1.) Welche Aufgaben spielen Cutin, Wachs und Suberin während der Abwehr von abiotischen und biotischen Stressoren?

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1 Kapitel 13 1.) Welche Aufgaben spielen Cutin, Wachs und Suberin während der Abwehr von abiotischen und biotischen Stressoren? Die Hauptaufgabe von Cutin, Wachs und Suberin ist es, Wasser drinnen und Pathogene draussen zu halten. Die Kutikula bildet eine Barriere für Wasser, da sie hydrophob ist. Sie kann aber nicht alles Wasser zurückbehalten. Ein Teil geht immer verloren. Viele Pathogene wie Bakterien und Pilze können durch die Kutikula abgewehrt werden. Es gibt aber Pathogene, insbesondere Pilze, die direkt mechanisch durch die Kutikula penetrieren können oder diese mittels Cutinase auflösen können. Mit Suberin verschliesst die Pflanzen auch Wunden, die für Infektionen sehr gefährdet sind. 2.) Es gibt drei Hauptgruppen von pflanzlichen Sekundärmetaboliten, phenolische Verbindungen, N-haltige Sekundärmetabolite und Terpene. Beschreiben und vergleichen Sie die Biosynthesewege und geben Sie Beispiele für unterschiedliche Funktionen dieser Metabolite? Die drei Hauptgruppen werden von der Pflanze alles aus dem primären Kohlenstoff Metabolsimus hergestellt. Terpene werden aus Acetyl-CoA oder Pyruvat und G3P hergestellt. Als wichtiges Intermediat tritt das Isopentyl-diphosphat IPP auf. Phenolische Verbindungen werden auch über zwei Synthese Wege hergestellt. Der erste Weg heisst shikimic acid pathway und wandelt einfache Produkte der Glykolyse und der Pentosephosphat Zyklus in aromatische Aminosäuren um, welche dann als Vorgänger der wichtigen Verbindungsklasse der Phenylpropanoiden fungieren. Für den Aufbau weitere Phenoloide wird Malonsäure (über Malonyl-CoA) verwendet. Mittels diesen beiden Synthesewegen können komplexe phenolische Verbindungen wie Flavone aufgebaut werden. Aus den Aminosäuren kann die Pflanze N-haltige Sekundärmetabolite erzeugen. Die Synthese Wege für die N-haltigen und phenolischen Sekundärmetaboliten kreuzen sich. Vor allem werden Intermediate in der Synthese der phenolischen Sekundärmetaboliten für die N- haltigen verwendet. Die Synthese der Terpene läuft davon unabhängig ab. Beispiele: N-haltige Verbindungen: Abwehr von Fresser durch Gifte wie cyanogene Glykoside (entsteht Blausäure!), AS Strukturanaloga, Alkaloide Phenolische Verbindungen: Abwehr von Bakterien durch Isoflavonide. Tannin als Fressgift und Geschmacksverderber. Terpene: Menthol und Limonene als Abwehr gegen Fressinsekten. Pflanzensteroide die bei Insekten als Häutungshormon wirken mit oft tödlichen Folgen.

2 3.) Cyanogene Glykoide werden von einer Reihe von Pflanzen zur Abwehr von bestimmten biotischen Stressoren eingesetzt. Welche Reaktionen werden dabei von der Pflanze initiiert und welche bioaktiven Substanzen werden generiert. Das Cyanogene Glykoid befindet sich in einem anderen Kompartiment oder in einer anderen Zelle als die Glycosidase. Tritt eine Verletzung des Gewebes (z.b. durch Fressen) auf gelangen das Enzym und das Glykoid zusammen und die hochgiftige Blausäure (HCN) wird freigesetzt, welche die Atmungskette des Fressfeindes blockiert. 4.) In einigen Pflanzen wurde ein neuartiges Signalsystem gefunden, bei dem während der Wundreaktion z.b. nach Insektenfrass ein Peptidhormon freigesetzt wird. Welche Antworten werden im Verlauf der Wundreaktion initiiert, wie wird das Wundsignal innerhalb der Pflanze geleitet und welche Moleküle werden schliesslich zur Abwehr der Frassfeine von der Pflanze eingesetzt. In Blättern wird bei Verwundung Prosystemin synthetisiert welches proteolytischen in Systemin umgewandelt wird. Der Rezeptor spaltet nun Lipide und setzt Linolensäure frei. Diese wird in das allgemeine Stresshormon Jasmonsäure umgewandelt. Jasmonsäure löst nun eine Signalkette mit viel Wirkung aus. Einerseits wird werden Proteinase Inhibitoren transkribiert und des weiteren Terpene und Alkaloide zur Abwehr synthetisiert.

3 5.) Welche Rolle spielt die Jasmonsäure während der Wundreaktion. Woher stammt sie und was löst sie aus. Jasmonsäure ist eine Art second messenger der Wundreaktion. Bei dieser wird Linolensäure freigesetzt, welche in Jasmonsäure umgewandelt wird. Jasmonsäure ist das Substrat für Genregulatorproteine und aktiviert die Gene für die Abwehrmechanismen der Pflanze.

4 Fragen Pflanzenbiologie; Apel Kapitel 13/25 Fragen 6-11 Frage 6) (Antworten aus: Formen der Resistenz: + präformierte Resistenz (passive oder konstitutive Resistenz): strukturelle und chemische Barrieren, die bereits vor der Infektion eines Pathogens vorliegen. + induzierte Resistenz (aktive Resistenz): strukturelle und chemische Barrieren, welche erst nach der Infektion durch ein Pathogen gebildet werden. Strukturell: + strukturell induzierte Barrieren: Papillenbildung: Zellwandverdickung um potentielle Eintrittsstellen des Erregers. Hauptbestandteile sind Callose, sowie Suberin, Pektin, Lignin und Cellulose. Ein Pilz kann Callose wegen der β-(1,3)-glykosidischen Bindung nicht degradieren + Trenngewebe und Thyllen stellen eine Möglichkeit der histologischen Demarkation dar. Mit Hilfe von Kark- und Kallusbarrieren oderanderen gummiartigen Substanzen werden Erreger eingeschlossen und abgestossen + Vermehrte Bildung von Zellwandproteinen. Hierbei handelt es sich häufig um Hydroxyprolinreiche Glykoproteine (z.b. Extensin). Es gibt hierbei eine Verstärkung der Zellwand Chemisch: + Phytoalexine: niedermolekulare, antimikrobiell wirkende Verbindung; Von der Wirtspflanze synthetisiert. Nachdem die Wirtszelle mit dem Pathogen in Kontakt getreten ist, akkumulieren dort die Phytoalexine Phytoalexine sind strukturell sehr heterogen in den versch. Pflanzen und entstammen verschiedenen Stoffgruppen. Die Wirkungsweise beruht oft auf dem lipophilen Charakter der Phytoalexine. Sie können dadurch Prozesse kontrollieren, welche die Membranpermeabilität beeinflussen. Ein anderer Mechanismus beruht auf der Fähigkeit mancher Phytoalexine zur Radikalbildung. Durch die freien Radikale aknn es zur Inaktivierung von Proteinen, DANN und Zellwand kommen. + Pathogenesis Related Proteins: verschiedene hadrolytische Proteine, die nach einem Erregerbefall auftreten. Vor dem Befall sind sie eigentlich nicht nachweisbar. Die PR-Proteine bilden eine heterogene Gruppe von kleinen säurestabilen Proteinen. Es gibt hierbei 5 Familien. Bsp: fungale Invasion: Glucanase und Chitinase, welche den Pilz angreifen. + oxidativer burst: hierbei kommt es postinfektionell zu einem starken Anstieg an aktiven Sauerstoffspezies (H2O2,.OH, O2.). Diese Verbindungen lösen starke Polymerisierungsreaktionen aus und sie wirken schädigend auf Enzyme, DNA und Membrankomponenten. Dieser oxidative burst wird durch eine hypersensitive Antwort ausgelöst. Schlussendlich stirbt die Wirtszelle mitsamt dem Wirt (Nekrose, im Resultat jedoch nicht unähnlich der Apoptose). Erkennung der Pathogene: Die Erkennung eines Pathogens durch den Wirt erfolgt durch spezifische Erkennungsmerkmale der potentiellen Krankheitserreger, sogenannte Elizitoren. Man unterscheidet exogene Elizitoren, also fremder Substanzen, und endogene Elizitoren, Fragmente von Substanzen der Wirtspflanze selbst, die durch das Pathogen erzeugt wurden. Die PflanzenResistenz-Gene (R Gene) kodieren meist für Rezeptoren, welche diese Elizitoren spezifisch erkennen und einen Signaltransduktionsweg auslösen. Die R Gene haben eine Leu-reiche Domäne, welche exakt 7 mal im Protein vorkommt. Diese dient wahrscheinlich der Bindung zum Elizitor, sowie der Pathogenerkennung. Dazu sind die R Gen-Produkte so, dass sie Verteidigungs-Signaltransduktionswege initiieren können. Einige Produkte haben zusätzlich noch Kinasen und Nukleotidbindungsstellen. R-gen-Produkte sind nicht nur an einem Ort in der Pflanzenzelle, sondern teilweise an der Membran oder im Cytosol (wenn ein Pathogen in die Zelle eingedrungen ist). Die Spezifität ist determiniert durch die Interaktion zwischen den Produkten der R-Gene der Pflanze sowie durch die avr-gene (Avirulenz-Gene) des Pathogens, welche spezifische Elizitoren kodieren. Ein Hauptschritt in der signalübertragung: Einfluss von Ca2+ und H+, sowie Ausfluss von K+ und Cl-.

