Temperaturstree, Kältestress, Lichtstress, Salzstress, Trockenstress, Oxydativer Stress, Wasserstress
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Nennen Sie LAngtags und Kurztagspflanzen
Kurztagspflanzen (Langnachtpflanzen):
Rice, Mais, Kartoffel (wild)
Langtagspflanzen:
Weizen, Gerste, Erbse, Linse
Welche Umweltfaktorielle Einflüsseauf die Photosynthese kennen Sie und wie welche Anpassungsorganismen haben Pflanzen?
1. Erhöhung der Co2 Konzentration
-->C4 Photosynthese, Steigende Photosyntheseleistung
2. Temperatur
Da Dunkelreaktion Temperaturabhängig-->Stomataschluss führt zur Photorespiration
Nennen Sie Photoperiodisch induzierte Entwicklungsprozesse
• Induktion der Samenkeimung
• Streckungswachstum
• Sukkulenz • Bestockung
• Ausbildung von Speicherorganen
• Blühen • Vegetative Fortpflanzung
• Herbstlaubfall
Knospenaustrieb
Erklären Sie den Calvin Zyklus
1. CO2 Fixierung
CO2 wird durch Katalyse Enzym RUBISCO an RuBP gebunden-->Zerfall in 2x3PG(C3Körper)
2. Reduzierung
ATP -->ADP+P+Energie, die Energie aus Sonne wird genutzt um P auf 3PG zu übertragen-->1,3 Bisphosphatglycerat-->NADPH gibt 2 Elektronen und 1H+ an das 1,3 Molekül ab und wird wieder zu NADP+(Oxidation)-->GAP ist entstanden
Teile des GAP werden abgespalten (1/6) und bilden Glucose oder Fructose (Hexosen)
3. Regeneration
RuMP wird durch ATP Pholsphoriliert-->ATP wird zu ADP, P wird gebunden und es entsteht wieder RuBP
Benennen Sie die Unterschiede zwischen Schattenblättern und Lichtblättern. Wie wird Sonnenlicht eingefangen?
| Schattenblatt | Lichtblatt |
| Erhöhen ihren Chlorrophylgehalt in den Reaktionszentren | Haben mehr RUBISCO zur beseren CO2- Assimilation (Licht-->höhere temperatur-->Zunahme an Oxygenierung) |
| Haben eine höheres Verhältnis von Chlorophyll b (Chlorophyll b ist Hilfspigment und sammelt Lichtenergie um es an Chlorophyll a weiterzugeben) | Schützen sich vor zuviel Licht durch verstärkte Xanthophyll-Einlagerung |
| Haben dünnere Blattspreiten | Dickere Blätter durch vergrößerte Palisadenschicht |
Siebeffekte durch gebündelte Lokalisation des Chlorophylls
Lichtkanalisierung durch Vakuolen der Palisadenzellen welche Licht leiten
Oberflächenlichtstreuung durch Luft und Wasserflächen des Schwammgewebes
Was sind ROS, wie werden diese gebildet und welche Abwehrmechanismen haben Pflanzen entwickelt?
ROS sind Reaktive Sauerstoffradikale welche ine starke Elektronennegativität haben und sehr reaktiv sind. Sie entstehen in sämtlichen Sauerstoffbezogenen Prozessen und verursachen oxidative Schäden an Zellen. Sie stehlen Elektronen von Molekülen und wirken dadurch als Zellgift.
Abwehrmechanismen:
ROS/Redoxsensoren erkennen ROS und über Ethylen und Abscisinsäure wird eine Signalkette aktiviert an deren Ende ROS durch Antioxidantien (Vitamine und Enzyme) abgebaut werden und metabolische Anpassung (Reduktion der Photosynthese), Peroxisom baut Wasserstoffperoxid ab
Wie funktioniert Wasseraufnahme und Transport, welche treibenden KRäfte gibt es?
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Welche GRundlegenden Prozesse sind auf Zell, ORgan und PFlanzenebene für Wachstum und Entwicklung verantwortlich?
