Pflanzenphysiologie 10 (17. Mai 2010) - 1 Titel Pflanzenphysiologie Heute: Vreni Wiemken...

Pflanzenphysiologie 10 (17. Mai 2010) - 1

PflanzenphysiologieHeute: Vreni Wiemken

Frühjahrsemester 2010

Montag, 8 – 10

www.plantbiology.unibas.ch/teaching/pflanzenphysiologie/index.htm

Dass ich erkenne, was die WeltIm innersten zusammenhält,

Schau alle Wirkungskraft und Samen ...

Ankündigung Exkursionen

Programm der Feldstudien für die nächsten drei Wochen

5. Juni 2010: Ganztägige Exkursion zu den Murgseen

5. Juli 2010: Ganztägige Exkursion zu den Murgseen

10. Symbiose als Lebensprinzip

Symbiose als Lebensprinzip

Skript - p. 103

Beispiele von Pflanzen-Symbiosen

Beispiele von Symbiosen

Skript - p. 104

Übersicht aus der Vorlesung "Pflanzliche Symbiosen". Hier werden einige Beispiele präsentiert.

Pflanzen-Bakterien-Symbiosen

Partner Mutualismus: Beide Partner profitieren

Antagonistische Symbiose: Partner der Pflanze profitiert

Antagonistische Symbiose: Pflanze profitiert

Bakterien

Knöllchen-Symbiose:Fabaceen und Rhizobium

Wurzelhals-Gallen:Agrobacterium

Nicht bekannt

Pflanzen-Bakterien-Symbiosen ausgefüllt

Skript - p. 104

Mutualistische Symbiosen Bakterien-Pflanzen:Beispiel Knöllchen-Symbiose (Rhizobien-Fabaceen)

Knöllchen-Symbiose

Bilder aus dem Internet

Wurzelknöllchen: enthält Bakterien

Photosynthese-Produkte der Pflanze

Fixierter Stickstoff des Bakteriums

Fair trade

Rhizobien-Leguminosen-Symbiose

Knöllchen-Symbiose zwischen Rhizobium und Fabaceen

Crosstalk 1:Pflanze produziertFlavonoide

Crosstalk 2:Bakterium produziert Nod-Faktoren

Flavonoid

Nod-Faktor

Entwicklung des Knöllchens

Infektions-schlauch

Stickstoff-Fixierungim Symbiosom

Skript - p. 105

Crosstalk 1: Flavonoide

Skript - p. 105

Bei Stickstoffmangel scheidet die Wurzel Flavonoide in die "Rhizosphäre" aus

Flavonoid

Crosstalk 1: Wirkung der Flavonoide

Skript - p. 105

Flavonoide locken die Rhizobien an (Chemotaxis)

Flavonoide induzieren die nod-Gene: Biosynthese der Nod-Faktoren

Bakterien werden an der Wurzelhaarspitze angeheftet (durch pflanzliche Lectine)

Pflanzenphysiologie 10 (17. Mai 2010) - 12Skript - p. 105

Crosstalk 2: Nod-Faktoren

Nod-Faktor

Rückgrat: Chitin-Bruchstück(4x oder 5x N-Acetylglucosamin)

Obligatorische Dekoration:Fettsäure

Fakultative Dekoration:Sulfat, Fucose, Arabinose etc.

Synthese: Nod-Gene(NodABC)

Synthese: Nod-Gene(NodEFG ...)

Synthese: Nod-Gene(NodHK...YZ)

Infektionsschlauch, Bildung von Symbiosomen

Crosstalk 2: Wirkung der Nod-Faktoren

Nod-Faktoren führen zu Hakenbildung des Wurzelhaars

Nod-Faktoren führen zu Zellteilung in der Wurzel-Cortex

Bakterien werden in "Symbiosomen" entlassen

Bakterien dringen durch "Infektionsschlauch" ein

Bakterien differenzieren sich in Bakteroide; N2-Fixation beginnt

Skript - p. 105

Symbiosomen und Bakteroide

Peribakteroid-Membran =Pflanzen-Membran!

Bakteroid-Membran = Bakterien-Membran!

