Botanik der Nutzpflanzen

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1 Botanik der Nutzpflanzen Kurs 1 Kurs 2 Kurs 3 Kurs 4 Kurs 5 Kurs 6 Kurs 7 Kurs 8 Kurs 9 Kurs 10 9.Apotom Kurs 11 Kurs 12 Wozu Botanik der Nutzpflanzen? Pflanzliche Zellen. Was nutzen wir (1)? Was nutzen wir (2)? Pflanzliche Inhaltsstoffe Grüne Gentechnik, Evolution der Nutzpflanzen und Globalisierung Pflanzliche Gewebe 1: Meristeme. Parenchyme. Leitgewebe. Pflanzliche Gewebe 2: Abschlussgewebe. Exkretionsgewebe. Pflanzliche Organe. Aufbau der Pflanze. Metamorphosen. Generative Entwicklung: Blüte. Samen. Frucht. Biodiversität 1: Hauptgericht: Poaceae, Fabaceae, Solanaceae Biodiversität 2: Beilagenteller: Brassicaceae, Asteraceae, Rosaceae Biodiversität 3: Genuss: Rubiaceae, Vitaceae, Lauraceae Biodiversität 4: Heilung: Apiaceae, Lamiaceae, Zingiberaceae

2 Botanik der Nutzpflanzen 2: Was nutzen wir (1)?. Der rote Faden durch die Vorlesung Konzepte Praxis Anwendung Food or Fuel? Photosynthese Speicherung: Biologie und Chemie Assimilationsparenchyme Speicherparenchyme Speicherorgane Energiepflanzen der Zukunft

3 Konzepte: Food or Fuel? Energiepflanzen Die moderne Zivilisation beruht auf der intensiven Nutzung von Energie. Der Vorrat an fossilen Brennstoffen und Uran ist begrenzt. Kohle,GasundÖlsindBiomasse,die im Karbon gebildet wurden. Ein klassischer Zielkonflikt: nachwachsende Rohstoffe könnten helfen, die Klimaerwärmung zu stoppen, aber konkurrieren mit dem Anbau von Nahrungsmitteln. Biosprit gegen Welthunger so wird es in der Presse gerne dargestellt. Aber stimmt das so? Ihre Freisetzung in der Jetztzeit zerstört die Balance des Kohlenstoff- Kreislaufs und führt zur globalen Erwärmung. Energiepflanzen:nursovielCO 2, wie zuvor gebunden war.

4 Konzepte: Food or Fuel? Energiepflanzen Schon 2009 stammten weltweit etwa 20 % der Energieerzeugung aus nachwachsenden Rohstoffen. Biokraftstoffe erste Generation: Leicht nutzbar, Stärke und Fette/Öle Biokraftstoffe zweite Generation: Cellulose (bislang nur durch Verbrennung oder Umwandlung in Biogas). Die energetische Nutzung von Pflanzen nimmt immer mehr zu. Genutzt wird der photosynthetisch gebundene Kohlenstoff. Neben Stärke und Fetten/Ölen wird die Energie vor allem auch in Form von Cellulose gespeichert. Die Ausbeute ist jedoch noch optimierbar. Wirkungsgrad der Umwandlung von Sonnenenergie in Biomasse hängt davon ab, wie wirkungsvoll Photosynthese und Speicherung ablaufen.

5 Konzepte: Food or Fuel? Energiepflanzen Bei der Energiebilanz muss man auch Düngung berücksichtigen Stickstoff-Dünger ist energetisch sehr teuer, weil eine Dreifachbindung geknackt wird. Die Erzeugung von Biosprit auf Ackerland ist daher problematisch, die Bildung von Biomasse auf Grenzertragsflächen ist daher langfristig nachhaltiger. Zwei Wege der Biomassenutzung. Bioethanol aus dem Zuckerrohr (Saccharum officinale L.) in Brasilien (erste Generation) und Biogas aus Sudangras (Sorghum sudanense L.) in Deutschland (zweite Generation) nutzen letztendlich Glucosepolymere(Stärke bzw. Cellulose). Problem dabei: Cellulose ist weit schwieriger zu nutzen als Stärke, obwohl sie ebenfalls energiereiche Glucoseresten enthält.