Zellebene:
Mitose und Zellstreckung, Zellstreckung voran geht die erweichung der Zellwand und anschließend der Einlagerung von mehr H2o in die ZEllvakuole worauf sich die Zelle streckt, dann wird die Zellwand wieder verfestigt
Massezuwachs durch Synthese organischer Stoffe
Organebene:
Wurzel: Zellteilung im Meristem, Zellstreckung in der Elongationszone und dann Differenzierungszone
Blatt:
Zellteilung-->Zellstreckung-->Zelldiferenzierung
Wachstumsgewebe: Apikalmeristem, Primäres Dickenwachstum und Sekundäres Dickenwachstum
Gewebetypen: Abschlussgewebe, Grundgewebe, Leitgewebe
Pflanzenebene:
Summe aller Wachstums und Differenzierungsprozesse aller ORgane, NEue ORgane Bauen auf älteren auf
Welche Phytohormone kennen Sie und an welchen Prozessen sind diese beteiligt?
1. Auxin
• Wachstumsprozesse
– Streckungswachstum fördernd (bei sehr hohen Konzentrationen hemmend!)
– Zellteilung
– Apikaldominanz
– Bildung von Adventiv- und Seitenwurzeln und Wurzelhaaren
2. Gibberelin
• Wachstumsprozesse
– Streckungswachstum
– Zellteilung
• Samenkeimung
• Keimlingsentwicklung (Hydrolyse der Stärke im Samen)
• Blütenbildung (Sporengenese), Geschlechtsausprägung
3. Etyhlen
• Blattfall
• Fruchtreifung
• Hemmung der Blütenbildung
• Hemmung des Auxintransports und der Synthese
• Triple response:
– Wurzeln die mit Ethylen begast werden zeigen gehemmtes Wachstum, verstärktes Dickenwachstum und Deaktivierung des Gravitropismus (vermutlich um Hindernisse zu überwinden)
4. Abscorbinsäure
• Blatt- und Fruchtfall indirekt über Induktion der Ethylenbildung
• Einleitung von Ruhezuständen (Samen und Knospen)
• Stresshormon
– Reduziertes Sprosswachstum, verstärktes Wurzelwachstum
– Schließen der Stomata
– Kälte- und Frostresistenz
5. Cytokinine
• Förderung der Zellteilung
• Streckungswachstum der Blätter
• Steigerung des Stoffwechsels
• Synthese von Chlorophyll und Calvin-Zyklus-Enzyme
• Hemmung der Seneszenz
• Auswachsen von Seitenknospen („Hexenbesen“)
– Gegenspieler Auxin
Hinsichtlich des Photosynthesetyps unterscheidet man C3- und C4-Pflanzen. Erläutern Sie kurz die grundlegenden Unterschiede (primäres Fixierungsprodukt / Schlüsselenzym / Blattbau) und bewerten Sie Vor- und Nachteile bei verschiedenen Umweltbedingungen. (8 Punkte)
| C3 | C4 | CAM | |
| Ort der Photosynthese | Thykalloidmembran der Mesophylzelle | Thykalloidmembran der MEsohylzelle | Thykalloidmembran der Mesophyllzelle |
| Ort des Calvin Zyklus | Stroma der Cloroplasten/Mesophylzelle |
Bündelscheidenzelle C4-->C3 |
Stroma der Mesophylzellen C4-->C3 |
| Fixierendes Enzym | RUBISCO | PEP-Carboxylase, dann RUBISCO | PEP-Carboxylase dann RUBISCO |
| Co2 Fixierung | 1. RUBISCO im Calvin Zyklus | 1. Co2-->HCO3->PEP-Carboxylase-->Malat umwandlung zu Co2 im Mitochondrium der Bündelscheidenzelle-->Co2 in Calvin zyklus des Chloroplast der Bündelscheidenzelle | 1. CO2->HCO3->Malat->Vakuole->Calvin Zyklus |
| Primäres Fixierungsprodukt des Co2 | C3 Körper | C4 Körper | C4 Körper |
| Ort des 1. Fixierungsprodukts | Stroma | MEsophylzelle Cytoplasma | MEsophylzelle Cytoplasma |
| Blattbau | Chlorenchym | Chlorenchym und Bündelscheidenzellen um LEitbündel | Chlorenchym |
Welche MEchanismen für die Wahrnehmung von Stress innerhalb der Pflanze kennen Sie?
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Welche BEdeutung hat Wasser für die Pflanze?