Assimilate

fix. N (NH4+)

Skript - p. 105

Austausch vermittelt über zwei Membranen!

Metabolismus im Symbiosom

Metabolismus im Symbiosom - Übersicht

Assimilate: als Malat geliefert!

Nitrogenase

Leg-Hämoglobin:Sauerstoff-Schutz,Sauerstoff-Transport

Skript - p. 106

Nitrogenase (I)

Nitrogenase

Skript - p. 106

- Enzym sauerstoffempfindlich!

Enzymkomplex aus Eisen-Protein und Eisen-Molybdän-Protein

- grosser Energie-Aufwand!

Antagonistische Symbiose Bakterien-Pflanzen:Agrobacterium tumefaciens (Erreger der Wurzelhalsgalle)

Bilder aus Schopfer/Brennicke, 1999

Agrobacterium tumefaciens

Wurzelhalsgalle: enthält Bakterien

Einbahnverkehr:Pflanze liefert Photosynthese-

produkte und Stickstoff!

Ausbeutung

Pflanzen-Pilz-Symbiosen

Mykorrhiza-Symbiose

Mehltau, RostNestwurz, Neottia nidus-avis (Mykotrophe Pflanzen)

Pflanzen-Pilze ausgefüllt

Skript - p. 104

Mutualistische Symbiosen - Ektomykorrhiza

Lehrbuch-Ansicht eines jungen Baumes

Bild aus Strasburger, 1999

Lehrbuch-Ansicht eines jungen Baumes

Naturgetreue Ansicht eines jungen Baumes

Bild: Titelseite von "Plant Cell and Environment", Mai 2001

Naturgetreue Ansicht eines jungen Baumes (I)

Mutualistische Symbiosen: Beispiel Ektomycorrhiza

Bilder der Ektomykorrhiza

Ektomykorrhiza

Hyphenmantel

Hartig'sches Netz

Skript - p. 107

Frage der Woche

Skript - p. 108

Mycorrhiza: Austausch von Zuckern und Mineralstoffen

Kohlehydrate (Zucker)

Mineral- l-Nährstoffe,WasserMantel

Hartig'sches Netz

Extraradikales Mycel

Fair trade

Ektomykorrhiza - kulinarisch

Ektomykorrhiza kulinarisch

Ektomykorrhiza und das Wood-Wide Web

Bild von der Webpage des Botanischen Instituts der Universität Basel

Wood-Wide Web

Mutualistische Symbiosen III: Mykorrhiza

Schema der Endomykorrhiza

Endomykorrhiza

Wichtig: Arbuskeln liegen nicht einfach im Cytoplasma, sondern sind von einer Pflanzenmembran umgeben (periarbuskuläre Membran)

Skript - p. 107

Photosynthese-Produkte der Pflanze

Mineralnährstoffe des Pilzes

Fair trade

Arbuskel

Vesikel

Blumeria graminis (Getreidemehltau), ein Mehltaupilz

Aus dem WWW

Erysiphe graminis

produkte und Mineralnährstoffe!

Ausbeutung

Neottia nidus-avis (Nestwurz): Mykoheterotrophie,die Pflanze parasitiert den Pilz

Neottia nidus-avis

Einbahnverkehr:Pilz liefert Zucker und

Mineralnährstoffe!

Ausbeutung

Pflanzen-Insekten-Symbiosen

Insekten

Bestäubungs-Symbiosen

Insekten als Herbivoren

Insektivore Pflanzen

Pflanzen-Insekten ausgefüllt

Skript - p. 104

Insekten als Bestäuber: Angraecum sesquipedale

Diese Orchidee ist wegen ihres über 30 cm langen Sporns berühmt. Charles Darwin sagte für sie einen Nachtschwärmer als Bestäuber voraus, der dann auch tatsächlich gefunden wurde (Xanthopan morgani f. predicta)

Angraecum sesquipedale

Bild von der Webpage des Botanischen Instituts der Universität Basel

Insekten als Bestäuber: Angraecum sesquipedale

Xanthopan morgani f. predicta, 41 Jahre nach Darwins Voraussage in Madagaskar entdeckt ...