6 Konzepte: Photosynthese Womit alles beginnt: Photosynthese In der Summe wird mithilfe der Sonnenenergie Kohlendioxid zu Glucose reduziert und Wasser zu Sauerstoff oxidiert: Dieser Vorgang ist jedoch in räumlich getrennte Schritte aufgeteilt: Lichtreaktion: in der Thylakoidmembran wird mithilfe von zwei Chlorophyllen Wasser gespalten und die entstehenden Protonen+Elektronen auf den CofaktorNADP + übertragen,wodurchenergeireiches NADPH entsteht. Dunkelreaktion: im Stroma wird die Energie des NADPH dazu genutzt, um Kohlendioxid zu Kohlehydraten zu reduzieren (Calvinzyklus)

7 Konzepte: Photosynthese Die Solarzelle des Lebens: Chlorophyll Chlorophyll besteht aus zwei Teilen: polarer Porphyrinring (mit Mg im Zentrum) mit konjugierten Doppelbindungen (delokalisiertes π- Elektronensystem, daher leicht anregbar). apolarer Phytolschwanz(lipophil), der das Molekül in der Thylakoidmembran verankert. Chlorophyll in Lichtsammelkomplexen in der Membran, die Absorptionsmaxima unterscheiden sich(bedingt durch die Lipidumgebung der Membran), im Zentrum des Komplexes sitzen die Chlorophylle mit der niedrigsten Anregungsenergie: nach Belichtung Strom zum Zentrum. Mit Chlorophyllen assoziiert: Antennenpigmente, fangen überschüssige Anregung ab(z.b. Carotinoide)

8 Konzepte: Photosynthese Die Lichtreaktion Die beiden Photosynthese sind gemeinsam mit anderen Proteinen zu einer Ladungskette zusammengefasst. An deren Anfang wird Wasser gespalten (Photosystem II), an deren Ende wird NADP + zu energiereichem NADPH reduziert (Photosystem I). Ausserdem wird der entstehende Protonengradient (viel Protonen im Thylakoid-Innenraum, wenig Protonen im Stroma) genutzt, um energiereiches ATP herzustellen.

9 Konzepte: Photosynthese Die Lichtreaktion Wie entsteht der Protonengradient? PS II: Bei Spaltung von Wasser werden im Thylakoidinneren 2 Protonen erzeugt, 2 Elektronen werden von Plastoquinon abgefangen. Diese werden auf Plastocyanin übertragen (ein Proton wird erzeugt). PS I: Bei Übertragung Elektronen auf Ferredoxin und Bildung von NADPH werden im Stroma 2 Protonen verbraucht.

10 Konzepte: Photosynthese ATP-Synthese Der Protonengradient wird zur Erzeugung von energiereichem ATP eingesetzt. Dies geschieht durch die ATP-Synthase, im Grunde ein Kanal, durch den die Protonen ins Stroma zurückfliessen. Dieser Strom wird dazu genutzt, ADP + Phosphat über eine Konformationsänderung zusammenzuzwingen.

11 Konzepte: Photosynthese Eigentlich ein Elektromotor Die ATP-Synthase entstand eigentlich aus dem Motor der bakteriellen Geißel. Der Motor der Bakteriengeißel: Hier wird ein Protonengradient direkt in mechanische Energie umgesetzt. Ein fixes Lager (Stator) wechselwirkt mit einem beweglichen Rotor.

12 Konzepte: Photosynthese Wie funktioniert ATP-Synthese? Der Stator ist die F 0 -Einheit, der Rotor ist das F 1 - Köpfchen. Jedes Mal, wenn ein Proton ins Stroma zurückfliesst, dreht sich der Rotor um ein Drittel weiter. Dadurch wird das im aktiven Zentrum gebundene ADP mit dem Phosphat zusammengebracht und die Bindung geknüpft. Die ATP-Synthase ist also ein Elektromotor, bei dem aber die Bewegung sofort in chemische Energie (ATP) weiterverwandelt wird.

13 Konzepte: Speicherung - Chemie und Biologie Dunkelreaktion Der Protonengradient der Lichtreaktion wird zur Erzeugung von ATP eingesetzt. Gleichzeitig entsteht energiereiches NADPH(Reduktionsequivalent). Der (energiereiche) reduzierte Wasserstoff und das (energiearme) Kohlendioxid können an einen C5- Körper gehängt werden, so dass ein C6-Körper(Glucose) entsteht. Dunkelreaktion der Photosynthese. Die Fixierung des Kohlenstoffs ist räumlich und zeitlich von der Spaltung des Wassers getrennt. Die Wasserspaltung ist lichtabhängig und findet in den Thylakoiden statt, die Bindung von Kohlendioxid findet im Stroma statt und braucht kein Licht. Dies findet in einem regenerativen Kreislauf(Calvin-Zyklus) statt.

14 Konzepte: Speicherung - Chemie und Biologie Fixierung des Kohlenstoffs Im Calvinzyklus wird Kohlendioxid an den C5-Körper Ribulose-1,5- bisphosphat(rubis) gehängt. Damit entsteht ein C6-Körper, der dann in 2 Phospho-Glycerat- Moleküle(also 2 x C3) zerfällt. Aus mehreren solcher C3-Körper wird dann im zweiten Teil des Calvinzyklus 1 Molekül Glucose und 1 Molekül Rubis gebildet. RubisCo. Das zentrale Enzym ist die Ribulose-1,5-bisphosphat carboxylase. Sie bindet das Kohlendioxid an einen C5-Körper, so dass ein C6-Körper entsteht (der jedoch sofort in 2 C3-Körper zerfällt). Diese Reaktion ist der Kern der Energiebindung. RubisCo ist das häufigste Protein auf unserem Planeten. Glucose zweigt vom Zyklus ab und geht in die Energiespeicherung, die Rubis bleibt im Zyklus und nimmt ein neues Kohlendioxidmolekül auf.

