Kernskelett (stützt den Zellkern)

→ Karyoplasma - Innere des Kerns

→ äußere Abgrenzung der Zelle

→ Lipiddoppelschicht (aus Phospholipiden) mit integrierten Proteinen

• polare, hydrophile Kopfgruppe

• unpolarer, hydrophober, lipophiler Schwanz

→ gibt der Zelle Größe und Form vor

→ sorgt für Stabilität und Festigkeit

→ bietet Schutz vor mechanischer Beanspruchung

→ verhindert Anschwellen der Zellen beim Eindringen von Wasser

→ Cellulose (Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände) - Glucosepolymer

→ Hemicellulose - besteht aus verschiedenen neutralen Polysacchariden

→ Pektin - Gemisch aus gut löslichen, sauren Polysacchariden, die vernetzt über Ca2+ und Mg2+ werden

→ gebildet nach Wachstumsende der Zelle

→ Cellulose, Hemicellulose, Lignin

→ dient der Festigkeit und dem Abdichten

→ Verholzung führt zum Absterben der Zellen

• Cellulose->Hexosen

• Hemicellulose->Pentosen

• → verbindet die Cytoplasmen von 2 Zellen miteinander

• → dient dem Stoffaustausch (Ionen, Hormone, Metabolite)

• → durchzogen von Desmotubuli (Zisternen des ER)

• -> freier Durchtritt für:

  • Ionen

  • Hormone

  • Stoffwechselmetabolite

• Durchmesser 30-50nm

→ Membran umschlossener Raum = Tonoplast

→ das Innere = Zellsaft

→ Unterscheidung in Speicher- und Abbau-Vakuole

• Funktion:

  • Auf- oder Abgabe von Wasser

  • Erzeugung eines prallen Zustandes der Zelle

    → durch Turgor (Druck des Zellsaftes auf die Zellwand)

  • Speicherung von Proteinen, organischen Verbindungen (Zuckern) und Ionen

  • Einlagerung von Farbstoffen (zbsp Blütenfarbstoffe)

  • Lagerung von Gift und Bitterstoffen

  • Abbau von Makromolekülen

• Zellorganell (wie Peroxisom, Chloroplasten)

• Funktion:

  • Citratcyclus

  • Atmungskette

  • oxidative Phosphorylierung (Synthese von ATP)

  • Kalzium-Speicher

  • Apoptose (programmierter Zelltod (nach Erfüllung ihrer Funktionen))

  • Synthese von Eisen-Schwefel-Clustern

• Besonderheit:

  • haben ein eigenes Genom

→ Gruppe von Zellorganellen mit eigenem Genom

→ Photosynthese

• Protoplast → plasmatischer Inhalt einer Zelle, die von einer Zellmembran umgeben ist

• Apoplast → Gesamtheit der Zellwände und des extrazellulären Raumes

• Wassermoleküle:

  • Dipol

  • bilden Wasserstoffbrücken

  • bilden Hydrathülle um geladene Ionen

• universelles Lösungsmittel

• Substrat im Stoffwechsel (Elektronen- und Protonenspender)

• Wachstumswasser

• Kühlung bei Landpflanzen

→ Wasser wird nicht aktiv transportiert

→ bewegt sich passiv entlang eines chemischen Potenzialgradienten

• → Wasseraufnahme in die Zelle

• → Diffusion von Wassermolekülen über Biomembranen

• → freie Diffusion → „Lücken in fluider Lipidschickt“

• → Aquaporine → spezifisches Kanalprotein

→ Ausgleich eines Konzentrationsunterschieds aufgrund der brownschen Molekularbewegung

• → Konzentrationsausgleich basierend auf einem gerichteten Fluss durch eine semipermeable Membran

  • → selektive Trennschicht

  • → permeabel nur für das Lösungsmittel

• hypotone Lösung → Lösung mit geringer Konzentration an gelösten Teilchen

• hypertone Lösung → Lösung mit hoher Konzentration an gelösten Teilchen

• isotone Lösung → kein Konzentrationsunterschied zur Umgebung

→ Je höher die Anzahl der wasser-anziehenden Teilchen (osmotisch-wirksamen) in einer Lösung ist, desto negativer ist das osmotische Potential und desto größer ist der osmotische Druck.