Xanthopan morgani predicta

Bild aus dem WWW

Fair trade

Nektar aus dem Sporn

Bestäubung der Orchidee (Pollinien!)

Insekten als Herbivoren: Aphiden

Blattläuse

produkte und Mineralnährstoffe!

AusbeutungProblem: Sehr viel Zucker (ca. 30 g/dl) -

keine essentiellen Aminosäuren!

Lösung: endosymbiotische Bakterien produzieren essentielle Aminosäuren!

Blattlaus-Zelle

Buchnera aphidicola

PS: Buchnera aphidicola ist das Bakterium mit dem zweitkleinsten Genom der Welt ...

Pérez-Brocal et al., Science 314, 13. Oct. 2006, p. 312

Das Bakterium mit dem kleinsten Genom der Welt ist Carsonella ruddii, ein endosymbiotisches Bakterium von Psylliden mit ganz ähnlicher Funktion.

Nakabachi et al., Science 314, 13. Oct. 2006, p. 267

Pflanzen als Insektivoren

Bild aus dem Internet

Dionaea muscipula

Sonnentau (Drosera rotundifolia)

Pflanzen als Insektivoren

Venusfliegenfalle (Dionaea muscipula)

Dionaea muscipula

Pflanzen-Wirbeltier-Symbiosen

Wirbeltiere

Samen-verbreitungs-Symbiosen

Wirbeltiere als Herbivoren

Keine bekannt; bei weiter Auslegung: Tabak u. ä.)

Pflanzen-Wirbeltiere ausgefüllt

Skript - p . 104

Wirbeltiere und Samenverbreitung

Wirbeltiere

Rote Früchte locken Vögel an

(Überlegenswert: "Symbolik" der roten Farbe in der Biologie!)

Bild aus Raven et al., 2000

Rote Früchte

Foto aus dem Schweizer Nationalpark (V. Wiemken)

Pflanzen-Pflanzen-Symbiosen

Pflanzen

Keine engen Symbiosen bekannt

Halbparasitische und vollparasitische Blütenpflanzen

Pflanzen-Pflanzen ausgefüllt

Skript - p. 104

Halbparasitische Blütenpflanzen: Misteln

Viscum album

Mistel

Einbahnverkehr: Baum liefert Wasser und Mineralnährstoffe!

Ausbeutung

Vollparasitische Blütenpflanzen: Orobanche

Mistel

Orobanche hederae (Europa, auf Efeu (Hedera helix)

Einbahnverkehr: Efeu liefert Photosyntheseprodukte, Wasser

und Mineralnährstoffe!

Ausbeutung

Generell Heterotrophie (als Gegensatz zur Autotrophie!)

Pathogene und ihre Ernährungsweise

Klassifizierung nach Nahrungsquellen

Saprophytische Ernährung (Saprophyten): Nahrung stammt aus toten SubstratenSymbiontische Ernährung (Pathogene und mutualistische Symbionten): Nahrung stammt direkt von lebenden Organismen

Biotrophie: Der Erreger ernährt sich von lebendem Pflanzengewebe

Nekrotrophie: Lebendes Pflanzengewebe wird vom Erreger zuerstabgetötet und dann als Nahrungsquelle verwertet

Skript - p. 109

Weitere Klassifizierung von Pathogenen

Klassifizierung nach der Abhängigkeit von der Wirtspflanze

Fakultatives Pathogen Der Erreger kann zwischen saprophytischer und symbiontischer Ernährung wechseln (typisch für nekrotrophe Pathogene)

Obligates Pathogen Der Erreger kann sich nur von lebendem Substrat ernähren (obligate Biotrophie)

Klassifizierung nach dem räumlichen Vorkommen

Epiphytische Lebensweise Der Mikroorganismus wächst hauptsächlich auf der Pflanzenoberfläche

Endophytische Lebensweise Der Mikroorganismus wächst hauptsächlich im Innern der Pflanze

Skript - p. 109

Ausbeutung, brutale Form

Nekrotrophie

Titelblatt

Sudden oak death, California

Beispiel 1: Sudden oak death (Phytophthora ramorum)

"Sudden Oak Death"in den U.S.A.

