Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 1 Ökophysiologie Biochemische und zellphysiologische Aspekte der Anpassung an Standortfaktoren Vorlesung im Blockkurs Pflanzenbiologie,

Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 1

Ökophysiologie

Biochemische und zellphysiologische Aspekteder Anpassung an Standortfaktoren

Vorlesung im Blockkurs Pflanzenbiologie,Teil Ökophysiologie, Symbiose

Thomas Boller

Botanisches Institut der Universität Basel

Hebelstrasse 1, 4056 Basel

Gesamttitel


3. Ionenklima:Nährstoffmangel, Salzstress

Skript – p. 14

Titel Ionenklima


Essentielle NährstoffeOxidierende Bedingungen: Im Boden NO3

-,muss assimiliert werden!

Im Boden SO42-:

muss assimiliert werden!Phosphat kaum löslich: Problem Verfügbarkeit!

Oxidierende Bedingungen: Fe3+, Mn4+ kaum löslich: Problem Verfügbarkeit!

Reduzierende Bedingungen: Fe2+, Mn2+ leicht löslich: Problem Bodentoxine!

Essentielle Nährstoffe

Skript – p. 15


Mineralstoffe im Boden und in der Pflanze

Rang 1: Si (Silizium)nicht essentiell (?)Rang 2: Al (Aluminium)nicht essentiell, eher toxischRang 3: Fe (Eisen)essentiell, oft limitierend (!!!)

Mineralstoffe im Boden und in der Pflanze

Skript – p. 15


Nährstoff-Angebot und Bedarf

Vorrat ausreichend:Problem = Verfügbarkeit

Problem = Absoluter Mangel

Skript – p. 15

Nährstoff-Angebot und Bedarf


Verfügbarkeit von Stickstoff für die Pflanze

1 m = 10 dm1 m = 10 dm

0.3 m = 3 dm

Typische Biomasse-Produktion pro m2 pro y:

N-Gehalt = ca 20 g /kg TS

>> Typischer N-Bedarfpro m2 pro y:

Vorrat im Boden pro L (>99% organisches N):

N-Vorrat pro m2:

Verfügbar als mineral. N (NH4

+ oder NO3-) pro L:

N verfügbar pro m2:

1000 gAgronomisch:10 t pro ha

20 g

1 g

300 g

Bodenvolumen pro m2: ca. 300 L0.001 g

0.3 g

Reicht für 3 Tage!!Entscheidend: Mineralisation aus organischem N!!

Reicht für 15 Jahre!!

1 m2 Boden

Verfügbarkeit von Stickstoff

nicht im Skript


Verfügbarkeit von Phosphor für die Pflanze

1 m = 10 dm1 m = 10 dm

0.3 m = 3 dm

Typische Biomasse-Produktion pro m2 pro y:

P-Gehalt = ca 2 g /kg TS

>> Typischer P-Bedarfpro m2 pro y:

Vorrat im Boden pro L:

P-Vorrat pro m2:

Verfügbar als Phosphat in der Bodenlösung pro L:

P verfügbar pro m2:

1000 g

2 g

0.7 g

210 g

Bodenvolumen pro m2: ca. 300 L0.00001 g

0.003 g

Reicht für 8 Stunden!!Entscheidend: Mobilisation von Phosphat aus Mineralien

Reicht für 105 Jahre!!

Agronomisch:10 t pro ha1 m2 Boden

Verfügbarkeit von Phosphor

nicht im Skript


Mineralstoff-Angebot und Pflanzen-ErtragMineralstoffe im Boden und in der Pflanze

Mineralstoff-Angebot (g pro L Bodenlösung)

Ertr

ag (k

g pr

o m

2 )

0

0.5

1.0

0 0.05 0.10

Makro-Nährstoff (z.B. N, P, K)

Toxisches Element (z.B. Cd, As, Co)

Mikro-Nährstoff (z.B. Cu, Fe, Mn)

Skript – p. 15


Transport vom Boden zur Pflanze

Symplastischer Weg

Kontrollierte Aufnahme in den Symplasten

Kontrollierte Abgabe ins Xylem

Kontrollierte Aufnahme in den Symplasten

Kontrollierte Abgabe ins Xylem

Apoplastischer Weg

Der Caspary-Streifen blockiert den apoplastischen Weg und erzwingt den symplastischen Weg!

