Herzlich willkommen zur Vorlesung Pflanzenphysiologie · Taiz/Zeiger, Plant Physiology Taiz/Zeiger, Plant Physiology Andere pflanzliche Entwicklungsprozesse dagegen sind stärker

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Herzlich willkommen zur Vorlesung

Pflanzenphysiologie

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Organisatorisches

Passwort für Folienzugang: PFPH1112

Klausurtermin: 3. Februar 2012

Praktikum: das Praktikum Pflanzenphysiologie wird zu Beginn des Sommersemesters stattfinden

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Zur Klausur Allg. Pflanzenwissenschaften II

Durchschnittsnote: 3,8

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Frage

Bekannte Frage Neue Frage

Termin Wiederholungsklausur: 2. Dezember 2011

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Zur Klausur Allg. Pflanzenwissenschaften II

Wiederholungsklausur ist am 9. Dezember

Gibt es Interesse an einem Vorbereitungstermin?

Zum Beispiel nach einer Vorlesung am Freitag?

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Pflanzenphysiologie

Physiologie = Teilgebiet der Biologie, das sich mit den Lebensvorgängen u. Lebensäußerungen (...) befasst. Ziel ist, möglichst auf molekularer Ebene die Reaktionen und Abläufe von Lebensvorgängen (Stoffwechsel, Bewegung, Keimung, Wachstum, Entwicklung, Fortpflanzung u.a.) bei den Organismen bzw. ihren Zellen, Geweben oder Organen so zu beschreiben, dass (...) Funktionstheorien in generellen Sätzen mit Gesetzescharakter formuliert und somit Prognosen über das Verhalten eines „Systems“ gestellt werden können.(Lexikon der Biologie)

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Pflanzenphysiologie

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Wir haben eine ganze Reihe von pflanzlichenLebensvorgängen u. Lebensäußerungen bereits kennengelernt:

Pflanzenphysiologie

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Spross-scheitel

Knoten

Blüten-blätter

Spross-scheiteldes SeitenzweigsSeiten-zweig

Inter-nodium

Wurzel mitSeitenwurzeln

Blattlamina

Blattstiel

Achselknospe

Entwicklung

Die Ausbildung von Organen und Geweben

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Zelldifferenzierung

aus Nultsch: Allgemeine Botanik

10Scale model of the polysaccharides in an Arabidopsis leaf cell (Somerville et al. (2004))

Aufbau komplexer und doch dynamischer Polymere

Die Struktur von Zellwänden ist sehr komplex und außerdem variabel.

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Zellwände: Synthese von Lignin (Holz)

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Produkte und Leistungen des pflanzlichen Stoffwechsels

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Anpassungsleistungen von Pflanzen

Arabidopsis thaliana

Arabidopsis halleri

Control Contaminated

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AronstAronstääbe machen heftigen Gebrauch von der be machen heftigen Gebrauch von der alternativen alternativen OxidaseOxidase zur zur Thermogenese.

Arum maculatumDie Temperatur kann bis zu 25 °C höher liegen als die Umgebungstemperatur!

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Physiologie = Teilgebiet der Biologie, das sich mit den Lebensvorgängen u. Lebensäußerungen (...) befasst. Ziel ist, möglichst auf molekularer Ebenedie Reaktionen und Abläufe von Lebensvorgängen (Stoffwechsel, Bewegung, Keimung, Wachstum, Entwicklung, Fortpflanzung u.a.) bei den Organismen bzw. ihren Zellen, Geweben oder Organen so zu beschreiben, dass (...) Funktionstheorien in generellen Sätzen mit Gesetzescharakter formuliert und somit Prognosen über das Verhalten eines „Systems“ gestellt werden können.(Lexikon der Biologie)

Pflanzenphysiologie

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Einige Leitfragen

1. Wie werden Wachstum und Entwicklung gesteuert?

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Arabidopsis thaliana-Embryo: Die Zell-Abstammung ist durch verschiedene Farben angezeigt.

Grün: Sprossmeristem und Keimblätter, Gelb: Hypocotyl,Rot: Keimlingswurzel, Blau: Wurzelmeristem und Wurzelhaube.

Taiz/Zeiger, Plant Physiology

Embryogenese: wie werden Zelldifferenzierung und Cytokinese gesteuert?

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2. Wie reagiert die pflanzliche Entwicklung auf Umweltfaktoren?

Einige Leitfragen

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Blütenentwicklung ist ein gutes Beispiel für einen Entwicklungsschalter.