Physiologische Funktion:
-Als Reaktionspartner in Biochemischen Reaktionen
Physikalische Funktion:
-Quellungsmittel (k+ lagert an H2O an und wird in Stomata gebracht)
-Lösungsmittel
-Tugordruck
- Transportmittel
- Hitzeschutz
Was ist Photorespiration? Wann findet diese statt und welche Strategien entwickelten Pflanzen dagegen.
Als Photorespiration bezeichnet man die Bindung von O2 anstatt CO2 durch RUBISCO an RuBP. RUBISCO Katalysiert vorrangig CO" aber ist auch ein Oxygener akzeptor 1:4-1:2 Photorespiration sind normal. Das passiert wenn die Konzentratin von O2 durch Stomataschluss bei hohen temperaturen. Bei dem PRozess geht 1C Atom als Co2 verloren, deswegen ist dieser Prozess Photosynthesemindernd und als not Wiederverwertung zu sehen.
CAM und C4 Pflanzen sind weniger anfällig für Photorespiration da hier O2 und Co2 synthese räumlich oder Zeitlich voneinander getrennt sind
Benennen Sie die Grundlegenden Prozesse der Photosynthese
Photosynthese findet in den Chloroplasten der Mesophylzellen statt, genauer in der Thylakoidmembran.
Dort liegen PSII und PSI, das Chlorropder Wasserspaltkomplex, die Elektronentransportkette
Aus 6CO2+6H2O-->C6H12O6+6O2
1. Lichtrektion
Photonen werden über Lichtsammelkomplexe in das Reaktionszentrum geleitet-->Dort regt Licht mit der Wellenlänge 680nm ein Elektron des Chlorrophyl-a an-->dieses wird in die Elektronentransportkette weitergeleitet
Der Wasserspaltkomplex spaltet H2O in H+, O2 und Elektronen ab die iederum die freie e Stelle des Chlorophyls besetzen.
Das Angerechte Elektron wandert-->Phäophytin-->Plastochinon-->Chytocrom-komplex-->Plastocyanin zum PSI. H+ Protonen werden in das Tykaloidlumen geleitet nd Elektrochemischer Gradient wird aufgebaut.
PSI sammelt 700nm Licht und regt Elektron an welches dann NADP+ zu NADPH+H+ reduziert
H+ Protonen aus dem Lumen werden durch Carrierproteine ATP-Synthase wieder außerhalb der MEbran transportiert-->Freiwerdende Energie phosphoreliet ADP-->ATP
Nun haben wir wieder ATP und NADP+H+ welche dann in der Dunkelreaktion mit CO2 o. O2 bei der Photorespiration RuMP mit RUBISCO im Calvin-Zyklus zu Glycolyse synthetisieren welche dann in der Atmusngkette eingespeist werde kann.
2.Dunkelreaktion
MEchanismen gegen Salzstress
Toleranz bei Salzstress:
Kompartimentierung des Salzes in der Vakuole
Synthese verträglicher Gegenionen
Induktion von Protonenpumpen und Ionentransportern
Vermeidung bei Salzstress:
Ionenexclusion
-NA Exlusion an Wurzeloberfläche, Ausscheidung in Boden
-Na Inklusion in Vakuole
-Na Absorption in Xylemparenchymzellen
-Na Retranslokation über Phloem
-Na Exkretion über Salzdrüsen
Wie funktioniert die Lichtregulation, Phototropismus, Photoperiodismus und welche Rezeptoren gibt es?
- Über das Photochromsystem
- Phytochrome nimmt Wellenlänge des Red light und far red light wahr
--> Germination oder Bewegung aus dem Schattenbereich durch wahrnehmung von Far red light
- Phototropin nimmt blaues Licht wahr
--> Tropismen
- Cryptochrome
--> wahrnehmung blauer bereich und verantwortlich für Photoperiodismus
Photoperiodismus:
Wahrnehmung im Blatt photorezeptoren-->circadiane uhr--> und Reaktion im Apex
Welche Assimilationstypen gibt es?