5 Dieser Anstieg an Ca2+ verursacht wahrscheinlich den oxidativen burst als direkte Defensive, sowie weitere Signalübertragung. Andere Komponenten der Signaltransduktion beinhalten: nitric oxid, MAP- Kinasen, Kalziumabhängige Kinasen,Jasmonsäure und Salicylsäure. Frage 7) Pflanzen-Pathogen(biotroph)-Interaktionen; kompatibel-inkompatibel Resistenzgen der Pflanze und Virulenz/Avirulenz-Gen des Pathogens. Benutzung der Gen-für-Gen-Hypothese für die Interaktionstypen. (Antwort aus Gen-für-Gen-Hypothese: (siehe unten) Pflanze (Wirt) Pathogen Interaktion Resistent Avirulent Inkompatibel Anfällig (suszeptibel) Virulent Kompatibel Pflanze Avr avr Pathogen R r Funktionales Avirulenzgen Nicht-funktionales Avirulenzgen Funktionales Resistenzgen Nicht-funktionales Resistenzgen Ursachen für Nichtfunktionalität: R/Avr-Gen nicht vorhanden, mutiert. Bzw. r/avr-gene sind funktional, jedoch nicht korrespondierend. Pathogen Avr avr Pflanze R Inkompatibel Kompatibel r Kompatibel kompatibel Gen-für-Gen-Hypothese mit kompatibeln und inkompatibeln Interaktionen. avr= virulent bei allen Kombinationen wird die Pflanze angefallen Avr= avirulent bei Interaktionen mit einem funktionalen Resistenz-Gen wird die Pflanze nicht angefallen. Wenn eine kompatible Interaktion stattfindet, braucht das Bakterium die Pflanze als Nährboden (fakultativ oder obligat). Frage 8) Necrotrophe Bakterien und Toxine. Interaktionstypen mit Pflanzen anhand Gen-für-Gen-Hypothese. (Antworten von Aninas Unterlagen) Ist glaub ich dasselbe, einfach dass bei kompatiblen Interaktionen das befallene Pflanzenegewebe abgetötet wird und womöglich die ganze Pflanze stirbt. Pathogen Tox tox Pflanze RR ; Rr Inkompatibel Inkompatibel rr Kompatibel Inkompatibel Frage 9) Salicylsäure für lokale und systematische Resistenz gegen Pathogene.

6 Systematische Resistenz: Salicylsäure als Botenstoff in weiterentfernte Pflanzenteile? Beschreibung des Pfropfversuches in transgenen Tabakpflanzen revidiert diese Vorstellung Beschreibung: Antwort aus Die SA-Hydroxylase überführt die SA in das nicht aktive Catechol (=Benzcatechin)

7 Das Hellgrüne ist der Wildtyp und das Dunkelgrüne nahg-transformiert Frage 10) Definition von Stress (nach plant physiology Anhang): Nachteiliger Einfluss auf eine Pflanze von externen biotischen oder abiotischen Faktoren, wie Infektion, Hitze, Wasser, Anoxie. Gemessen in Relation zu Pflanzenüberleben, Ernteausbeute, Biomassenakkumulation, oder CO 2 -Aufnahme Frage 11) Stressumgehung mit Adaption und Acclimation. Erklärung und Beispiele. (aus Vorlesungsnotizen von Anina und Taiz-Zeiger) Adaption (genetisch fixiert): fortlaufende Selektion toleriert oder wehrt Angriffe ab. Beispiele: + Kakteen Sprossbereich als H 2 O-Spender + Wasserbeibehaltseffizienz: CAM oder C 4 -Pflanzen + Für Hitzeresistenz: Antworten, welche die Lichtabsorption senken, wie Blatteinrollen. Akklimatisierung (zeitlich begrenzt): Stresstoleranzstrategie: Vorübergehende Entwicklung von Eigenschaften. (Cross-Tolerance: Pflanzen welche einen Stress durch Akklimatisierung besser tolerieren, tolerieren auch einen verwandten Stress besser, weil die Stresse ähnliche Eigenschaften teilen.) Beispiele:

8 + Hitzestress: Behandlung mit erhöhter Hitze lässt Pflanzen eher bei Hitzesituationen überleben (Erneuerung unmöglich, schnellerer zweiter Aufbau) + Bei Hitzestress; eine metabolische Akklimatisierung ist die Akkumulation von GABA. Während Hitzestress wird das GABA-level 6 bis 10 mal höher. Die möglichen Funktionen von GABA bei Hitzestress sind in Untersuchung. + bei frostigen Begebenheiten ist es ebenfalls besser, wenn man die Pflanzen an Kälte aussetzt, ohne sie zu verletzen. Die Kältetoleranz wird dann erhöht. Die Akklimatisierung wirkt, indem bei kalten Zeiten die desaturase Enzyme mehr ungesättigte Fettsäuren für die Membran erzeugen, sodass die Membran länger in einem flüssigen Zustand bleibt. Allgemeine Begriffe: Nekrotrophie - abtöten des Gewebes der Wirtszelle, leben auf totem Pflanzenmaterial Biotrophie - wachsen und ernähren auf lebenden Pflanzen + fakultativ (nur vorübergehend auf lebenden Wirtszellen) + obligat (angewiesen auf lebendes Pflanzengewebe) Gen-für-Gen-Hypothese: Die Gen-für-Gen-Hypothese basiert auf dem Schlüssel-Schloss-Prinzip. Für jedes Resistenz-Schloss des Wirtes muss beim Pathogen ein passender Pathogenitäts-Schlüssel vorhanden sein, um die pflanzliche Abwehr zu überwinden. Ist kein Schloss vorhanden, so wird auch kein Schlüssel benötigt, da ja keine Abwehr zu überwinden ist. Beim Vorhandensein eines Schlosses oder mehrerer Schlösser muss für jedes einzelne Schloss ein passender Schlüssel vorhanden sein, damit es zu einer Besiedlung des Wirtes kommt. Fehlt bei mehreren Schlüssel-Schloss-Kombinationen nur ein Schlüssel, so ist der Wirt resistent. Beim Pathogen können mehrere Schlüssel vorhanden sein als beim Wirt Schlösser, der Wirt kann dennoch befallen werden, solange für jedes Schloss ein Schlüssel vorliegt. Bisher gibt es keine Evidenzen für einen Generalschlüssel, der jedes Schloss öffnen kann. Auf molekularer Ebene lässt sich das Gen-für-Gen-Modell wie folgt darstellen. Die meisten Resistenz- Gene der Pflanze sind dominant, die Gene für Anfälligkeit rezessiv. Beim Pathogen dagegen sind die Gene für Avirulenz dominant und die Virulenz-Gene rezessiv. Welche Auswirkungen die Kombinationen von Resistenz/Anfälligkeits und Virulenz/Avirulenz Genen auf die Wirt-Pathogen-Beziehung hat, wird im Quadratic Check ermittelt. Nur beim Aufeinandertreffen eines dominanten Resistenz-Gens und eines dominanten Avirulenz-Gens kommt es zu einer spezifischen Resistenz-Reaktion. Bei allen anderen Kombinationen (Resistenz-Gen--Virulenz-Gen, Anfälligkeits-Gen--Avirulenz-Gen, Anfälligkeits-Gen-- Virulenz-Gen) liegt eine kompatible Interaktion vor und die Pflanze ist anfällig.

9 Antworten auf Apelfragen über das Kapitel (Marian Kehl) Kapitel Definieren sie bitte einen Photorezeptor: Phytochrom: Ein pflanzenwachstumsregulierendes Photorezeptorprotein, das vor allem Rotlicht und dunkelrotes Licht absorbiert, aber auch Blaulicht; das Holoprotein, das das Chromophor Phytochromobilin enthält. (Blaulichtrezeptoren:Cryptochromes, Phototropine und Zeaxanthin.) Phytochrom ist eine Protein-Kinase. In Bakterien ist es eine lichtabhängige Histidin-Kinase, die als Sensor-Protein funktioniert und so ein korrespondierendes Antwort-Regulatorisches- Protein phosphoryliert. Bei höheren Pflanzen ist es eine Serin/Threonin-Kinase 2. Was unterscheidet die Photomorphogenese von der Skotomorphogenese (Etiolement). Wie lässt sich die biologische Rolle dieser unterschiedlichen Entwicklungsstrategien erklären? Photomorphogenese: im Licht gewachsene Keimlinge: kurze Hypokotyle, grüne Blätter, voll entfaltete Keimblätter. Biologische Rolle: Da Licht vorhanden: Strategie nach möglichst viel Photosynthese ausrichten, sprich, Keimblätter entfalten nicht möglichst hoch wachsen. Skotomorphogenese: im Dunkeln gewachsene Keimlinge: ungewöhnlich lange Hypokotyle, keine grüne Farbe, kaum entwickelte Keimblätter. Biologische Rolle: Da kein Licht vorhanden: keine Photosynthese möglich. Also meint der Keimling, sie ist noch unter der Erde und will möglichst rasch ins Licht wachsen, um Photosynthese zu betreiben. Deshalb die ungewöhnlich langen Hypokotyle. 3. Wie wurde die Photoreversibilität des Phytochromsystems entdeckt. Gibt es Lichtbedingungen, bei denen 100 % des Phytochroms in der aktiven Form vorliegt? Wenn ja, bei welcher Wellenlänge? Wenn nein, warum nicht? Entdeckung: Es wurde festgestellt, dass die Keimung von einigen Samen durch rotes Licht stimuliert wurde und durch dunkelrotes Licht gehemmt. Photoreversibilität: Phytochrome können in einer Rotlicht- oder Dunkelrotlicht-Form auftreten (Pr der Pfr). Die Pr-Form absorbiert hauptsächlich rotes Licht und verwandelt sich damit in die Pfr-Form. Umgekehrt absorbiert die Pfr-Form dunkelrotes Licht und verwandelt sich so zurück in die Pr-Form. Keine Form kann je zu 100% vorliegen. Bei reiner Dunkelrotbestrahlung, müsste man meinen, dass nun alles Pfr in Pr verwandelt wird. Das ist aber nicht so, da auch Pr dunkelrotes Licht absorbieren kann, wenn auch nur ganz wenig und sich so zu Pfr zurückverwandelt. Verhältnis 97:3 %. Das gleiche gilt für eine totale Rotlicht-Bestrahlung. Pfr kann durch Rotlicht in Pr zurückverwandelt werden.

10 4. Wie bestimmt man ein Aktionsspektrum und wozu benützt man es? Ein Aktionsspektrum zeigt auf, wie gross die Antwort eines biologischen Systems auf Licht einer bestimmten Wellenlänge ist. Graph Antwort-Rate (je nach dem was genau untersucht wird, z.b. O 2 Evolutionsrate) als Funktion der Wellenlänge. Aktionsspktren dienen zum Beispiel der Identifizierung von Chromophoern (Pigmenten), die für ein bestimmtes, licht-induziertes Phänomen verantwortlich sind. Bestimmung: Ein Aktionsspektrum wird bestimmt, in dem man eine Antwort auf Licht (z.b. O 2 Evolution) als Funktion der Wellenlänge aufträgt. Die Pflanze wird mit Licht bestrahlt, das durch ein Prisma ins die verschiedenen Wellenlängen aufgespaltet wird, bevor es auf die Pflanze trifft und dann wird die Antwort-Rate bei jeder Wellenlänge gemessen. (Methode nach T.W. Engelmann) 5. Beschreiben sie den Unterschied zwischen Phytochrom A und den Phytochromen B-E. Phytochrom A = Typ I Phytochrom Phytochrom B E = Typ II Phytochrom In Keimlingen, die im Dunkeln gewachsen sind befinden sich ca. 9x so viel Typ I Phytochrome wie Typ II. In Keimlingen, die im Licht gewachsen sind befindet sich etwa gleich viel Typ I wie Typ II. Die Pfr-Form von PfrA (kodiert durch PHYA) ist instabil, im Gegensatz zu den kodierten phyb durch phye Proteinen, die in der Pfr-Form stabiler sind. (Typ II) In Monocoten: Das PHYA-Gen wird in Dunkelheit-Keimlingen exprimiert, seine Expression wird aber im Licht stark gehemmt. PHYA mrna Pr Pfr Antwort Die Antwort hemmt die Transkription von PHYA zu mrna!! Ausserdem ist die mrna im Licht sehr instabil und das PfrA ist ja auch instabil und wird leicht mit Ubiqutin gekennzeichnet zum Abbau durch Proteasome. In Dicoten: Das PhyA-Level sinkt im Licht ebenfalls als ein Resultat der Proteolyse, aber nicht so drastisch wie in Monocoten. Bei den Typ II Phytochromen findet keine Hemmung der PHYE-Transkription statt wegen der ausgelösten Antwort von Pfr. Pfr ist ausserdem stabil und wird nicht mit Ubiquitin gekennzeichnet. Ebenfalls ist die mrna im Licht stabil und wird deshalb nicht abgebaut.