15 Konzepte: Speicherung - Chemie und Biologie Ein Enzym mit Webfehler RubisCo als Carboxylase RubisCo als Decarboxylase Die zwei Seiten der RubisCo. Sie kann nicht nur als Carboxylase wirken und damit Kohlendioxid binden, sie kann auch die Gegenrichtung katalysieren und in Gegenwart von Sauerstoff als Decarboxylase wirken. Dieser Webfehler begrenzt den Wirkungsgrad der Photosynthese sehr. In Gegenwart von Sauerstoff kann RubisCo Rubis zu einem C3- und einem C2-Körper veratmen. Diese Photorespiration spielt vor allem bei wenig CO 2 und viel O 2 eine Rolle. Bei der Photorespiration entsteht giftiges 2-Phosphoglycolat, das in einem energiezehrenden Abbauweg unschädlich gemacht werden muss. Was soll das? RubisCoisteinsehraltesEnzym es stammt aus der Zeit, bevor es Sauerstoff gab (der entstand ja erst durch die Photosynthese )

16 Konzepte: Speicherung - Chemie und Biologie C4-Pflanzen Strategien zur Unterdrückung der Photorespiration sind vor allem bei viel Licht und geringem Kohlendioxidgehalt wichtig. Der Trick bei der C4-Photosynthese: Pep-Carboxylase bindet Kohlendioxid weit besser als die RubisCo. Es entsteht ein C4-Körper (Oxalacetat), der in Malat umgewandelt wird. Das Malat ist die Transportform, worüber das Kohlendioxid in die Zellen gebracht wird, wo die RubisCo arbeitet. C4-Pflanzen: Dunkelreaktion und Lichtreaktion in verschiedene Zellen aufgetrennt. Der Sauerstoff aus der Lichtreaktion entsteht daher in einem Zelltyp, die Bindung von Kohlendioxid durch die RubisCo in anderen. Ausserdem wird das Kohlendioxid durch ein anderes Enzym gebunden und aufkonzentriert.

17 Konzepte: Speicherung - Chemie und Biologie Kranz-Anatomie C4-Pflanzen: charakteristische Unterschiede in Cytologie und Anatomie(diagnostisch wertvoll): Chloroplastendimorphismus: in den RubisCo-haltigen Zellen fehlen Grana (keine Lichtreaktion!), Grana nur in den RubisCo-freien. Kranzanatomie: Zellen mit RubisCo sitzen in einem Kranz (kurzer Weg der entstehenden Zucker bis zum Abtransport). Morphologie von C4-Pflanzen: Chloroplastendimorphismus und Kranzanatomie zeigen an, dass die untersuchte Pflanze eine C4-Photosynthese benutzt. Die Lichtreaktion und die Dunkelreaktion der Photosynthese sind auf verschiedene Zellen verteilt. Viele Getreide (aber nicht alle!) sind C4-Pflanzen. Oft C3 und C4-Pflanzen in einer Gruppe, man kann also oft die Arten zuordnen.

18 Konzepte: Speicherung - Chemie und Biologie Stärke Dunkelreaktion: viele Moleküle Glucose, die durch die Membran erst einmal gefangen sind. Dadurch käme es zur Osmose (Einstrom von Wasser) und dem Anschwellen der Zelle. Polymerisierung unter Wasserabspaltung: Zucker wird in Speicherform gebracht. Konformationen von Zuckern: Die Hydroxylgruppe kann nach unten oder nach oben zeigen, was bei der Polymerisierung die Struktur bestimmt. Zeigt sie nach unten (α-position), drillt sich die Kette schraubig auf (Amylose). Durch enzymatische Verzweigung entsteht Amylopektin. Das Zuckerpolymer wird erst einmal in den Chloroplasten zwischengespeichert(transitorische Stärke).