• Investitionstypus
– Großes fotosynthetisches Leistungsvermögen durch großen Blattapparat (min. 50% der Biomasse)
– Vegetative Phase primär Ausbildung der Blätter, um Produktionspotential zu erhöhen
– Nach Blüte Assimilate überwiegend in reproduktive Organe
– Nutzen kurzen Vegetationszeitraum zum Wachsen, Blühen und Fruchten
– hohes Ertragspotential unter günstigen Bedingungen, stärkere Ertragsminderungen bei ungünstigen Bedingungen
• Konservativer Haushaltstypus
– In Jugend ähnlich wie Investitionstypus, vor Blüte wird jedoch ein Stoffdepot angelegt
– Gegen Ende der ersten Vegetationsperiode werden Assimilatüberschüsse in Speicherorganen (Wurzel- oder Sprossverdickung) eingelagert
– Blüte erst im Folgejahr nach schnellem Austrieb im Frühjahr
– Vorteil bei sehr früher Blüte oder kurzen Vegetationsperioden (Hochgebirge, Steppe)
– Langsameres Wachstum, dafür toleranter gegen ungünstige Bedingungen (Trockenheit, Kälte etc.)
• Akkumulationstypus
– Auf lange Lebensdauer eingestellt – Assimilate werden primär zur Ausbildung von Stütz- und Transportgewebe verwendet, Blattmasse mach bei jungen Bäumen bis 50% der Biomasse aus, bei ausgewachsenen Bäumen 1-5%
– Daher langsame Wachstumsraten, aber Vorteil bei langen Produktionsperioden
– Aber anfälliger gegenüber Veränderungen im Lebensraum
Vor welche physiologischen herausforderungen wird die Pflanze bei kombiniertem Hitze und Trockenstress gestellt?
- negativeres Wasserpotential im Boden hemmt wasseraufnahme
- drohender Wasserverlust führt zu Stomataschluss
- EnzymatischeDenaturierung
- Photorespiration verstärkt sich
- Absenkung des Tugordrucks verminderte Membranelastizität
- Pathogene haben es leichter in die Pflanze einzudringen
- Photosyntheseleistung bricht ein
- Wachstums und Nährstoffkreisläufe können wg. fehlendem Wasserpotential nicht aufrecht erhalten werden
-hält die Situation länger an führt das je nach PFlanze ur Seneszenz
- Schädigung des Photosyntheseapparats
- Destabilisierung von RNA und DNA dadurch Störung der Transkription und Translation
Was ist Vernalisation?
• Blüteninduktion durch einen Kältereiz
• Temperaturen müssen in einem bestimmten Stadium der Entwicklung (Keimling, Rosettenstadium, Bestockung) zwischen -3 bis 13°C (je nach Art) für eine ausreichend lange Zeit einwirken (i.d.R. mehrere Wochen)
• Ansonsten kommt es zu einer verspäteten oder ganz ausbleibenden Blüte
• Kältewahrnehmung vermutlich im (Apikal)-Meristem (weitgehend ungeklärt!)
• Häufig in Kombination mit weiteren Reizen (z.B. LangtagsBedingungen
Wie kommen wir von der Wahrnehmung von Stress zu einer Reaktion?
Umweltreiz oder Entwicklungssignal
Licht/Temperatur/BErührung/Nährstoffe
Rezeptor
Rezeptorkinease/Ionenkanäle/G-Protein gekoppelte Rezeptoren
Signaltransduktionskette
Proteinphosphorelierung/Sekundärmessenger/Repressorproteinabbau
Signalübertragung
Phytohormontransport
Reaktion
Genexpression/Enzym(de)aktivierung
Unterschiede zwischen C3, CAM und C4 Photosynthese
| C3 | C4 | CAM | |
| Transpirationskoeffizient | 450-900 | 250-350 | 18-100 Nachts und 150-600 Tags |
| Temperaturoptimum | 15-25Grad | 30-47Grad | 35 Grad |
| TM Gewinn T/ha/a | 10-25 | 40-80 | 6-10 |
Wie geschieht der Wassertransport von der Wurzel in die ZElle und welche Kräfte sind verantwortlich?