→ hydrostatischer Druck der Wassersäule entspricht dem osmotischen Druck der Lösung

→ Wasseraufnahme in die Vakuole

→ Zellmembran und Tonoplast = semipermeable Membranen

→ bei Wasseraufnahme steigt Turgor (= Turgordruck) → Druck des Zellsaftes auf die Zellwand

• Turgeszenz

  • → Turgor hat größtmöglichen Wert

  • → Wasserpotential der Zelle = 0

  • → Zelle kann kein Wasser mehr aufnehmen

• → Plasmolyse

  • → Zelle in hypertoner Lösung

  • → Zelle wird Wasser entzogen und schrumpft

  • → Zellmembran löst sich von der Zellwand

• → Deplasmolyse

  • → Zelle in hypotoner Lösung

  • → Zelle nimmt Wasser auf und dehnt sich

  • → Zellmembran legt sich wieder an Zellwand an

→ Diffusionsvorgang

→ quellfähige Substanz → Bildung einer Hydrathülle

→ Samen

→ Wasseraufnahme aus dem Boden

→ Wassertransport von Zelle zu Zelle (Lateraltransport)

• Boden → heterogenes System

  • → feste Phase → anorganisches und organisches Material

    → Hohlräume

  • → flüssige Phase → Bodenwasser

  • → gasförmige Phase

• → Sickerwasser = Senkwasser

  • → senkrecht in den Boden

  • → direkt ins Grundwasser

• → Haftwasser

  • → Adsorptionswasser

    • → fest an geladenen Oberflächen gebunden

    • → für Pflanzen nicht verfügbar

  • → Kapillarwasser

    • → in Hohlräumen (Poren - ∅ 0,2 µm) des Bodens

    • → durch Adhäsions- und Kohäsionskräfte gebunden

    • → für Pflanzen verfügbar

• Feldkapazität

  • → Maß für die Fähigkeit eines Bodens Wasser zu speichern

  • → Wassermenge, die ein wassergesättigter Boden 2-3 Tage gegen die Schwerkraft halten kann

  • → Porengrößenverteilung

    • → kapillaren Wasseraufstieg

    • → spezifische Oberflächen

      • → Adsorption von Wasser

• → Möglichkeiten zur Erhöhung der Wasseraufnahme

  1. Vergrößerung der Wurzeloberfläche

     • → langfristig

  2. Erhöhung der Wasserleitfähigkeit

     • → kurzfristig – bis zu 30%

     • → Verringerung der Diffusionswiderstände

     • → Einbau von Aquaporinen

• → Wassertransport von der Wurzel in die Blätter

• → Massenströmung

  • → Eigenschaft von Wasser

    • → Kohäsion

    • → Adhäsion

  • → treibende Kraft

    • → Wasserpotential (Saugkraft)

• → je niedriger der Druck, desto höher die Saugkraft

  • → Boden → feucht: 0 bis -0,4 MPa → trocken: -1,5 bis -2,5 MPa

  • → Wurzel → -0,5 bis -2,0 MPa

  • → Blätter → -0,5 bis -2,5 MPa

  • → Luft → feucht: -10 MPa (rF > 90%) → trocken -100 MPa (rF < 50%)

→ Transpiration

→ Guttation

• → Wasserabgabe in flüssiger Form über Hydrathoden

• → wenn kein Wasserpotentialgefälle zwischen Blatt und Luft

  • → bei Nebel oder in der Nacht

• → damit Wassertransport erhalten bleibt

• → Mechanismus:

  • aktiver Ausscheidungsprozess

  • passiv: Wurzeldruck verursacht, dass Wasser aus Hydrathoden gepresst wird

• → Wasserabgabe an die nicht wasserdampf-gesättigte Atmosphäre

• → Verdunstung von Wasser über die Blätter der Pflanzen

  • → Übergang von flüssiger in gasförmige Phase

• → regulierbar über die Spaltöffnungen

• → Kutikula = Verdunstungsschutz (hoher Transpirationswiderstand)

• → gesteuert durch Licht, Wasserversorgung und CO2-Konzentration

• → physiologische Abläufe, die zum Öffnen der Spaltöffnungen führen

  • → ausgelöst durch Licht

  • → Aktivierung der lichtgesteuerten Protonen-ATPase

    • → pumpt H+ unter ATP-Verbrauch von innen nach außen

  • → Hyperpolarisation der Membran (von -55 mV auf -100 mV)

  • → Öffnung der K+ -Kanäle

    • → Einstrom von K+ -Ionen von außen nach innen

  • → gleichzeitig erhöhter Chlorid-Einstrom zum Ladungsausgleich

  • → Erhöhung der intrazellulären Ionenkonzentration

  • → zieht Wasser in die Vakuole

  • → Anschwellen der Vakuole

    • → Erhöhung des Turgors

  • → Schließzelle verformt sich

  • → Öffnung des Spaltes

• Pflanzen → autotrophe Lebewesen

  • → bauen aus anorganischen Substanzen organische Substanzen auf

  • → essentielle Nährstoffe = chemische Elemente

• → Makronährelemente (> 200 µg/g) 9 Elemente: C, O, H, N, S, P, Ca, K, Mg

• → Mikronährelemente (< 2 µg/g) 8 Elemente: Fe, Cl, B, Mn, Zn, Cu, Mo, Ni

• → Pflanzen bestehen zu 99% aus 4 Elementen: C, O, H, N

• → Nährstoffe werden als anorganische Ionen über die Wurzel aus der flüssigen Bodenphase (Bodenlösung) aufgenommen.