Apoplastischer Xylem-Fluss

Transport vom Boden zur Pflanze 1

Skript – p. 16


Transport vom Boden zur Pflanze Vorrat ausreichend - Problem = Verfügbarkeit

Lösungsmöglichkeit:

Mobilisierung von Nährstoffen

Wurzel-Exudate

Transport vom Boden zur Pflanze 2

Skript – p. 16


Ausscheidung von H+ bei Eisenmangel

Auscheidung von Säure, nachgewiesen mit Farb-Indikator (Bromkresolpurpur)

Ausscheidung Protonen / Eisenmangel

Skript – p. 16


Beispiele für die Nährstoff-Mobilisierung

Auscheidung von Säuren

Auscheidung von Chelat-Bildnern:Phytosiderophoren

Beispiele Nährstoff-Mobilisierung

Skript – p. 16


Biphasische Kinetik des Nährstofftransports

Hochaffines Transportsystem:Km = 0.03 mM

Vmax

Vmax/2

Vmax

Vmax/2

Niedrigaffines Transportsystem:Km = 10 mM

Biphasischer Nährstofftransport

Skript – p. 16


Problem der Verfügbarkeit von IonenSaure Böden Basische Böden

Problem Verfügbarkeit von Ionen 1

Skript – p. 17


Problem der Verfügbarkeit von IonenProblem Verfügbarkeit von Ionen 2

Skript – p. 17


Kalk- und Silikatpflanzen

Bewimperte Alpenrose, Rhododendron hirsutum

Kalkzeiger

Rostblättrige Alpenrose, Rhododendron ferrugineum

Säurezeiger

Alpenrosen / Kalk- und Silikat

nicht im Skript



Clusius' EnzianGentiana clusii

Kalkzeiger

Koch'scher EnzianGentiana acaulis

Säurezeiger

Enziane / Kalk- und Silikat

nicht im Skript



AlpensoldanelleSoldanella alpina

Kalkzeiger

Zwerg-SoldanelleSoldanella pusilla

Säurezeiger

Enziane / Kalk- und Silikat

nicht im Skript



Weisse AlpenanemonePulsatilla alpina

Kalkzeiger

Schwefel-AnemonePulsatilla apiifolia

Säurezeiger

Anemonen / Kalk- und Silikat

nicht im Skript


Depletionszone bei der Phosphataufnahme

Wurzel-Querschnitt

Wurzelhaar-Bereich:Ausdehnung der Depletionszone

Mit Mykorrhiza:Weitere Ausdehnung der Depletionszone

Depletionszone

Skript – p. 17

Ohne Wurzelhaare:Ausnützung von P nur ca. 0.5 mm um Wurzel herum!


Symbiontische Stickstoff-FixationSymbiontische Stickstoff-Fixation 1

Skript – p. 18


Symbiontische Stickstoff-Fixation

Aufnahme von Dicarbonsäuren(z.B. Succinat, Malat)

Sauerstoff-Zufuhr und Sauerstoff-Schutz!

Nitrogenase

Abgabe von reduziertem N

Symbiontische Stickstoff-Fixation 2

Skript – p. 19


Bedeutung der Mykorrhiza

Ohne Mykorrhiza: schlechterer Start

Ohne Mykorrhiza: frühere Wachstumsreduktion

Bedeutung der Mykorrhiza

Skript – p. 18


Mykorrhizierung und Phosphat-Düngung

Bei hohem Phosphatangebot ist Mykorrhiza negativ

Optimaler Bereich der Förderung

Mykorrhizierung und Phosphat-Düngung

Skript – p. 19


Mykorrhizierung und PhosphataufnahmeMykorrhizierung und Phosphat-Aufnahme

Skript – p. 18


Wurzelwachstum und ungleiche Ressourcen

Im Boden: Bereich von erhöhtem Nitrat Angebot (1 mM)

Fragen:

Perzeption

Transduktion

Response

Wahrnehmung der Nitrat-Gefälles

Meldung an Meristeme

Vermehrte Seitenwurzel Bildung

Wurzelwachstum und ungleiche Ressourcen

Skript – p. 19


Salzstress: Glykophyten und Halophyten

Beispiel: Suaeda maritima

Halophyt:wächst bei Versalzung besser!