| Symplastisch | Apoplastisch | |
| Wurzelhaarzellen, Epidermis, Rindenzellen | Interzellulärer Weg durch die Zellen hindurch | Diffundierung von Wasser an den mittellamellen entlang und zwischen den ZEllzwischenräumen von Zellen |
| Endodermiszellen, Rückhaltung durch Wachssperre (Casparystreifen) | Durchgang durch Endodermiszelle | Übertritt aus dem Extrazellülären Raum in die Endodermis |
| Perzikel | Wasser tritt durch die Perzikelzellen in das Xylem ein und wird durch den TRanspirationssog bis zu den Blattspitzen transportiert | |
Treibende KRaft zwischen Boden und Wurzel ist das Wasserpotentialgefälle
Anpassungsstrategien gegen Stress
Stressflucht:
Schneller Wechsel in die Generative Phase, um möglichst viele lebensfähige Samen zu bilden. Beendung des Lebenszyklus bevor Stress zu groß wird
Resistenz:
-Toleranz
Aufrechterhaltung der Stoffwechselprozesse auch bei Stresseinwirkung
Erhaltung des Turgor durch osmotische Anpassung, Hohe Zellwandelastizität oder bildung kleinerer Zellen
-Vermeidung
einer zu hohen Stressdosis in empfindlichen Pflanzenorganen
Beibehaltung eines Hohen Wasserstatus durch
-Vermeidung von Wasserverlust
-Gewährleistung guter Wasseraufnahme
Wie funktioniert die Regulation der Transpiration?
Über die Einalgerung oder auspumpen von K+ Kationen in die Stomata
Welche Faktoren beeinflussen den Wasserhaushalt der Pflanze?
Im Boden:
-Bodenwasservorrat
-Matrixpotential
-Osmotische Potential der Bodenlösung
In Pflanze:
- Osmotisches Potential
- Transpiration
- Nährstoffversorgung (Glukose und K als Osmotika der Stomataregulation)
- Genetische Anpassung
Im Bestand:
- Konkurrenz um Wasser und Nährstoffe
- Mikroklima
Ordnen Sie die vier Zustände (Kontrolle, Hitze, Trockenheit und Hitze + Trockenheit) nach ihrem zu erwartenden Ertrag ein
------------------>zunehmender ertrag
trockenheit und hitze, trockenheit, hitze, kontrolle
Toleranzmechanismen gegen Temperaturstress
Gegen Temperaturstress:
• Schutz von Proteinen
– Konstanthaltung des pH durch Protonenpumpen
– Osmotische Anpassung
– Chaperon-Proteine: interagieren mit anderen Proteinen, um korrekte Faltung der Tertiärstruktur zu gewährleisten und zu erhalten
• Heat shock proteins (HSP) werden bei Trockenstress, Verwundung, Kälte, Salzstress gebildet dadurch auch cross-protection
• Hydrophiline: Schützen Proteine und Membranen bei Trockenheit
• Dehydrins: bei Salzstress, Trockenstress, Kälte und Frost, molekulare Schutzproteine, Frostschutzmolekül
• Veränderung der Membranlipide, um Flexibilität konstant zu halten
– Kälteresistente Pflanzen haben mehr ungesättigte Fettsäuren in Membran für höhere Fließfähigkeit
– Transmembran-Enzyme können gesättigte in ungesättigte Fettsäuren wandeln
• Frost: Bildung von Frostschutzmolekülen und Antifrost-Proteinen, um Eiskristallbildung zu vermeiden
Welche Tropsimen gibt es?
Geotropismus:
Statolithen (Stärkekörner, Amyloplasten) Druck auf ER-Membranen Zug auf Actinfilamente Ionenströme an Membranen Querverlagerung von Auxin Differentielles Flankenwachstum Krümmung
Magnetotropismus:
Hydrotropimus:
Wachstumsbewegung entlang eines Feuchtigkeitsgradienten
Phototropismus:
Phototropin ist ein Rezeptormölekül, auch Photorezeptor genannt-->Es sitzt als Membranprotein in den Pflanzenzellen-->blaues Licht bewirkt eine kovalente Bindung von Chromofor mit phot1-->Autophosphorilierung-->Aktiviertes Phot1 besetzt Auxintransporter in einem zur Schattenseite abnehmenden Graienten-->Auxinquerverlagerung und Krümmungsbewegung
Für andere Bewegungen sind Nastien verantwortlich
Was ist die NEtto-C Assimilation?
Durchschnittliche C Fixierung bei optimalen BEdingungen. Ein Maßstab für die Max. Effizienz der Photosynthese
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