• → Nährstoffe → 2% oder weniger der Ionen pflanzenverfügbar

  • → davon weniger als 10% in der Bodenlösung und damit direkt verfügbar

  • → ca. 90% an negativ-geladene Oberflächen der Bodenkolloide reversibel adsorbiert

• → Fließgleichgewicht zwischen gebundenen und gelösten Ionen

• → Bodenkolloide fungieren als Ionenspeicher und Ionenpuffer

• → Mobilisierung der Ionen

• → durch Ionenaustausch - Ionen werden pflanzenverfügbar

• → Anionenaustausch:

  • → CO2-Freisetzung aus der Wurzelatmung CO2 + H2O → H2CO3 → H+ + HCO3 -

  • → HCO3 - bereit für Austausch

• → Kationenaustausch: → H + -Sezernierung

  • → Ausscheiden organischer Säuren

  • → H+ -ATPase

→ passiver Einstrom der Ionen mit Wasser → freie Diffusion

• → Überwinden der Diffusionsbarriere = Plasmamembran

• → Durchtritt durch die Zellmembran 17

• → Transportmechanismen

  • → 1. Erleichterte Diffusion

  • → Voraussetzung: Konzentrationsgradient über der Membran

• 
  

  • → 2. Aktiver Transport

• → primär-aktiver Transport

  • → Ionenpumpe = ATPase

  • → aktiver Transport mittels ATP-Verbrauch

  • → Transport gegen Konzentrationsgradient

  • → z.B. H+ -ATPase

• → sekundär-aktiver Transport

  • → Voraussetzung: pH-Gradient über der Membran

  • → H+ -Transport ermöglicht Transport eines 2. Ions

    • → Symport – Transport in gleiche Richtung

    • → Antiport – Transport in entgegengesetzte Richtung

• → mit Hilfe aller möglichen Transportmechanismen

• → Ionen gelangen über das Xylem mittels Transpirationsstrom in die höheren Pflanzenteile

• → bei Landpflanzen

  • → Erleichterung der Nährstoffaufnahme durch Symbiose mit einem Pilz (ca. 80% der Landpflanzen)

  • → Mykorrhiza

• Vorteile für die Landpflanze:

  • Vergrößerung der resorbierenden Wurzeloberfläche

  • zusätzliche Versorgung mit organischen Nährstoffen durch Pilzausscheidung

  • Erhöhung der Widerstrandkraft der Pflanze durch Pilzabwehrstoffe

• Vorteil für Pilz:

  • bezieht Assimilate (organische Nährstoffe)

  • bietet geschützten Lebensraum mit gleichbleibenden Bedingungen

• → Unterversorgung → Mangelerscheinungen

• → Überversorgung → toxische Wirkung

  • → Akkumulation von potentiell schädlichen Ionenkonzentrationen

  • → Abwurf von Pflanzenteilen

• → Mangelerscheinungen

• N-autotrophe Organismen: - nehmen anorganische stickstoffhaltige Stoffe auf

• N-heterotrophe Organismen: - nehmen organische stickstoffhaltige Stoffe auf

• Mikrobielle Prozesse:

  • Ammonifikation:

    • Abbau stickstoffhaltiger organischer Verbindungen

    • Bildung von Ammonium-Ionen (NH4 + )

  • Nitrifikation:

    • Mineralisierung des organischen Stickstoffs

    • Abbau von Ammonium-Ionen (NH4 + ) zu Nitrit (NO2 - ) und weiter zu Nitrat (NO3 - )

  • Denitrifikation:

    • dissimilatorische Nitratreduktion

    • Umbau von Nitrat (NO3 - ) zu Ammonium-Ionen (NH4 + ) oder zu molekularem Stickstoff (N2)

• → Schlüsselenzyme → Nitrogenase (fehlt den Pflanzen)

• → Symbiose mit Bakterien (Rhizobien – „Knöllenchenbakterien“)

  • → Verwendung von N2 aus der Luft möglich

• → Enzyme kommen teilweise von der Pflanzen und teilweise vom Bakterium

• → Schwefel-Aufnahme in Form von Sulfat (SO4 2- ) über die Wurzel aus dem Boden

  • → Transport übers Xylem

    • → ins Mesophyll der Blätter

• → Schwefel-Assimilation von Sulfat (SO4 2- )

  • → Reduktion zu Sulfit (SO3 2- )

    • → Reduktion zu Sulfid (S2- )