11 6. Bei phytochromabhängigen Reaktionen werden folgende Typen unterschieden: very low fluence response (VLFR), low fluence response (LFR), high irradiance response (HIR). Bitte diese Begriffe kurz zu erlätern. Warum nennt man die HIR high irradance response und nicht high fluence response? VLFR: Phytochrom-Antworten die initiiert werden können durch ganz kleine Lichteinstrahungsmengen, hier Fluence!! Fluence = die Anzahl Photonen die auf eine Einheit Oberfläche auftreffen. Pfr ist die aktive Form dieser Antwort. Sie sättigen bei ungefähr 0.05 µmol/m µmol/m -2 Revertierung nicht möglich, weniger als 0.01 Pfr LFR: Andere Phytochrom-Antworten können wiederum nicht initiiert werden bis die Fluence nicht 1.0 µmol/m -2 Sie sind gesättigt bei 1000 µmol/m µmol/m -2 Revertierung möglich Das LFR-Absorptionsspektrum beinhaltet den Haupt-Stimulationspeak in der Rotlicht-Region (660 nm) und den Haupt-Hemmungspeak in der dunkelrot-licht-region (720 nm) VLFR und LFR könnenauch induziert weren durch nur ganz kurze Lichtimulse, wenn die totale Menge von Energie die benötigt wird dabei zugeführt werden kann. Reziprokationsgesetz: je heller das Licht, desto weniger lang muss die Einstrahlung sein um eine Antwort zu induzieren und umgekehrt. VLFR und LFR gehorchen diesem Gesetz. HIR: HIRs benötigen eine dauerhafte Bestrahlung mit Licht von ziemlich hoher Intensität. Sie werden high irradiance response genannt weil sie proportional sind zur Irradiance und nicht zur Fluence (Sie sind proportional zur Helligkeit des Lichts). Sie gehorchen also nicht dem Reziprokationsgesetz. Revertierung nicht möglich (nur bei Dauerbestrahlung und wenn die Lichtintensität x grösser ist als der Lichtpuls.). Sie sättigen bei mindestens 100x höheren Fluencen als LFR. Aktivitäts-Hauptpead liegt im dunkelroten Bereich des Spektrums.

12 1 Ingrid Imhof Apel Kapitel 17 Fragen ) Bei der Entdeckung verschiedener Photorezeptoren spielten die hy- Mutanten von Arabidopsis eine wichtige Rolle. Bitte erklären Sie diese Aussage. Bislang sind mindestens 8 verschiedene hy-mutanten beschrieben worden, die unter Weisslicht alle einen gleichen Phänotyp erzeugen. Wie kann man feststellen, dass diese hy-mutationen über verschiedene Gene wirken? During the discovery of different photoreceptors hy-mutants of Arabidopsis played an important role. Please explain this statement. So far more than 8 different hy-mutants have been described, that phenotypically are indistinguishable when grown under white light. How is it possible to confirm experimentally that these hy-mutations affect different genes? Experimente mit verschiedenen Mutationen in den Phytochrom-Genen (phy) haben gezeigt, dass die verschiedenen Mutanten unterschiedlich auf die verschiedenen Wellenlängen des Lichts reagierten. Verschiedene Mutationen erzeugten verschiedene Phänotypen. Man hat die verschiedenen Mutanten miteinander gekreuzt. Der F1 Typ hatte einen anderen Phäntypen als seine Eltern, was darauf hinweist, dass die beiden Elterntypen in unterschiedlichen Genen mutiert waren. Phytochrom kann in einer rotlicht-absorbierenden Form Pr oder in einer far-red light-absorbing form Pfr auftreten. In weissem Sonnenlicht kommen alle sichtbaren Wellenlängen vor. Unter diesen Bedingungen sind beide Pr und Pfr angeregt und die Phytochrome zyklisieren ständig zwischen diesen beiden Formen. Pfr ist die physiologisch aktive Form vom Phytochrom. In Wildtyp Pflanzen wird das Hypocotylwachstum stark durch weisses Licht gehindert, und das Phytochrom ist einer der Photorezeptoren der daran beteiligt ist. Mutanten die trotz kontinuierlicher Bestrahlung mit weissem Licht ein Hypocotylwachstum zeigten wurden hy-mutanten genannt. Die hy-mutanten sind Mutanten der Arabidopsis Pflanze die nicht Phytochrome synthetisieren können. 8) Unter welchen Anzuchtsbedingungen konnten Phytochrom A und Phytochrom B Defektmutanten identifiziert werden? Under which growth conditions was it possible to identify mutants with a defect in phytochrome A and/or phytochrome B? Es gibt zwei Arten von Phytochromen Typ I und Typ II. Aufgrund der Expressionsmuster, konnten die Produkte der Mitglieder der PHY Genfamilie als Typ I oder Typ II Phytochrom klassifiziert werden. Solange die Pflanzen im Dunkeln wachsen ist das PHY A Gen aktiv, d.h. es kann PHYA mrna nachgewiesen werden und es wird PrA synthetisiert. Sobald die Pflanze belichtet wird, verschwindet die PHY mrna sehr schnell, da sie unstabil ist. Die PrfA Form, durch PHY A Gen kodiert (PrA -> rotes Licht -> PrfA), ist unstabil und wird durch Proteolyse abgebaut, zudem inhibiert PrfA die Transkription von PHYA. Die restlichen PHY Gene (PHY PHYE) kodieren für die Typ II Phytochrome.

13 2 Diese Phytochrome kommen in Pflanzen die im Dunkeln (etolierte Pfl.)wachsen, sowie in solchen die mit Licht bestrahlt werden, vor. Die Expression ihrer mrna wird nicht signifikant vom Licht beeinflusst, d.h. ihre mrna kann immer nachgewiesen werden. In den original hy-mutanten konnte nur die phyb Genmutation gefunden werden. Man nahm an, dass phya der Photorezeptor ist für die Wahrnehmung von kontinuierlichem dunkelroten Licht, d.h. phya Mutanten würden darauf nicht reagieren und bei der Bestrahlung mit diesem Licht lang und dünn werden. Aber auch Mutanten die keine Chromophore haben würden so aussehen, da phya dunkelrotes Licht nur detektieren kann wenn es mit dem Chromophor zusammen ist (=holophytchrom). Um nun phya Mutanten zu isolieren, hat man, unter dunkelrotem Licht bestrahlte, gross gewachsene Keimlinge anschliessend unter kontinuierlichem rotem Licht wachsen lassen. Ein phya Mutant kann unter diesen Bedingungen normal weiterwachsen, nicht aber eine Mutante die kein Chromophor und somit auch kein funktionelles phyb hat. Diese antwortet nicht. Diese isolierten phya Mutanten zeigten keinen offensichtlichen Phänotypen, wenn sie unter normal weissem Licht aufgezogen wurden => phya spielt also keine wahrnehmbare Rolle in der Wahrnehmung des weissen Lichtes. 9) Das Aktionsspektrum der HIR für die Hemmung des Hypokotyllängenwachstums bei etiolierten Salat-Keimlingen zeigt ein Maximum im Dunkelrot-Bereich bei etwa 720 nm und mehrere Gipfel im UVA/Blaulichtbereich. Vergleichen Sie das Aktionsspektrum dieses HIR bei etiolierten Keimlingen mit dem von lichtadaptierten grünen Keimlingen. Sind sie gleich oder unterschiedlich? Bitte erklären. The HIR action spectrum for the inhibition of hypocotyl elongation of etiolated lettuce seedlings shows a maximum of 720 nm and several maxima in the UVA/blue light region of the spectrum. Compare the HIR spectra for the inhibition of hypocotyl elongation of etiolated seedlings with that of light-adapted green seedlings. Are they identical or different? Explain. Die Spektren zeigen bei welchen Wellenlängen des Lichtes die Pflanzen eine Inhibierung des Hypocotylwachstums zeigen. HIR Aktionsspektrum für die Inhibierung von Hypocotylverlängerung bei etiolierten Salat-Keimlingen: Figur 17.9 S.385 Maximum im Dunkelrot-Bereich, bei etwa 720 nm und mehrere Gipfel im UVA/Blaulichtbereich. HIR Aktionsspektrum für die Inhibierung von Hypcotylverlängerung von lichtadaptierten Keimlingen: Figur S.385. Maximum im Rot-Bereich, bei etwa 680 nm und 610 nm Sobald die Keimlinge anfangen zu grünen wird die Wahrnehmung von dunkelrotem Licht sehr verringert, d.h. sie verlieren ihre Empfindlichkeit für das