ToleranterGlykophyt

Beispiel:Zuckerrübe

SensitiveGlykophyten

Beispiele:Baumwolle, Bohne

Salzstress: Glykophyten und Halophyten

Skript – p. 20


Suaeda maritima (Strand-Sode)Suaeda maritima

Bild aus dem Internet


Suaeda maritima (Strand-Sode)Suaeda maritima

Bild aus dem Internet


Anpassungen an Salzstress"Avoidance": inneres Milieu bleibt salzfrei

"Tolerance": Salz wird aufgenommen

Problem: WassermangelProblem: Ionentoxizität

Anpassungen an Salzstress

Skript – p. 20


Anpassung an Salzstress: Wasserpotential

- 0.5 bar

- 1.0 bar

- 1.5 bar

- 5.0

- 5.5 bar

- 6.0 bar

Pro memoria:

1 M osmotisch aktive Stoffe =

1 osM = 22.4 bar

20 + 2x100 = 220 mosM = 5 bar

Falls das Blatt kein Salz enthalten darf, braucht es andere Osmotika!

Wasserpotential-Situation bei Salzstress

Skript – p. 21


"Kompatible" Osmotika"Kompatible" Osmotika

Skript – p. 21


Bedeutung von kompatiblen OsmotikaAnalyse von cytoplasmatischen Enzymen eines Halophyten

mit NaCl mit NaCl

mit Prolin mit Prolin

Schlussfolgerung:

Auch Halophyten brauchen im Cytoplasma kompatible Osmotika

Bedeutung von kompatiblen Osmotika

Skript – p. 21


SalzdrüsenSalzdrüsen

Skript – p. 22


Tamariske mit SalzdrüsenTamariske: Salzdrüsen

nicht im Skript


Atriplex halimus mit BlasenhaarenAtriplex: Habitus

nicht im Skript


REM-Aufnahme von BlasenhaarenAtriplex: Blasenhaare

nicht im Skript


Ionenstress: Toxizität von IonenIonenstress: Toxizität von Ionen

Skript – p. 22

Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 39 Skript – p. 23

PhytochelatinePhytochelatine

Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 40 Skript – p. 23

Vorläufer der Phytochelatine: Glutathion

Glycin

Cystein

Glutamin-säure

Glutathion


MetallophytenMetallophyten

Skript – p. 24


Beispiele von Metallophyten

Viola calaminare (Violaceae) und Thlaspi calaminare (Brassicaceae), zwei "Galmei-Pflanzen" in Deutschland

Viola calaminare, Thlaspi calaminare (Zink-Hyperakkumulatoren)

nicht im Skript



Minuartia verna (Caryophyllaceae), Blei-Hyperakkumulator in Rumänien

Minuartia verna (Blei-Hyperakkumulator)

nicht im Skript



Jasione montana (Campanulaceae) auf Arsen-Böden in England

Jasione montana (Arsen-Hyperakkumulator)

nicht im Skript



Psychotria douarrei (Rubiaceae) auf Nickel-Böden in Neukaledonien

Jasione montana / Arsen

nicht im Skript



Pearsonia metallifera (Fabaceae), Chrom-Hyperakkumulator in Zimbabwe

Pearsonia metallifera (Chrom-Hyperakkumulator)

nicht im Skript



Astragalus racemosus (Fabaceae), Selen-Akkumulator in den U.S.A.

Astragalus racemosus (Selen-Hyperakkumulator)

nicht im Skript

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Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 1 Ökophysiologie Biochemische und zellphysiologische Aspekte der Anpassung an Standortfaktoren Vorlesung im Blockkurs Pflanzenbiologie,