      • → Umsetzung zur Aminosäure Cystein

• → Schwefel-Aufnahme in Form von Schwefeldioxid (SO2) über die Blätter aus der Luft

  • → Oxidation zu Sulfat (SO4 2- )

    • → Sulfat-Akkumulation in Vakuole (K2SO4, MgSO4)

      • → Kalium- und Magnesium-Mangel

  • → frühzeitiger Abwurf von Laubblättern

  • → Schadwirkung bei Nadelbäumen

• → Abbau körpereigener Stoffe unter Energiegewinn

• → katabole Stoffwechselwege

  • → Redoxreaktionen

    • → Elektronenübergänge von einem Elektronendonator zu einem Elektronenakzeptor

• → 2 Typen von Dissimilation

  • → Zellatmung = aerobe Dissimilation

    • → Sauerstoff = Elektronenakzeptor

  • → Gärung = anaerobe Dissimilation

    • → organisches Molekül (nicht Sauerstoff) = Elektronenakzeptor

• → Energie wird gebraucht für:

  • Synthese von Makromolekülen aus einfachen Vorstufen

  • Transport von Molekülen und Ionen

  • zelluläre Bewegungen

• → universeller Energiespeicher: Adenosintriphosphat = ATP

• Prozesse der ATP-Bildung: → Glycolyse → Substratkettenphosphorylierung → Atmungskette → oxidative Phosphorylierung → Photosynthese → Photophosphorylierung

• → Abbau von Glucose (C6-Verbindung) zu 2x Pyruvat (C3-Verbindung)

• → Energiegewinn: 2x ATP

• → Gewinn von Redoxäquivalenten: 2x NADH + H+

• → Alkoholische Gärung → Ethanol

• → Milchsäure-Gärung → Lactat

• → vollständige Oxidation → Citrat-Cyclus, Atmungskette

• Struktur der Mitochondrien:

  • Äußere Membran:

    • Zusammensetzung ähnlich der Plasmamembran

    • Kanalproteine = Porine → Austausch von Molekülen bis 5 kDa

  • Intermembranraum:

    • Zusammensetzung ähnlich dem Cytosol

  • Innere Membran:

    • undurchlässig für Moleküle – nicht für O2 und CO2

    • Transporter, Membranpotential

    • Cardiolipin = Phospholipid (Prokaryonten-ähnlich)

  • Matrix:

    • Zusammensetzung ähnlich dem Bakterien-Plasma

• Funktion der Mitochondrien:

• → 4 Multienzym-Komplexe in innerer Mitochondrien-Membran

• → 2 bewegliche Überträgermoleküle (Ubichinon, Cytochrom c)

• → Funktion der Atmungskette besteht darin, molekularen Sauerstoff mit den Elektroden aus NADH und FADH2 zu reduzieren und dabei frei werdende Energie in einen Protonengradienten umzuwandeln.

• → ATP-Synthese erfolgt durch ATP-Synthase = F0F1-ATPase

• → Voraussetzung: chemischer Gradient = Protonengradient = Potenzialdifferenz

• → Umwandlung in mechanische Energie → Drehbewegung

• → Umwandlung in chemische Energie → Synthese von ATP

• → Umwandlung von Neutralfetten in Kohlenhydrate

  • → während der Keimung fettspeichernder Samen

  • → in alternden Blättern (Umwandlung der Membranlipide in Kohlenhydrate

    • → Abtransport in den Stamm (im Herbst))

• → Umwandlung von Kohlenhydrate in Neutralfette

  • → Versorgung der jungen Triebe im Frühjahr

• → Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie

• → Aufbau energiereicher organischer Verbindungen

• → autotrophe Lebewesen → Pflanzen, Algen und Bakterien

  • → oxygene Photosynthese → Sauerstoff-Produktion

  • → anoxygene Photosynthese → Produktion anderer anorganischer Stoffe (z.B. Schwefel)

• → Voraussetzung für heterotrophes Leben (Tier, Mensch)

  • → Synthese energiereicher organischer Verbindungen

  • → Sauerstoff-Produktion

• Allgemeine Gleichung: 6 H2O + 6 CO2 + Energie → C6H12O6 + 6 O2

• → elektromagnetische Strahlung

  • → auf der Erde ankommend: 340-1100 nm

• → sichtbarer Bereich für das menschliche Auge (400-700 nm) = Licht

• → Absorption von Licht

  • → Rezeptormolekül = Chlorophyll (Vorkommen: in Gefäßpflanzen und einigen Algen)

• → bei Lichtabsorption wird Elektron von Chlorophyll in angeregten Zustand versetzt

• → Chlorophyll a : Chlorophyll b im Verhältnis 3:1

• → keine Lichtabsorption durch Chlorophyll im Bereich von 500-600 nm (Grün-Lücke)