14 3 dunkelrote Licht. Dies hat damit zutun, dass der Pool aus lichtempfindlichen Typ I Phytochromen, der vor allem aus PHY A besteht, fast leer ist. Das heisst also, dass das HIR der etiolierten Keimlinge für dunkelrotes Licht durch PHY A vermittelt wird und das HIR der grünen Keimlinge für rotes Licht durch Typ II Phytochrom B und wahrscheinlich noch andere. Für die Peaks im UV-A/Blaulichtbereich haben Tests mit Mutanten ergeben, dass dafür nicht Phytochrome verantwortlich sind, sondern wahrscheinlich die Blaulichtrezeptoren CRY1 und CRY2. 10) Eine der auffälligsten phytochromabhängigen Reaktionen lichtangepasster Pflanzen ist die shade avoidance Reaktion. Wie lässt sich die Rolle des Phytochroms bei dieser Reaktion experimentell nachweisen? Welches der Phytochrome ist beteiligt? One of the most striking phytochrome-dependent reactions of light-adapted plants is the shade avoidance reaction. Which experiment could reveal the role of phytochrome during this reaction? Which of the phytochromes is involved? Eine wichtige Funktion der Phytochrom ist, dass sie den Schatten, den andere Pflanzen auf sie werfen, spüren können. Pflanzen die ihr Stängelwachstum aufgrund von Schatten erhöhen, führen die so genannte shade avoidance response aus. Je mehr Schatten auf die Pflanze fällt, desto mehr dunkelrotes Licht trifft die Pflanze. Somit wird also mehr Pfr zu Pr umgewandelt und das Verhältnis R:FR sinkt. Als Sonnepflanzen (Pflanzen die normalerweise auf einem offenen Feld wachsen) mit natürlicher Strahlung behandelt wurden um den dunkelrot Anteil zu variieren, fand man heraus, dass, je höher der dunkelrote Anteil des Lichtes war, desto schneller wuchs der Stängel. Der induzierte Schatten und der damit verbundene höhere Anteil an dunkelrotem Licht hat die Pflanzen dazu veranlasst eine höhere Rate des Stängelwachstums zu induzieren. In Schattenpflanzen hingegen konnte man nur eine kleine/gar keine Reduktion der Stängelwachstumsrate erkennen, als sie höheren R:FR Werten (d.h. Abnahme des Schatten, mehr Licht) ausgesetzt wurden. Es scheint also eine systematische Verbindung zu geben zwischen dem durch Phytochrom kontrollierten Wachstum und dem Habitat der Spezies. Das heisst, dass Phytochrome in der Wahrnehmung des Schattens involviert sind. Phytochrom B ist für die shade avoidance response verantwortlich, denn es reguliert das Hypocotylwachstum in Antwort auf dunkelrotes Licht. Wahrscheinlich sind aber auch andere Phytochrome daran beteiligt

15 4 11) Das Wirkungsspektrum der HIR für die Hemmung des Hypokotyllängenwachstums etiolierter Keimlinge zeigt im Rotlichtbereich ein Maximum von etwa 720 nm, das eindeutig vom Absorbtionsmaximum des Phytochroms bei etwa 660 nm verschieden ist. Dieser Unterschied würde normalerweise auf zwei verschiedene Photorezeptoren mit unterschiedlichen Absorptionsmaxima hinweisen. Trotzdem wird die beschriebene HIR auf das Phytochrom zurückgeführt. Geben Sie bitte Gründe an. The HIR action spectrum for the inhibition of hypocotyl elongation of etiolated seedlings shows a maximum in the red light range of approx. 720 nm, which is clearly distinct from the absorption maximum of phytochrome at 660 nm. Normally this would implicate the existence of two different photoreceptors with distinct absorption maxima. However, the HIR described above has been attributed to phytochrome. Please explain why. HIR = Phytochromantwort der dritten Art. HIR s brauchen anhaltende kontinuierliche Bestrahlung durch relative starke Strahlung. Für HIR s ist der Hauptpeak der Aktivität zwischen dem Absorptionsmaximum von Pr und Prf, und es gibt auch Peaks in der blauen und UV-A Region. Aber es gibt keinen Peak in der Region des roten Lichtes, was ungewöhnlich ist für ein Phytochrom. Durch Versuche an Mutanten konnte gezeigt werden, dass ein Blaulicht/UV-A Photorezeptor verantwortlich ist für die Peaks im Blaulicht und im UV-A Bereich. In Studien an Setzlingen, die mit HIR beleuchtet wurden, wurde beobachtet, dass die Fähigkeit auf far red light zu reagieren sehr schnell abnimmt sobald die Pflanze anfängt zu grünen. Im Allgemeinen weisen Pflanzen im HIR Spektrum für die Inhibierung des Hypocotylwachstums einen einzigen Hauptpeak in der Region des roten Lichtes auf. Dies hat damit zu tun, dass die Pflanze ihr Typ I Phytochrom (phy A) verliert, denn dieses wird durch roteslicht abgebaut. Das heisst, dass das HIR von etiolierten Setzlingen durch phya übermittelt wird, das HIR (auf far red light) von grünen Setzlingen hingegen durch Typ II Phytochrome wie phy B und wahrscheinlich noch andere.