Reproduktive Entwicklung findet in Pflanzen aus vegetativen Zellen statt. Dies ist ein fundamentaler Unterschied zu Tieren.

Meristeme bringen erst Sekundärsprosse hervor. Dann, mit der Blütenentwicklung, treten sie in eine terminale Phase ein. Die Meristeme werden umprogrammiert.

Genaue Kontrolle gerade bei einjährigen Pflanzen wichtig: es gibt nur eine Chance auf reproduktiven Erfolg.

Blühinduktion

botanik.uni-karlsruhe.de

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3. Wie stellt sich eine Pflanze auf wechselnde Umweltbedingungen ein?

Einige Leitfragen

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Verdunstungsschutz: Synthese von Wachs

Buchanan, Gruissem, Jones, Molecular Biology & Biochemistry of Plants

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Verdunstungsschutz: Synthese von Wachs


Die Pflanze reagiert: Regulation der Biosynthese, Bsp. Brassica oleracea

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Temperatur und Niederschlag

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Gasaustausch: Regulation Schließzellen


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4. Auf welchen Wegen bauen Pflanzen alle benötigten organischen Moleküle auf?

Einige Leitfragen

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Saccharose

Triosephosphate

Hexosephosphate

Pyruvat

Citrat-Zyklus

OxidativerPentose-phosphat-Weg

Acetyl-CoA

Citrat

α-Ketoglutarat

Oxalacetat

Cellulose

Dihydroxy-aceton-phosphat

Glycerin-3-phosphat

Fettsäuren

Lipide

Glutamat

SteroleCarotinoide

Pentose-phosphat

Erythrose-4-phosphat

Nukleotide

Nukleinsäuren ATP, NADHFAD

Phosphoenolpyruvat Shikimat

Aromatische Aminosäuren

Lignin

Andere Aminosäuren

ChlorophyllCytochrome

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5. Wie interagieren Pflanzen mit anderen Organismen?

Einige Leitfragen

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Ca. 80 % aller Pflanzen leben in einer Symbiose mit Pilzen

Mycorrhiza

Wie finden sich die Symbiosepartner?Wie tauschen sie Stoffe aus?Wie werden die Stoffflüsse reguliert?

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6. Wodurch erhalten pflanzliche Bewegungen ihre Richtung?

Einige Leitfragen

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Phototropismus

Etiolierte Sojabohnenkeimlinge kurz nach Belichtung

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Phototropismus

Phototropismus Sonnenblumen-Keimlingehttp://plantsinmotion.bio.indiana.edu/plantmotion/movements/tropism/tropisms.html

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7. Warum synthetisieren Pflanzen so viele verschiedene Verbindungen?

Einige Leitfragen

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Einige pflanzliche Sekundärstoffe des Alltags

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8. Wie wird Sonnenenergie in Biomasse umgewandelt?

Einige Leitfragen

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8. Wie wird Sonnenenergie in Biomasse umgewandelt?

9. Welche Mechanismen erlauben Pflanzen die Anpassung an unterschiedliche Habitate?

Einige Leitfragen

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Die Entstehung von Ökotypen

Im Hochgebirge mit seiner deutlich kürzeren Vegetationsperiode haben kleinwüchsige Pflanzen eine größere Chance sich zu vermehren.

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Pflanzenphysiologie


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Funktion und biologisches System

Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand)Nature (2000)

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Übersicht Vorlesung Pflanzenphysiologie

Block 1: Entwicklungsphysiologie

Block 2: Sinnesphysiologie; Interaktionen von Pflanzen mit der belebten und unbelebten Umwelt; Signale und ihre Verarbeitung

Block 3: Stoffwechselphysiologie

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Betrachtung der einzelnen Entwicklungsschritte, Unterscheidung von stark determinierten und wesentlich umweltbeeinflussten Prozessen

Samenkeimung, Photomorphogenese, Entwicklungssteuerung durch Licht

Wachstum: Regulation der Zellteilung (Zellzyklus), Zellstreckung

Ausbildung der Gestalt: Verzweigungen, Formen

Umschalten von vegetativer zu regenerativer Entwicklung: Blühinduktion

Bestäubung und Befruchtung, Selbstinkompatibilität, Embryogenese, Samenreifung

Seneszenz, programmierter Zelltod: z.B. Blattfall (Abscission), Xylementstehung

Bewegungen: Tropismen, Nastien

Entwicklungssteuerung durch Hormone

Entwicklungssteuerung durch Umweltfaktoren: Licht; Photoperiode;Temperatur; Circadiane Rhythmik