• → akzessorische Photosyntesepigmente

  • → Erweiterung des Wellenlängenspektrums bei der Absorption

    • → Pflanzen: Carotinoide

    • → Cyanobakterien und Rotalgen: Phycobiline

• → mehrere Pigmente bilden Lichtsammelkomplexe = Antennenpigmente

→ Lichtreaktion

• Photosystem II

  • → Lichtabsorption

    • → Chlorophyll im angeregten Zustand

      • → Elektronenabgabe und Übernahme der Elektronen durch Elektronenakzeptor (Plastochinon)

        • → Elektronenlücke

  • → Photolyse von H2O → H2O oxidiert

    • → Elektronen dienen zum Auffüllen der Elektronenlücke

      • → O2 und H+ freigesetzt → H+ dient dem Aufbau eines Protonengradienten

• Elektronentransportkette

  • → Plastochinon (Pq – beweglicher Carrier) übernimmt 2 Elektronen und 2 H+

    • → Übertragung der Elektronen auf Cytochrom-Komplex

      • → Abgabe der 2 H+ in den Innenraum → Aufbau eines Protonengradienten

        • → Übertragung der Elektronen an Plastocyanin (Pc)

• Photosystem I

  • → Lichtabsorption

    • → Chlorophyll im angeregten Zustand

      • → Elektronenübertragung auf Ferredoxin (Fd)

        • → Ferredoxin-NADP-Reduktase → Bildung von NADPH + H+

          • → Elektronenlücke schließen mittels Elektronen von Plastocyanin

• ATP-Synthese durch die ATP-Synthase

  • → aufgebauter Protonengradient dient der ATP-Synthese

• durchgezogene Linie → nicht-zyklischer Elektronentransport

• gestrichelte Linie → zyklischer Elektronentransport

  • → H2O-Sog über die Spaltöffnungen reguliert

• RuBisCO (Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/-Oxygenase) → Enzym der CO2-Fixierung

• PGS → 3-Phosphoglycerat

• PGA → Glycerinaldehyd-3-phosphat

• → 6x Calvin-Cyclus durchlaufen → Entstehung von 1x Glucose

• → Calvin-Cyclus entspricht CO2-Fixierung bei C3-Pflanzen

• → bei C4-Pflanzen → räumliche Trennung

  • → CO2-Fixierung in Mesophyll-Zellen

    • → CO2 → Oxalacetat → Malat

  • → Calvin-Cyclus in Bündelscheiden-Zellen

    • → Malat → CO2

• → bei CAM-Pflanzen → zeitliche Trennung

  • → nachts: CO2 → Oxalacetat → Malat

  • → tags: Malat → CO2

• → Laterale Ungleichverteilung der Photosysteme (PS) in Thylakoidmembran

• → Granalamellen → PS II

• → Stromalamellen → PS I → frei zugängig für NADP+ -Reduktion und ATP-Synthese

• → räumliche Trennung verhindert unkontrolliertes Überspringen der Anregungsenergie (Elektronen von einem PS zum anderen PS)

• → Anpassung an NADPH und ATP-Bedarf

  • → Produktion von NADPH und ATP höher als Verbrauch in Dunkelreaktion bei

    • → hoher Lichtintensität

    • → hoher Temperatur

    • → Trockenstress

      • → Spaltöffnungen geschlossen um Wasserverlust zu drosseln

        • → CO2 –Aufnahme reduziert

          • → Dunkelreaktion verlangsamt

    • → bei niedriger Temperatur

      • → Stoffwechselaktivität in Dunkelreaktion verlangsamt

      • → nicht der Elektronentransport

        • → Wahrscheinlichkeit für Zellschädigung steigt

• → Abbau überschüssiger Energie bei Trockenstress → Photorespiration – „Lichtatmung“

  • → vermindert Kohlenstoffverlust

• → sind unerlässlich für das geregelte Wachstum der Pflanzen

• → relativ kleine Moleküle

• → wirksam in sehr geringen Konzentrationen (< 10-7 M)

• → Bildungs- und Wirkungsorte meist nicht identisch

  • → Bildung mehr oder weniger in der gesamten Pflanze

  • → Wirkung meist lokal auf Zellen und Gewebe in der Umgebung aber auch Langstreckentransport z.T. notwendig

• → Einsatz in der Landwirtschaft, Pflanzenzucht und Biotechnologie um Wachstum und Entwicklung der Pflanzen zu beeinflussen

  • Prozesse, die beeinflusst werden

    • → Zellteilung, Zellwachstum, Zelldifferenzierung

    • → Blüte, Fruchtreifung

    • → Blattfall, Tropismen (Bewegungen)

