Das Wurzelsystem der Pflanze ist für die Wasserund Nährstoffaufnahme zuständig

Transkript

1 Das Wurzelsystem der Pflanze ist für die Wasserund Nährstoffaufnahme zuständig

2 Bau einer Wurzelspitze Seitenwurzelzone Sekundäres Dickenwachstum Wurzelhaarzone Streckungszone Meristematische Zone Wurzelhaube

3 Funktion von Wurzelhaaren Oberflächenvergrößerung Aufnahme von Kapillarwasser und Erschließung kleinster Hohlräume

4 Die Bedeutung des Wassers für die Aufrechterhaltung des Turgordruckes

5 Wassergehalte verschiedener Pflanzen Pflanze Wassergehalt (% des FG) Kopfsalat (innere Blätter) 94.8 Tomate (reife Frucht) 94.1 Rettich (Hauptwurzel) 93.6 Wassermelone (Fruchtfleisch) 92.1 Apfel (Fruchtfleisch) 84.1 Kartoffelknolle 77.8 Holz (frisch) ~50 Maiskörner (trocken) 11 Bohnen (Samen) 10.5 Erdnuss (roh Frucht mit Schale) 5.1 Pleurococcus (Luftalge) im trockenen, 5 aber noch lebensfähigen Zustand

6 Es gibt Wasserkanäle

7 Überexpression von Aquaporinen fürt zu einer verringerten Wurzelbildung aber zu mehr Blattmasse Wildtyp 35S-PIP

8 Wurzelquerschnitt

9 Caspary scher Streifen und Endodermis kontrollieren die Stoffaufnahme

10 Welche Konsequenz hat die Endodermis für den Transport von Wasser und gelösten Stoffen? apoplastisch symplastisch

11 Wie kommen die gelösten Stoffe in das Xylem? Die Antwort: Transferzellen im Xylemparenchym der Wurzel

12 Leitgewebe - Xylem Hier findet der Ferntransport von der Wurzel zum Spross / Blatt statt.

13 Wasserpotentialgradienten zwischen Boden, Pflanze und Atmosphäre treiben den Transpirationssog an

14 Guttation Die Guttation wird durch Wurzeldruck getrieben

15 Experiment zur Messung von Wurzeldruck Messung des Anstiegs der Wassersäule über die Zeit Nullpunkt mit Wasser gefüllte Pipette Gummischlauch Silikonschlauch Wurzelhalsstumpf +ATP Wasser steigt schneller + KCN Wassersäule nimmt nicht zu 30 C Wasser steigt schneller 10 C Wasser steigt sehr langsam

16 A. Makronährelemente (> 20 mg/l): Pflanzliche Ernährung C,O,H, N*, S, P, K, Ca, Mg, Fe (Ausnahme nur ca. 6 mg/l) Aufnahme aus der Aufnahme als gelöste Stoffe *Ausnahme: N 2 Luft als CO 2 bzw. H 2 O aus dem Boden B. Mikronährelemente (< 0.5 mg/l): Mn, B, Zn, Cu, Mo, Cl Aufnahme als gelöste Stoffe aus dem Boden C. Spurenelemente (werden nur in geringsten Mengen und auch nicht von allen Pflanzen benötigt): Na, Se, Co, Ni, Si Aufnahme aus dem Boden

17 Pflanzen brauchen Nährstoffe zum Wachsen Alle Nährstoffe außer Kalium vorhanden -K +K

18 Nährstoffmangel

19 Stickstoff-Kreislauf

20 Zusammenhang zwischen N- und C-Ernährung und Wachstum

21 Beeinflussung der N-Gehalte in Blättern

22 Wo wird in der Pflanze Stickstoff fixiert? Vakuole NO 3 - NO 2 - NO 3 - NO - NO NO - reduktase 2 NH + 4 Nitratreduktase AS Mesophyllzelle Chloroplast NO 2 - NH 4 + Nitritreduktase AS NO 3 - Amid Xylem Vakuole Wurzelzelle NO 3 - Amid Leukoplast Amid Nitrit- Nitratreduktase NO 3 - Boden

23 Nitratassimilation in grünen Zellen Elektronentransportkette Warum ist die N-Assimilation kompartimentiert?

24 Regulation der Nitratreduktase Glucose (andere Kohlenhydrate) Licht Nitrat Cytokinin Nitratreduktase inaktiv Nitratreduktase- Gen -- + ATP Proteinkinase ADP+ Pi Ser-O-P Inhibitorprotein Nitratreduktase Nitratreduktase Glutamin (andere Aminosäuren) aktiv Ser-OH + aktiv Ser-O-P Pi Proteinphosphatase