16 Kap. 17.: 12) Während der Samenkeimung zeigen Phytochrome A und B eine antagonistische Rolle bei der Lichtkontrolle. Beschreiben Sie bitte die Rolle von Phytochrom A und Phytochrom B für Keimlinge, die an einem beschatteten Standort wachsen. (S. 390) Phytochrom A induziert De-Etoilation bei einer Bestrahlung von 720nm (im IR Bereich). Die De- Etoilation ist ein HIR, d.h. die Antwort ist maximal bei einem Verhältnis Pfr-A = 2 %. Phytochrom B ist nur dann in der Lage De-Etoilation zu induzieren, wenn es in Pfr-Form vorliegt (d.h. Bestrahlung mit Rotlicht). Da PhyA im Licht unstabil ist, wird die Antwort bald vom PhyB- System übernommen. Im Schatten wird die Pr-Form des PhyB dominieren, was eine Aufhebung der Hinderung der Stammelongation zur Folge hat. (PhyA zeigt keine Aufhebung der Hinderung der Stammelongation.) Also: PhyA ist verantwortlich für die Keimung und De-Etoilation, während PhyB erst nachher die Antwort übernimmt und Stammelongation induziert. (Diese Reaktion ist Teil der shadeavoidance-reaction siehe Kap.17 Frage 12) Kap. 18 1) Bei der Identifizierung von Blaulichtphotorezeptoren spielten Mutanten von Arabidopsis eine wichtige Rolle. Nennen Sie bitte diese Mutanten und bescheiben Sie deren Phänotyp. hy4-mutant: Keine Blaulicht-stimulierte Hemmung der Hypokotylverlängerung. Das hy4-protein wurde in Cryptochrom 1unbenannt. nhp1- Mutant: (=non phototrophic hypocotyl) Keine phototropische Antwort im Hypkotyl bei schwacher Bestrahlung (= kein Wachstum des Hypokotyl in Richtung Blaulicht) Aber normale Hemmung des Hypokotyllängenwachstum. Nur rudimentärerer Chloroplasten-Akkumulation-Response (Chloroplasten-Wanderung an die Oberfläche, bei schwacher Beleuchtung) Der nhp-mutant wurde in phot1-mutant umbenannt phot2-mutant: Keine Chloroplasten avoidance-response (Chloroplasten wandern an den Rand der Zellen, bei zu starker Bestrahlung) phot1/phot2-doppelmutant: Weder Chloroplasten avoidance-, noch accumulationresponse. Keine Phototropische Antwort des Hypokotyl, auch bei starkem Licht. npq1-mutant: (non photochemical quenching) keine Akkumulation von Zeaxanthin in Guardzellen und Chloroplasten. 2) Die folgenden Reaktionen von Pflanzen werden durch Blaulicht reguliert: Hemmung des Hypokotyllängenwachstums, Stomataöffnung, Phototropismus, Chloroplastenverteilung innerhalb der Zelle. Welche

17 dieser Reaktionen werden durch Phototropine und welche durch Cryptochrome reguliert? Hemmung des Hypokotyllängenwachstum: Cryptochrom Stomata-Öffnung: Phototropin (phot1; phot2) Phototropismus: Phototropin (phot1; phot2) Chloroplastenverteilung: Phototropin (phot1; phot2) 3) Vergleichen Sie bitte Phototropine und Cryptochrome und beschreiben Sie Gemeinsamkeiten und Unterschiede. S. 413/14/15/17 Crytochrom: Homologie zur Photolyase: Initierung der Transduktionskaskade durch Reduktion eines Flavin-Chromophors durch Licht. cry1 und cry2 akkumuliern im Zellkern und sind in die Genregulation involviert. Inhibition der Stammelongation Phototropin: C-Terminal: Serin/Threonin-Kinase, N-Terminal: Signaling, bindet FMN, welches durch Blaulicht an ein Cystein bindet und dadurch eine blaulichtstimulierte Autophosphorylierung auslöst, welche dann eine Transduktionskaskade auslöst. Es erfolgt eine Interaktion mit PhyA. Phototropismus; Stomata-Öffnung; Chloroplastenverteilung 4) Zeaxanthin wurde als möglicher Photoreceptor diskutiert. Welche Aufgabe erfüllt es normalerweise und warum kann es inzwischen als Photorezeptor ausgeschlossen werden? S.137/Notizen Aufgaben von Zeaxanthin: Zeaxanthin ist am effektivsten in der Hitzedissipation: Viol. Ant. Zea. bei Licht, umgekehrt bei Dunkelheit. Es ist involviert im photochemischen Quenching: Voilaxanthin wird bei starker Bestrahlung zu Antheraxanthin, und dieser dann zu Zeaxanthin. Wahrscheinlich sind es die Konformtionsänderungen und die Protonenaufnahme von Zeaxanthin, die zum Quenchin führen. Zeaxanthin ist auch ein Intermediat in der Biosynthese von ABA. Es wurde als Photorezeptor diskutiert, weil die Konzentration von Zeaxanthin stark korrelierte mit dem Stomata-Zustand, der Aktivität der Guardzellen sowie der Blaulicht-Sensibilität. Nun ist klar, dass alle Effekte einfach auf starke Bestrahlung zurück zu führen sind. Inzwischen kann es als Photorezeptor ausgeschlossen werden, weil die Doppelmutante phot1/phot2 für die Stomata-Öffnung verantwortlich gemacht werden kann. Dies hat man mit der Doppelmutante phot1/phot2 herausgefunden.

18 17-1 Definieren sie bitte einen Photorezeptor: Phytochrom: Ein pflanzenwachstumsregulierendes Photorezeptorprotein, das vor allem Rotlicht und dunkelrotes Licht absorbiert, aber auch Blaulicht; das Holoprotein, das das Chromophor Phytochromobilin enthält. (Blaulichtrezeptoren:Cryptochromes, Phototropine und Zeaxanthin.) Phytochrom ist eine Protein-Kinase. In Bakterien ist es eine lichtabhängige Histidin-Kinase, die als Sensor- Protein funktioniert und so ein korrespondierendes Antwort-Regulatorisches-Protein phosphoryliert. Bei höheren Pflanzen ist es eine Serin/Threonin-Kinase 17-2 Was unterscheidet die Photomorphogenese von der Skotomorphogenese (Etiolement). Wie lässt sich die biologische Rolle dieser unterschiedlichen Entwicklungsstrategien erklären? Photomorphogenese: im Licht gewachsene Keimlinge: kurze Hypokotyle, grüne Blätter, voll entfaltete Keimblätter. Biologische Rolle: Da Licht vorhanden: Strategie nach möglichst viel Photosynthese ausrichten, sprich, Keimblätter entfalten nicht möglichst hoch wachsen. Skotomorphogenese: im Dunkeln gewachsene Keimlinge: ungewöhnlich lange Hypokotyle, keine grüne Farbe, kaum entwickelte Keimblätter. Biologische Rolle: Da kein Licht vorhanden: keine Photosynthese möglich. Also meint der Keimling, sie ist noch unter der Erde und will möglichst rasch ins Licht wachsen, um Photosynthese zu betreiben. Deshalb die ungewöhnlich langen Hypokotyle Wie wurde die Photoreversibilität des Phytochromsystems entdeckt. Gibt es Lichtbedingungen, bei denen 100 % des Phytochroms in der aktiven Form vorliegt? Wenn ja, bei welcher Wellenlänge?Wenn nein, warum nicht? Entdeckung: Es wurde festgestellt, dass die Keimung von einigen Samen durch rotes Licht stimuliert wurde und durch dunkelrotes Licht gehemmt. Photoreversibilität: Phytochrome können in einer Rotlicht- oder Dunkelrotlicht-Form auftreten (Pr der Pfr). Die Pr-Form absorbiert hauptsächlich rotes Licht und verwandelt sich damit in die Pfr-Form. Umgekehrt absorbiert die Pfr-Form dunkelrotes Licht und verwandelt sich so zurück in die Pr-Form. Keine Form kann je zu 100% vorliegen. Bei reiner Dunkelrotbestrahlung, müsste man meinen, dass nun alles Pfr in Pr verwandelt wird. Das ist aber nicht so, da auch Pr dunkelrotes Licht absorbieren kann, wenn auch nur ganz wenig und sich so zu Pfr zurückverwandelt. Verhältnis 97:3 %. Das gleiche gilt für eine totale Rotlicht- Bestrahlung. Pfr kann durch Rotlicht in Pr zurückverwandelt werden Wie bestimmt man ein Aktionsspektrum und wozu benützt man es? Ein Aktionsspektrum zeigt auf, wie gross die Antwort eines biologischen Systems auf Licht einer bestimmten Wellenlänge ist. Graph Antwort-Rate (je nach dem was genau untersucht wird, z.b. O 2 Evolutionsrate) als Funktion der Wellenlänge. Aktionsspktren dienen zum Beispiel der Identifizierung von Chromophoern (Pigmenten), die für ein bestimmtes, licht-induziertes Phänomen verantwortlich sind. Bestimmung: Ein Aktionsspektrum wird bestimmt, in dem man eine Antwort auf Licht (z.b. O 2 Evolution) als Funktion der Wellenlänge aufträgt. Die Pflanze wird mit Licht bestrahlt, das durch ein Prisma ins die verschiedenen Wellenlängen aufgespaltet wird, bevor es auf die Pflanze trifft und dann wird die Antwort-Rate bei jeder Wellenlänge gemessen. (Methode nach T.W. Engelmann) 17-5 Beschreiben sie den Unterschied zwischen Phytochrom A und den Phytochromen B-E. Phytochrom A = Typ I Phytochrom Phytochrom B E = Typ II Phytochrom In Keimlingen, die im Dunkeln gewachsen sind befinden sich ca. 9x so viel Typ I Phytochrome wie Typ II. In Keimlingen, die im Licht gewachsen sind befindet sich etwa gleich viel Typ I wie Typ II.