    • → Samenruhe, Keimung, Seneszenz (Alterung)

• Natürlich vorkommendes Auxin: Indol-3-essigsäure (IES = IAA)

• Bildungsorte: → in allen teilenden und wachsenden Geweben

  • → Spross, aktives Kambium, junge Blätter

  • → sich entwickelnde Samen

  • → apikalen Wurzelspitzen

• Wirkung:

  • → fördert Streckungswachstum von Zellen

    • → bedeutet – fördert Längenwachstum von Spross und Wurzel (konzentrationsabhängig)

  • → erhöht Teilungsaktivität des Kambiums

    • → sekundäres Dickenwachstum

    • → vermehrte Produktion von Xylemelementen

  • → auslösen von Apikaldominaz

    • → hemmt Bildung von Seitenknospen

  • → fördert Bildung von Seiten- und Adventivwurzeln (Stecklingbewurzelung)

  • → fördert Ansatz und Entwicklung von Samen und Früchten

    • → Bildung von parthenokarpen Früchten (z.B. bei Erdbeeren)

  • → hemmt Blatt-, Blüten- und Fruchtfall (Abscission)

• Natürlich vorkommendes Cytokinin: Zeatin

• Bildungsorte:

  • → Wurzelspitzen (Hauptort)

  • → junge Blätter und Gewebe

  • → keimende Samen

• Wirkung:

  • → fördert Wachstum durch Zellteilung („Cytokinesis“= Zellteilung)

    → Start der DNA-Synthese

    • → Streckungswachstum

  • → fördert Seitenknospen

    • → brechen der Apikaldominaz

  • → unterdrückt Seitenwurzeln

  • → verzögert Alterungsprozesse

  • → verzögert Seneszenz der Blätter

• → Wachstumsstimulation bestimmt durch Verhältnis von Auxin zu Cytokinin

• → monocyclisches Sesquiterpene

• Bildungsorte: → in allen Pflanzen → in allen Pflanzenteilen → in Plastiden

• Wirkung:

  • → Auslösen von Ruhezuständen

    • → Samenruhe

    • → Hemmung der Keimung

    • → Knospenruhe

  • → Regulation des Wasserhaushalts

    • → Konzentration steigt bei Wassermangel

      • → Schließen der Stomata

      • → Erhöhung der hydraulischen Wasserleitfähigkeit in der Wurzel

      • → fördert Wurzelwachstum, hemmt Sprosswachstum

• → Diterpene

• Bildungsorte:

  • → in allen heranwachsenden Pflanzenteilen (Spross, Wurzel, Blätter, Blüten)

  • → in heranreifenden Früchten

  • → im frühen Stadium der Samenbildung

• Wirkung:

  • → fördert Wachstum der Internodien (Streckungswachstum)

  • → Mobilisierung von Speicherstoffen bei der Samenkeimung

  • → beeinflussen Blütenbildung, Geschlecht der Blüten, Fruchtansatz (Parthenokarpie bei Apfel und Tomate)

  • → fördert Wurzelbildung, hemmt Seitenwurzeln

• → einziges gasförmiges Phytohormon: H2C = CH2

• Bildungsort: → in allen Organen der Pflanzen

• Wirkung:

  • → fördert Fruchtreife (bei Apfel, Birne, Banane, Avocado, Pfirsich, Tomate)

    • → fördert nicht bei: → Kirsche, Erdbeere, Citrus-Früchten

  • → fördert Abscission (Blatt-, Blüten- und Fruchtfall)

    • → Bildung eines Trennungsgewebes

  • → hemmt Längenwachstum, fördert Dickenwachstum

  • → hemmt Wurzelwachstum, fördert Seitenwurzeln

  • → fördert Bildung männlicher Blüten

  • → hebt Dormanz auf

  • → reguliert Alterungsprozesse

• → Triterpene

• Bildungsort: → unbekannt

• Wirkung:

  • → fördert Sprosswachstum (Zellteilung und Längenwachstum)

  • → fördert Xylemdifferenzierung

  • → fördert Pollenschlauchwachstum

  • → hemmt Wurzelwachstum

  • → beeinflusst Blattfall und Ethylen-Synthese

• Bildungsort:

  • in Plastiden aus Fettsäure (α-Linolensäure)

• Wirkung:

  • → reguliert Wachstum und Alterung von Blättern und Wurzel

  • → gebildet nach Wunden

  • → erhöht Resistenz gegen Pathogene und Fressfeinde

  • → löst Rankenkrümmung aus

  • → induziert Knollenbildung bei Kartoffeln

• → Sekundärmetabolite sind Verbindungen, die nicht essentiell für Wachstum und Entwicklung der Pflanze sind.