25 In nicht-grünen Plastiden werden die Reduktionsäquivalente für die Nitritreduktion durch den oxidativen Pentosephosphat-Weg zur Verfügung gestellt 2 Triosephosphat Oxidativer Pentosephosphatweg Triosephosphat Triosephosphat Fructose-1,6-bisphosphat 3 Ribulose- 5-phosphat 3 Glucose- 6-phosphat Glucose-6- phosphat Fructose-6- phosphat 6 NADPH 6 NADP Leukoplast +3 CO 2 NO 2 - NH 4 + Nitritreduktase Cytosol

26 Der Glutamat-Synthetase Zyklus Übertragung des Ammonium-Stickstoffs auf α-ketosäuren

27 Transaminierungsreaktion Hierdurch wird die Synthese weiterer Aminosäuren katalysiert

28 Aminosäurefamilien und ihre Herkunft Familie Vertreter Genese

29 Carnivore Pflanzen kommen an ihre Nährstoffe durch den Verdau von Insekten Insbesondere die N- aber auch C-Versorgung wird so gedeckt.

30 Bessere Stickstoffversorgung durch Symbiosen mit Bakterien

31 Stickstoff-Fixierung in Rhizobien Aufnahme der Kohlenhydrate in die Bakteroide Ausschleusen von NH 3 in die Wirtszelle

32 Die Nitrogenase

33 Die Nitrogenase ist sauerstoffempfindlich O 2 Leghämoglobin hat ca. 10x höhere Affinität zu O 2 als menschliches Hämoglobin! Leghämoglobin und O 2 - impermeable Zellschicht halten den O 2 -Spiegel in Knöllchen niedrig, so dass Nitrogenase nicht inaktiviert wird. Gleichzeitig transportiert es O 2 zu Bakterien um intensive Atmung zu ermöglichen ATP-Bildung!

34 Leghämoglobin bindet Sauerstoff in den Wurzelknöllchen N 2 Fixierung benötigt microanaerobe Bedingungen! Das Schlüsselenzym der N 2 Fixierung - der Nitrogenase-Komplex - wird durch O 2 irreversibel inhibiert! Deshalb ist das Knöllchen räumlich organisiert. Die Proteinkomponente des Knöllchen-Leghämoglobins wird von der Pflanze gebildet (nur wenn 'infiziert'). Das Häm (Porphyrinring) wird von den Bakterien gebildet! Transgene Pflanze - defekt in Leghämoglobin- Synthese: Sauerstoffgehalt in den Knöllchen erhöht, Enzym Nitrogenase nicht mehr nachweisbar Durch Fehlen von Leghämoglobin kann O 2 in Knöllchen nicht mehr abgepuffert werden keine Nitrogenase-Synthese Fehlen der Nitrogenase Stickstoffmangel

35 Nitrogenase findet man auch in den Heterocysten der Cyanobakterien Vegetative Zelle O 2 PSI + II N 2 O 2 Nur PSI! H 2 O O 2 Heterocyste Vor von außen eindringendem Sauerstoff schützt die Heterocysten eine extra aufgelagerte Zellwandschicht aus Glycolipid - und Polysaccharidschichten, deren Schichtdicke sich dem Sauerstoffgehalt der Umgebung anpasst. Der Sauerstoff entwickelnde Teil der Photosynthese (Photosystem II) ist in Heterocysten nicht aktiv. Photosystem I arbeitet jedoch, und kann daher, - neben der Atmung - im Licht dazu beitragen, den sehr hohen Energiebedarf (ATP) der Nitrogenase zu gewährleisten.

36 Auch Symbiosen mit Pilzen sorgen für eine verbesserte Nährstoffzufuhr der Pflanzen Mykorrhizen

37 Nährstoffaustausch bei der Mykorrhiza P N P N C

38 Schwefelassimilation in Pflanzen SO 4 2- Mesophyllzelle SO 4 2- Chloroplast SO 4 2- SO 3 2- Vakuole Cystein Cystein S 2- SO 4 2- Xylem Vakuole SO 4 2- SO 4 2- Die gesamte Reaktionskette findet im Chloroplasten statt. Die Sulfatreduktion besteht aus zwei Reaktionsschritten. SO 4 2- Boden

39 Reduktion von Sulfat zu Sulfid und Einbau des Schwefels in die Aminosäure Cystein Methionin

40 Das Tripeptid Glutathion enthält Cystein

41 Phytochelatine sind wichtig für die Komplexierung von Schwermetallen Phytochelatine sind aus Glutathion aufgebaut Glu Cys Gly Metalle werden durch die SH-Gruppen gebunden