19 Die Pfr-Form von PfrA (kodiert durch PHYA) ist instabil, im Gegensatz zu den kodierten phyb durch phye Proteinen, die in der Pfr-Form stabiler sind. (Typ II) In Monocoten: Das PHYA-Gen wird in Dunkelheit-Keimlingen exprimiert, seine Expression wird aber im Licht stark gehemmt. PHYA mrna Pr Pfr Antwort Die Antwort hemmt die Transkription von PHYA zu mrna!! Ausserdem ist die mrna im Licht sehr instabil und das PfrA ist ja auch instabil und wird leicht mit Ubiqutin gekennzeichnet zum Abbau durch Proteasome. In Dicoten: Das PhyA-Level sinkt im Licht ebenfalls als ein Resultat der Proteolyse, aber nicht so drastisch wie in Monocoten. Bei den Typ II Phytochromen findet keine Hemmung der PHYE-Transkription statt wegen der ausgelösten Antwort von Pfr. Pfr ist ausserdem stabil und wird nicht mit Ubiquitin gekennzeichnet. Ebenfalls ist die mrna im Licht stabil und wird deshalb nicht abgebaut Bei phytochromabhängigen Reaktionen werden folgende Typen unterschieden: very low fluence response (VLFR), low fluence response (LFR), high irradiance response (HIR). Bitte diese Begriffe kurz zu erlätern. Warum nennt man die HIR high irradance response und nicht high fluence response? VLFR: Phytochrom-Antworten die initiiert werden können durch ganz kleine Lichteinstrahungsmengen, hier Fluence!! Fluence = die Anzahl Photonen die auf eine Einheit Oberfläche auftreffen. Pfr ist die aktive Form dieser Antwort. Sie sättigen bei ungefähr 0.05 µmol/m µmol/m -2 Revertierung nicht möglich, weniger als 0.01 Pfr LFR: Andere Phytochrom-Antworten können wiederum nicht initiiert werden bis die Fluence nicht 1.0 µmol/m -2 Sie sind gesättigt bei 1000 µmol/m µmol/m -2 Revertierung möglich Das LFR-Absorptionsspektrum beinhaltet den Haupt-Stimulationspeak in der Rotlicht-Region (660 nm) und den Haupt-Hemmungspeak in der dunkelrot-licht-region (720 nm) VLFR und LFR könnenauch induziert weren durch nur ganz kurze Lichtimulse, wenn die totale Menge von Energie die benötigt wird dabei zugeführt werden kann. Reziprokationsgesetz: je heller das Licht, desto weniger lang muss die Einstrahlung sein um eine Antwort zu induzieren und umgekehrt. VLFR und LFR gehorchen diesem Gesetz. HIR: HIRs benötigen eine dauerhafte Bestrahlung mit Licht von ziemlich hoher Intensität. Sie werden high irradiance response genannt weil sie proportional sind zur Irradiance und nicht zur Fluence (Sie sind proportional zur Helligkeit des Lichts). Sie gehorchen also nicht dem Reziprokationsgesetz. Revertierung nicht möglich (nur bei Dauerbestrahlung und wenn die Lichtintensität x grösser ist als der Lichtpuls.). Sie sättigen bei mindestens 100x höheren Fluencen als LFR. Aktivitäts-Hauptpead liegt im dunkelroten Bereich des Spektrums Welche Aussenbedingungen kontrollieren den Blühzeitpunkt? Photoperiode (Tageslänge), Vernalisation (kalte Temperaturen), aber auch die gesamte Lichteinstrahlung und das Wasservorkommen Beschreiben Sie bitte das Experiment mit dem erstmals Garner und Allard den Einfluss der Photoperiode auf die Blütenbildung bestimmen konnten. Eine Tabakmutante, Maryland Mammoth, konnte im Sommer nicht blühen, im Winter (dh die Tageslängen des Winters, die Pflanze stand jedoch im Treibhaus, damit sie nicht frieren muss) blühte sie. Sie blühte ebenfalls im Sommer, als man die Pflanze in einem lichtundurchlässigen Zelt aufbewhrte und nur von nachmittags bis am morgen der Sonne aussetzte, und so die Tageslängen verkürzte Wo findet die Perzeption des Lichtes statt, das zur Blühreduktion (im Vergleich mit der englischen Frage muss das eher Blütenproduktion heissen) führt?

20 Der photoperiodische Stimulus wird in den Blättern hergestellt. Wahrgenommen wird das Licht von Phytochromen Die Blühkontrolle durch die Photoperiode findet vor allem bei Pflanzen statt, die oberhalb, bzw unterhalb der 40sten Breitengrade wachsen. Geben Sie eine Begründung. Beim Äquator scheint die Sonne konstant zwölf Stunden pro Tag. Je näher man zu den Polen geht, desto mehr Sonnenstunden gibt es im Sommer und desto weniger Sonnenstunden gibt es im Winter. Wie im Tierreich (Winterschlaf, Sommer- und Winterfell, etc) hat sich die Pflanzenwelt (Blühinitiation, asexuelle Fortpflanzung, Bildung von Speicherorganen, etc) auf diese Situation eingetellt. Da der Unterschied zwischen Winter und Sommer näher bei den Polen immer grösser wird, spielen diese Anpassungen eine stärkere Rolle (beim Äquator sind alle Tage gleich lang, die Photoperiode kann also keine entscheidende Rolle spielen) Mit welchen Experimenten wurde das Florigen -Konzept unterstützt? Pflanzen, bei welchen die Blühung nicht induziert war, wurden durch die Transplantation auf Sprosse oder Blätter von Pflanzen, bei welchen die Blühung photoperiodisch induziert war, zum Blühen stimuliert. Die photoperiodischen Voraussetzungen (SDP, LDP oder DNP) spielten dabei keine Rolle, der Blühstimulus scheint überall derselbe zu sein Giberellinsäure wurde zeitweilig als ein Kandidat für das Florigen angesehen. Warum? Welche Experimente sprechen gegen eine solche Rolle des Phytohormons? GA haben einen grossen Einfluss auf das Blühen, da sie zb die Expression des LFY-Gens aktivieren. Dennoch kann man GA als Florigen ausschliessen, da neben dem GA pathway auch andere pathways zum Blühen benötigt werden. Eine Mutation der GA-Biosynthese in der LDP Arabidopsis thaliana hat zur Folge, dass die Pflanze in nicht-induzierenden kurzen Tagen nicht mehr blüht, in langen Tagen jedoch nur eine kleine Veränderung im Blühverhalten zeigt. Dieser Versuch demonstriert, dass endogenes GA nur in gewissen Situtationen zum Blühen benötigt wird.