Der Erreger: Phytophthora ramorum

Nekrotrophie

Nekrotrophe Strategie des Krankheitserregers

Der Erreger tötet das Pflanzengewebe ab

Der Erreger ernährt sich vom abgetöteten Gewebe

Die Wirtspflanze wird schwer geschädigt

Problem - der Erreger vernichtet längerfristig seine Nahrungsgrundlage!

Ausbeutung, raffinerte Form

Biotrophie

Titelblatt

Blumeria graminis

Getreide-Mehltau, Blumeria graminis

Bilder aus der Literatur

Blumeria graminis

Mehltau-Sporenträger auf der Blattoberfläche

Bild aus der Literatur

"Ausbeutung" auf Epidermis beschränkt

Biotrophie

Biotrophe Strategie des Krankheitserregers

Der Erreger dringt ins Pflanzengewebe ein, ohne dass die Pflanze etwas davon merkt

Der Erreger ernährt sich vom lebenden Gewebe

Die Wirtspflanze wird zunächst kaum geschädigt

Interessant - der Erreger tarnt sich vielleicht als "Symbiont"!

Wichtig: Grundbegriffe zur Pflanzen-Pathogen-Interaktion

Wichtig: Terminologie

Erschei-nungsbild

Pflanze Pathogen Interaktion

Pflanze krank

Pflanze gesund

Anfällig,Suszeptibel (S)

Resistent (R)

Virulent (Vir)

Avirulent (Avr)

Kompatibel(Compatible, C)

Inkompatibel(Incompatible, I)

Skript - p. 109

Lokal und systemisch induzierte Resistenz

Zeit 0:Infektion mit avirulentem Stamm

Nach 2-4 h:Infektion mit virulentem Stamm

Nach 2-5 d:Lokal induzierte Resistenz

Lokal induzierte Resistenz

Skript - p. 110

Zeit 0:Infektion mitTNV (Tabak-Nekrosevirus)

Nach 2-3 d:nekrotische Flecken

Zeit 3d:Infektion mitC. cucumerinum

Zeit 10d:Systemischer Schutz

Kontrolle:

Zeit 0:"Mock-Infektion"mit Wasser

Zeit 10d:Starke Infektion

Systemisch induzierte Resistenz

Skript - p. 110

Lokal induzierte Resistenz: Das Elicitor-Phytoalexin-Modell

Konzept des chemischen "Cross-Talk"

Pflanze "erkennt" Chitinfragment aus dem Pilz

Pflanzliche Chitinasen lösen Chitinfragmente aus der Pilzzellwand

Pflanze bildet Abwehrstoffe (u.a. Phytoalexine)

Pilz bildet entgiftendes Enzym (Pisatin-Demethylase)

Definition "Phytalexine": Antibiotische Sekundärstoffe, die nur als Reaktion auf eine Infektion gebildet werden

Elicitor-Phytoalexin-Modell

Skript - p. 111

Die Hypersensitive Reaktion

Pilz-Angriff Perzeption (zur Zeit 0)

Nach 15-60 Minuten:Umwälzung der Genexpression

Nach 1-8 Stunden:Zelltod ("Apoptosis")

Nach 2-5 Minuten:Produktion von ROSÄnderung der Ionenflüsse

Nach 5-15 Minuten:Produktion des Stress-Hormons Ethylen

Skript - p. 112

Frage der Woche: Erfindungsreichtum der Orchideen

Reinhard et al., "Die Orchideen der Schweiz, 1991

Frage der Woche: Bestäubungs-Symbiosen bei Orchideen Einige der raffiniertesten und spezialisiertesten Symbiosen sind die Bestäubungssymbiosen bei Orchideen. Wieso waren gerade die Orchideen evolutiv so "erfinderisch"?

Erfindungsreichtum der Orchideen

... und zum Dessert:

Ophrys insectifera Ophrys sphegodes

Ophrys-Arten

Ophrys holoserica Cypripedium calceolus (Sexualtäuschblume) (Kesselfallenblume)

Ophrys und Frauenschuh

Nigritella nigra Orchis tridentata (Nektartäuschblume) (Nektartäuschblume)

Nigritella und Orchis

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