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Block 2: Sinnesphysiologie; Interaktionen von Pflanzen mit der belebten und unbelebten Umwelt; Signale und ihre Verarbeitung

Biotische Interaktionen: Symbiosen, Pathogenabwehr, Allelopathie

Reaktionen auf abiotische Faktoren

Die Stresshormone ABA, JA, Ethylen, (SA)

Die Sinne der Pflanzen: sehen, schmecken, tasten, riechen

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Block 3: Stoffwechselphysiologie

Photosynthese-Vertiefung: Regulation, Anpassung

Regulation des Kohlenhydratstoffwechsels

Lipidstoffwechsel

Funktionen von Sekundärstoffen

Weitere Biosynthesen

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Lehrbücher

Der Stoff ist aufgrund der Aktualität des Buches weitgehend abgedeckt:

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Betrachtung der einzelnen Entwicklungsschritte, Unterscheidung von stark determinierten und wesentlich umweltbeeinflussten Prozessen

Samenkeimung, Photomorphogenese, Entwicklungssteuerung durch Licht

Wachstum: Regulation der Zellteilung (Zellzyklus), Zellstreckung

Ausbildung der Gestalt: Verzweigungen, Formen

Umschalten von vegetativer zu regenerativer Entwicklung: Blühinduktion

Bestäubung und Befruchtung, Selbstinkompatibilität, Embryogenese, Samenreifung

Seneszenz, programmierter Zelltod: z.B. Blattfall (Abscission), Xylementstehung

Bewegungen: Tropismen, Nastien

Entwicklungssteuerung durch Hormone

Entwicklungssteuerung durch Umweltfaktoren: Licht; Photoperiode;Temperatur; Circadiane Rhythmik

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Block 1:Entwicklungs-physiologie

Der Lebenszyklus einer Pflanze

3 Phasen:EmbryogeneseVegetative EntwicklungReproduktive Entwicklung

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EntwicklungsphysiologieBereits angesprochene Charakteristika der pflanzlichen Entwicklung

1. Unbegrenztes Wachstum von Pflanzen: Pflanzen hören nicht auf zu wachsen. Wachstum ist ein Ersatz für die Bewegung in neue Habitate.

Bristlecone pine

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2. Plastizität: die pflanzliche Entwicklung ist stark durch Umweltsignale beeinflusst.

berührt unberührt

Thigmomorphogenese

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Einige pflanzliche Entwicklungsprozesse sind wesentlich genetisch determiniert:

Bsp.: Samenreifung

Plastizität ist jedoch nicht absolut

Bsp.: Blütenmorphologie

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Taiz/Zeiger, Plant Physiology Taiz/Zeiger, Plant Physiology

Andere pflanzliche Entwicklungsprozesse dagegen sind stärker durch Umweltfaktoren determiniert:

Plastizität ist jedoch nicht absolut

Beispiel Photomorphogenese/Skotomorphogenese

Im Dunkeln z.B. kein Ergrünen, kein Entrollen der Blätter, Verlängerung der Coleoptile.

Im Dunkeln z.B. kein Ergrünen, Verlängerung des Hypokotyls, Erhaltung des apikalen Hakens.

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3. Totipotenz pflanzlicher Zellen: die Fähigkeit zur Dedifferenzierung

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Die Regenerationsfähigkeit ist eine wichtige Voraussetzung für die Transformation vieler Pflanzen.

Quelle: UC Davis

Aus dem Kallus entwickelt sich schließlich wieder eine Pflanze.

Diese wird von Nährmedium in Erde transferiert und im Gewächshaus weiter kultiviert.

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1. Unbegrenztes Wachstum von Pflanzen: Pflanzen hören nicht auf zu wachsen. Wachstum ist ein Ersatz für die Bewegung in neue Habitate.

2. Plastizität: die pflanzliche Entwicklung ist stark durch Umweltsignale beeinflusst.

3. Totipotenz pflanzlicher Zellen: die Fähigkeit zur Dedifferenzierung

4. Neue Organe werden während der gesamten Entwicklung gebildet, alte Organe können ersetzt werden.

Pflanzen behalten aktive Stammzellen.

Die pflanzliche Entwicklung ist in all diesen Charakteristika fundamental verschieden von tierischer Entwicklung.

Diese Unterschiede sind eine Konsequenz von Lebensweise (sessil) und evolutionärer Geschichte.

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Der letzte gemeinsame Vorfahre von Tieren und Pflanzen war höchstwahrscheinlich einzellig.