21 7) Wie konnten Photorezeptoren identifiziert werden, die an der Perzeption der Photoperiode beteiligt sind? How was it possible to identify photoreceptors that are involved in the perception of the photoperiod? Durch Night Break Experimente, fand man heraus, dass Phytochrome die Hauptphotorezeptoren der Photoperiode sind. Man fand auch heraus, dass Blau-Licht Rezeptoren am Blühen beteiligt sind. Mit Hilfe einer hy1 Mutante ( Phytochrom Mangel) wurde herausgefunden, dass sowohl Phytochrome als auch Blau- Licht Rezeptoren an der Kontrolle der Photoperiode beteiligt sind. Dazu wurde die hy1 Mutante zuerst mit weissem Licht bestrahlt. Diese hatte eine gleich lange Periode wie der Wildtyp. Unter Rotlicht wurde die Periode aber signifikant verlängert, hingegen bei Blaulicht geschah nichts. 8) Die Bedeutung der Photoperiode wurde am Beispiel der Blühkontrolle deutlich. Ist die Wirkung der Photoperiode auf diesen Entwicklungsprozess beschränkt? The importance of the photoperiod became evident during the analysis of the flowering process. Is the effect of the photoperiod restricted to this developmental step? Nein, die Photoperiode hat auch Auswirkungen auf Blüteninduktion, nicht-sexuelle Vermehrung, die Bildung von Speicherorganen und der Beginn der Winterruhe.

22 9) Die Kontrolle der Pflanzenetwicklung durch die Photoperiode ist eng mit der Aktivität der circadianen Uhr bei Pflanzen verknüpft. Wie konnte diese Verknüpfung experimentell aufgedeckt werden? Wie lässt sich die Wirkung der circadianen Uhr in Pflanzen nachweisen? The photoperiodic control of plant development is intimately connected with the activity of the circadian clock of plants. How was it possible to reveal experimentally this intimate interaction? How is it possible to demonstrate the importance of the circadian clock in plants? Die Messung der Nachtlänge ist zentral für die photoperiodische Zeitmessung. Diese hängt von einem endogenen circadianen Oszillator ab. Die Aufgabe der Photoperiode besteht darin, die Phase des Rhythmus so ein zu stellen, dass die Dauer der Dunkelheit gemessen wird. In dem man den Effekt eines night breaks auf das Blühen einer Pflanze misst, konnte man die Verknüpfung zwischen Photoperiode und circadianen Uhr feststellen. Z.B. wenn man Soyabohnen (Kurztagespflanzen) von einer 8h Lichtperiode in eine 64h Dunkelperiode transferiert, zeigt die Antwort des Blühens auf den night break einen circadianen Rhythmus. Starke Unterstützung der Uhr Hypothese 10) Bitte erklären Sie folgende Begriffe, mit denen Besonderheiten der circadianen Uhr beschrieben werden: Periode, Amplitude, Phase, Zeitgeber, freilaufende Rhythmik, synchronisierte Rhythmik. Please explain the following terms that describe characteristics of the circadian clock: period, amplitude, phase, zeitgeber, free-running rhythm, entrained rhythms. Periode: Zeit zwischen zwei entsprechenden Punkten im Zyklus (zwischen 2 Maxima oder 2 Minima) Amplitude: Wird aus dem Abstand zwischen Minimum und Maximum berechnet. Sie kann bei konstanter Periode schwanken. Phase: Abschnitte im Zyklus, die man durch die Beziehung zum Rest des Zyklus kennzeichnen kann. Die wichtigsten Phasenpunkte sind Minimum und Maximum.

23 Zeitgeber: Umweltsignale, die einen endogenen Oszillator auf einen 24h Rhythmus synchronisieren. Freilaufende Rhythmik: Rhythmus, den die Pflanze ohne Zeitgeber haben würde z.b. bei Dauerdunkelheit ( Circadian periode, die charakteristisch für die entsprechende Pflanze ist) Synchronisierte Rhythmik: Rhythmus, der durch einen Zeitgeber synchronisiert wurde z.b. Helligkeitsübergänge morgens und abends 11) Erklären Sie bitte die genetische Kontrolle der Blütenbildung bei Arabidopsis mit Hilfe des ABC-Modells. Welche Rolle spielen dabei die apetala 2, apetala 3, pistillata 2 und agamous 1 Mutanten. Wie konnte durch verschiedene Kombinationen dieser Mutanten das ABC- Modell erstellt werden? Please describe the genetic control of flower formation of Arabidopsis using the ABC-model. What is the importance of the apetala 2, apetala 3, pistillata 2 and agamous mutants? How could various combinations of these mutants allow one to formulate the ABC model? ( s. auch Frage 25 bei Gruissem!!!!!) Das ABC Modell erklärt die Determination der Blütenorgane. Dieses Modell wurde vorgeschlagen, um zu zeigen, wie homöotische Gene die Organidentität kontrollieren. Das ABC- Modell geht davon aus, dass die Organidentität in jedem Wirtel von einer spezifischen Kombination von 3 Blütenorganidentitätsgenen bestimmt wird. Diese Blütenorganidentitätsgene konnten mit Hilfe von homöotischen Mutationen identifiziert werden. Viele dieser Gene gehören zu den MADS-Box Genen. 5 unterschiedliche Gene bestimmen bei Arabidopsis die Identität der Blütenorgane: APELATA1 (AP1), APELATA2 (AP2), APELATA (AP3), PISTILLATA (PI), AGAMOUS (AG) Mutation in AP2: Fruchtblätter anstelle von Kelchblätter und Staubblätter anstelle von Kronenblätter (Kelch- und Kronenblätter fehlen)

24 Mutation in AP3 und PI: Mutation in AG: Kelchblätter anstelle von Kronenblätter im 1. Wirtl und Fruchtblätter anstelle von Staubblätter im 3. Wirtl Staub- und Fruchtblätter fehlen Diese homöotischen Gene werden 3 Klassen zugeordnet- Typ A,B und C- die für 3 unterschiedliche Aktivitätsformen stehen. - Typ A: kontrolliert die Organidentität im 1. und 2. Wirtel. Ist die Aktivität eines Gens des Typ A blockiert, (codiert durch AP1 und AP2), entsteht im 1. Wirtel Fruchtanstelle von Kelchblättern und im 2. Wirtel Staub- anstelle von Kronenblättern - Typ B: kontrolliert die Organidentität im 2. und 3. Wirtel. Ist die Aktivität eines Gens des Typ B blockiert, (codiert durch AP3 und PI), entstehen im 2. Wirtel Kelchanstelle von Kronenblättern und im 3. Wirtel Frucht- anstelle von Staubblättern - Typ C: kontrolliert die Organidentität im 3. und 4. Wirtel. Ist die Aktivität eines Gens des Typ C blockiert, (codiert durch AG), entstehen im 3. Wirtel Kron- anstelle von Staubblättern und im 4. Wirtel entsteht eine neue Blüte (bei AG Mutante nur Kelchblätter) Nur Typ A ist aktiv Kelchblätter Typ A und B sind aktiv Kronenblätter Typ B und C sind aktiv Staubblätter nur Typ C ist aktiv Fruchtblätter Das Modell geht davon aus, dass sich Typ A und C gegenseitig hemmen.