  • → nicht ubiquitär verbreitet

  • → nur auf wenige Arten oder Verwandtschaftsgruppen begrenzt

  • → haben aber Funktion im pflanzlichen Organismus

  • → haben spezifische ökologische Funktionen

    • → Farb- und Duftstoffe

    • → Abwehrstoffe

• → Strategien zur Vermeidung von Selbstzerstörung

  • → Akkumulation in spezifischen Zellen oder Geweben

    z.B. Gerbstoffe in Gerbstoffzellen

  • → Akkumulation nicht toxischer Vorstufen

    • → Enzyme in verschiedenen Kompartimenten der Zelle – erst nach Zerstörung

      • → Bildung der Abwehrstoffe

  • → Induzierte Bildung von Schutzstoffen

    • → Antwort auf Infektion durch Pathogene (Phytoalexine)

• → Abwehrmechanismen sind erfolgreich gegenüber der Mehrzahl der Feinde

• → Anpassung der Feinde an Wehrsubstanzen

  • → entgiften oder nutzen für eigene Zwecke

• → Gliederung nach chemischer Grundstruktur:

  • → Phenolische Verbindungen

  • → Alkaloide

  • → Isoprenoide Verbindungen

• → Biosynthese der Grundbausteine ergibt geringe Anzahl von Gruppen

• Definition „Bewegung“: Ortsveränderung eines Organismus = freie Ortsveränderung

  • → bei Pflanzen – nur bei Gameten

• → Erweiterung der Definition für Pflanzen:

  • Definition „Bewegung bei Pflanzen“: Orts- oder Lageveränderung eines Organismus oder Organs in einem relativ kurzen Zeitraum

• → Endogene (autonome) Bewegung → unabhängig von einem Umweltreiz

• → Induzierte (aitionome) Bewegung → Antwort auf einen Umweltreiz

• Reiz = Stimulus → Ereignis, das eine Reaktion auslöst

  • → chemische oder physikalische Reize, die biotischen oder abiotischen Ursprungs sind

• Reiz = Reizintensität (Reizstärke) x Reizdauer

• Reizqualitäten (Reizformen): Licht, Schwerkraft, chemische Verbindungen, Berührung, Erschütterung, Strom, Verletzungen

• Reizantwort = Reaktion

• → Stärke der Reaktion

  • → unabhängig von der Reizstärke

  • → „Alles-oder-Nichts-Gesetz“

  • → im Verhältnis zur Reizstärke

• → Richtung der Reaktion

  • → ungerichtet

  • → im Verhältnis zur Reizrichtung

• → „Alles-oder-Nichts-Gesetz“ → Aktionspotenzial

• Bewegung für die Pflanze

  • → energieaufwendig

  • → energieneutral

• → Energie kommt aus der Wasserverdunstung

  • → umgebender Luft wird Wärme entzogen

• → Quellungs- und Entquellungsbewegungen

  • → beschränkt sich auf abgestorbene Zellen und Zellverbände

  • → beruht auf Quellfähigkeit von Zellwandbestandteilen → Pektin, Cellulose

    • → Einlagerung von Wasser in die fibrillären Strukturen

      • → unterschiedliche Verdunstung aus verschiedenen Schichten

        • → Krümmungsbewegung

          • → Öffnungsbewegung der Sporenkapseln bei Laubmoosen

• → beschränkt sich auf abgestorbene Zellen und Zellverbände

• → Verdunstung von Wasser erzeugt Unterdruck

  • → Druckausgleich erzeugt heftige Bewegung

• → Turgeszenzveränderungen

  • → ein- und ausströmen von Wasser aufgrund aktiver Vorgänge in lebenden Zellen

    • → zeitlich begrenzte Permeabilitätsveränderung der Plasmamembran

      • → Einbau von Aquaporinen und Aktivierung von ATPasen

        • → Spaltöffnungsbewegung

        • → Blattbewegung der Mimose

          • → alle reversibel

• → Taxis, Nastie, Tropismus, autonome Bewegung, Dinese

• → Verbindung zwischen Reizform und Bewegungstyp → Namensgebung

  • → Präfix = Reizform + Bewegungstyp

• → Reizform:

  • Gravi- (Schwerkraft)

  • Photo- (Licht)

  • Chemo- (chemische Verbindung)

  • Hydro- (Wasser)

  • Thigmo- (Berührung)

  • Seismo- (Erschütterung)

  • Elektro- (Strom)

  • Traumato- (Verletzung)