Published by AAAS

E. M. Meyerowitz Science 295, 1482 -1485 (2002)

Die ältesten multizellulären Fossilien sind etwa 600 Mio. Jahre alt.

Die Trennung der pflanzlichen und tierischen Entwicklungslinien passierte zwischen dem 1. endosymbiontischen Ereignis (Mitochondrien) und dem 2. endosymbiontischen Ereignis (Plastiden).

Pflanzen und Tiere haben Entwicklung unabhängig voneinander evolviert.

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Der Lebenszyklus einer Pflanze

3 Phasen:EmbryogeneseVegetative EntwicklungReproduktive Entwicklung

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Vegetative Entwicklung: Samenruhe

1. Biochemische Samenruhe

2. Physikalische/mechanische Samenruhe

3. Erforderliche Nachreifung des Embryos

Abbau der Samenschale durch Mikroorganismen und/oder Passage durch einen Verdauungstrakt

Abbau und/oder Ausspülen von Hemmstoffen ist erforderlich; bei heimischen Obstarten z.B. Amygdalin

Weiler/Nover, Allgemeine und molekulare Botanik, 18.26

Im Samen von Orchideen können sich die Embryos erst nach Etablierung einer Mycorrhiza fertig entwickeln.

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Vegetative Entwicklung: Keimung

Strasburger, Lehrbuch der Botanik

Die Keimung ist ein extrem kritischer Moment im Leben einer Pflanze: der Schutz der Samenschale wird aufgegeben. Ein junger Keimling ist anfällig gegenüber Pathogenen, ungünstigen Umweltbedingungen etc. Deshalb ist das richtige Timing entscheidend.

Häufig müssen bestimmte Umweltbedingungen vorliegen. Wichtiges Beispiel: Stratifikation, d.h. das Einwirken tiefer Temperaturen.

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Dormanz ist ein generell weit verbreitetes Phänomen bei Pflanzen der gemäßigten nördlichen Klimazonen.


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Kontrolle der Keimung

Informationen für den ruhenden Samen über aktuelle Bedingungen und Bedingungen der nahen Zukunft:

Licht

Umweltfaktor

Temperaturwechsel

Regenereignis

Rauch

Nitrat

Jahreszeit/jahreszeitliche Temperaturveränderung

Ökologische Bedeutung

1. Anzeigen von Vegetationslücken2. Bodentiefe1. Anzeigen von Vegetationslücken2. BodentiefeWasserverfügbarkeit

Feuer, Fehlen von Konkurrenz

Detektion der richtigen Saison

1. Anzeigen von Vegetationslücken2. Nährstoffverfügbarkeit

Nach: Lambers, Plant Physiological Ecology

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„Desert Bloom“: ein nur selten auftretendes Regenereignis löst simultane massive Keimung aus.

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Kontrolle der Keimung

Informationen für den ruhenden Samen über aktuelle Bedingungen und Bedingungen der nahen Zukunft:

Licht

Umweltfaktor

Temperaturwechsel

Regenereignis

Rauch

Nitrat

Jahreszeit/jahreszeitliche Temperaturveränderung

Ökologische Bedeutung

1. Anzeigen von Vegetationslücken2. Bodentiefe1. Anzeigen von Vegetationslücken2. BodentiefeWasserverfügbarkeit

Feuer, Fehlen von Konkurrenz

Detektion der richtigen Saison

1. Anzeigen von Vegetationslücken2. Nährstoffverfügbarkeit

Nach: Lambers, Plant Physiological Ecology

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Häufig müssen bestimmte Umweltbedingungen vorliegen. Weiteres Beispiel: Feuer

„Feuer-Lacton“

Science 2004:A Compound from Smoke That Promotes SeedGerminationGavin R. Flematti, Emilio L. Ghisalberti, Kingsley W. Dixon, Robert D. Trengove

Aus Cellulose-Rauch ist vor einigen Jahren eine Verbindung isoliert worden, die auf viele Samen keimungsauslösend wirkt.

Arctostaphylos viscida aus dem kalifornischen Chaparral

Die Samen vieler Pflanzen vor allem in trockenen Gebieten keimen erst nach einem Feuer.

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Ablauf der Keimung

Keimung verläuft in unterscheidbaren Phasen:1. Phase der Wasseraufnahme: Wiederherstellung der Proteinbiosynthese, DNA-Reparatur2. Phase der Wasseraufnahme (hier Phase III): Mobilisierung der Reservestoffe, Wachstum des Keimlings

Am wichtigsten sind die Verfügbarkeit von Wasser und O2.

(extant mRNAs: noch vorhandene mRNAs)

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