• → freie Ortsbewegung, die durch Außenfaktoren bestimmt wird

  • → z.B. Phototaxis → durch Licht gesteuerte Bewegung

    • → z.B. Bewegung der Plastiden

      • → zum Schutz vor Lichtschäden

      • → Starklichteinstellung – senkrecht zur Oberfläche

      • → Schwachlichteinstellung – parallel zur Oberfläche

• → Bewegung, die an feste anatomische Strukturen gebunden ist

  • → unabhängig von Reizrichtung

  • → Bewegung immer in gleicher Weise und in gleicher Richtung

    • → z.B. Photonastie → Öffnen und Schließen der Blüte

    • → z.B. Thigmonastie und Thigmotropismus → Rankenbewegung

• → Nyctinastie → Schlafbewegung

  • → circadianer Rhythmus = Tag-Nacht-Rhythmus

    • → periodische Öffnungs- und Schließbewegungen

• → gerichtete Krümmungsbewegung der gesamten Pflanze oder eines Organs

  • → Richtung der Krümmung wird durch Reiz-Richtung bestimmt

    • → Wachstumsbewegung einer Seite eines Organs

    • → selten Turgorbewegungen

• → von der Schwerkraft der Erde ausgelöste und gesteuerte Wachstumsbewegung von Pflanzenorganen

• → Hauptwurzeln wachsen in Richtung der Erdanziehungskraft

  → positiv gravitrop

• → Sprossachsen wachsen in entgegengesetzte Richtung der Erdanziehungskraft

  → negativ gravitrop

• → Wachstum seitlich zur Schwerkraft (Laubblätter, Wurzel 2. Ordnung)

  → plagiogravitrop

• → Wahrnehmung des Gravitationsreizes durch Verlagerung von Amyloplasten

  → Stärke-Statolithen-Hypothese

• → Wachstumsbewegung durch Orientierung zum Licht

  • → positiver Phototropismus → zur Lichtquelle

    • → optimale Bedingungen für die Photosynthese in den Blättern

  • → negativer Phototropismus → von der Lichtquelle weg

• → Lichtwahrnehmung über Photorezeptoren (Pigmente, Phytochrome, Cryptochrome, Phototropine)

• → anderer Prozess

  • → Photomorphogenese (Entwicklungsprozesse) → kein Tropismus

  • → Chloroplastenentwicklung

  • → Einsetzen der Knospenruhe

  • → Samenkeimung

  • → Blütenbildung

  • → Biosynthese von Anthocyane

  • → Ergrünen von Pflanzen

  • → Abscission von Laubblättern

• → Wahrnehmung der Helligkeitsunterschiede zwischen Licht und Schatten vermittelt durch Auxin

• → Cholodny-Went-Hypothese

• → optimale Bedingungen für die Photosynthese in Blättern

  • → Lichtsättigungskurven

  • → Lichtsättigung:

    • Sonnenblatt = gelber Punkt

    • Schattenblatt = oranger Punkt

  • → Lichtkompensationspunkt:

    • blauer Punkt (Schnittpunkt mit der x-Achse)

• → Lichtkompensationspunkt → Nettophotosynthese = 0

  • → CO2-Fixierung in Photosynthese = CO2-Freisetzung in Atmung

  • → O2-Freisetzung in Photosynthese = O2-Verbrauch in Atmung

• → Lichtsättigung abhängig von:

  • Leistungsfähigkeit des Calvin-Cyclus

  • Temperatur

  • CO2-Versorgung

• → Zusammenhang zwischen Licht und Temperatur

  • → Temperatur → Einfluss auf biochemische Prozesse

    • → Photosyntheseaktivität

    • → Wachstum der Pflanze

    • → Samenruhe

    • → Knospenruhe

  • → RGT-Regel nach vant‘ Hoff (Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel)

    • → Q10-Wert → Temperaturerhöhung um 10 oC steigert die Reaktionsgeschwindigkeit um 2-4 fache

• → Wachstum (N) ist abhängig von der Temperatur (T) → Optimum Kurve (Toleranzkurve)

• → aufsteigender Teil (Minimum-Optimum) → Enzymaktivität steigt

• → absteigender Teil (Optimum-Maximum) → Substratverfügbarkeit nimmt ab

• → Temperaturabhängigkeit der Photosyntheseaktivität vom Lebensraum

• → Hitzeschäden entstehen durch Denaturierung der Proteine (50-55 oC)

  • → Hitzeschockproteine als Schutzproteine vorhanden

• → Anpassung der Pflanzen an extreme Standorte erfolgt durch Toleranz oder Vermeidung

• → Frostschäden entstehen durch Eisbildung in Zellen und Geweben

  • → Frostresistenz wird aufgebaut durch Unterkühlung von Wasser

  • → bei Alpinen-Sträuchern bis -70 oC

• → brechen der Samenruhe (Stratifikation)

  • → einwirken von niedrigen Temperaturen auf gequollene Samen, um die Samenkeimung zu ermöglichen

• → brechen der Knospenruhe (Vernalisation)

  • → Induktion der Blüte durch bestimmte Temperaturen