19 Konzepte: Speicherung - Chemie und Biologie Kleisterkartoffel Das Verzweigung der Amyloseketten wird durch Enzyme bewerkstelligt. Abhängig vom Pegel dieser Enzyme ist der Amylopectingehalt hoch oder niedrig. Amylopectine sind für uns nicht verdaulich. Aber ihre Klebrigkeit ist industriell interessant. Lugolsche Lösung: Ein einfacher histochemischer Nachweis für Amylose beruht auf der Einlagerung von Jod in die spiralige Amylose, die blau angefärbt wird. Die an Amylopectin reichen Amyloplasten der Kleisterkartoffel wird dagegen nur braun angefärbt. Bei der Kleisterkartoffel wird gentechnisch das Verzweigungsenzym hochreguliert. Die Aufarbeitung erfolgt mit den Maschinen der Knödelindustrie

20 Konzepte: Speicherung - Chemie und Biologie Cellulose Glucose β-glycosidisch verknüpft: keine Schraube wie bei der Stärke, sondern eine Faser(Cellulose). Cellulose bilden das Grundelement der Zellwand und damit der pflanzlichen Architektur. Ein großer Anteil der pflanzlichen Energieerzeugung geht in die Bildung von Cellulose. Cellulose: Wenn die OH-Gruppe nach oben zeigt (β-stellung), muss jedes zweite Glucosemoleküle um 180 gedreht sein, um ein Polymer zu liefern. Es entsteht nun ein gestrecktes (faseriges) Polymer, die Cellulose. Die β-verbindung ist biologisch(und biotechnologisch!) schwer zu knacken. Nutzung der in Cellulose gebundenen Energie noch schlecht: Verbrennung, Biogas. viel Potential!

21 Konzepte: Speicherung - Chemie und Biologie Chitin N-Acetylglucosamin β-glycosidisch verknüpft: so wie Cellulose, aber mit einem stickstoffhaltigen Baustein). Vorkommen: Pilze und Gliedertiere (Insekten, Krebse, Spinnen). Druck- und zugfest, chemisch beständig, wasserabweisend. Zum Nachdenken: warum wäre Chitin für Pflanzen kein guter Baustoff? Chitin: Wie bei Cellulose zeigt die OH-Gruppe nach oben (β-stellung), also muss jedes zweite Glucosemolekül um 180 gedreht sein, um ein Polymer zu liefern. Im Unterschied zur Cellulose ist eine Aminogruppe mit einem Acetylrest angehängt. Insekten müssen sich häuten, um zu wachsen. Pflanzen nicht.. Warum wohl? Zum Nachdenken: warum wachsen Pilzhyphen nur an der Spitze?

22 Konzepte: Speicherung - Chemie und Biologie Wo passiert was? Stroma: DNA, Ribosomen, Synthese mancher plastidärer Proteine, Calvin-zyklus Innere Membran (Thylakoide): hier entsteht der Protonengradient, hier wird ATP gemacht, hier sitzt Chlorophyll Äußere Membran: Eintransport von Proteinen (die meisten müssen importiert werden). Räumliche Ordnung der Photosynthese. Im Mesophyll ( Mittelblatt ) befinden sich parenchymatische Zellen mit Chloroplasten. Die Dunkel-reaktion läuft im Stroma, die Lichtreaktion an den den Thylakoiden. Ohne diese Kompartimentierung(Membrantrennung) geht es nicht. Thylakoidraum: hierher werden durch die Atmungskette die Protonen hingepumpt, die dann die ATP-Synthese antreiben.

23 Konzepte: Speicherung - Chemie und Biologie Wo passiert was? Das Chlorophyll sitzt an der Stromaseite der Thylakoide. Hier wird auch das Wasser gespalten. Die Protonen werden während des durch Licht ausgelösten Elektronentransports in den Zwischenmembranraum gepumpt. Von dort fließen sie durch den Stiel der ATP-Synthase ins Stroma zurück Chloroplast einer Anemone. TEM (Transmissions-Elektronenmikroskopie) Bild von Thylakoidstapeln. Die hellen Bereiche entsprechen dem Zwischenmembranraum, der während der Lichtreaktion angesäuert wird. Die dunklen Bereiche sind die Stromaseite, wo Chlorophyll und ATP-Synthaseköpfchen sitzen. Im Stroma reichert sich dann ATP an, was dann in der Dunkelreaktion (ebenso im Stroma) zum Aufbau von C3-Körpern genutzt wird.

24 Konzepte: Speicherung - Chemie und Biologie Woher stammen Plastiden? Sie entstehen nur aus ihresgleichen. Sie enthalten eigene DNS. Ihre Außenmembran ist doppelt. Sie enthalten eigene Ribosomen. Sie erzeugen ihre Proteine z.t. selbst. DNS und Ribosomen sind prokaryotisch. Erklärung: Endosymbiose. Mitochondrien und Plastiden waren eigenständige (prokaryotische) Organismen, die endosymbiotisch aufgenommen und dann durch Gentransfer in den Kern der Wirtszelle domestiziert wurden. Ihr innerer Bau(Doppelmembran, innere Membransysteme) gleicht sich. Plastiden stammen von prokaryotischen, photosynthetischen Cyanobakterien ab. Diese Erklärung heisst Endosymbiontentheorie der Vorgang selbst heisst Endosymbiose.

25 Konzepte: Speicherung - Chemie und Biologie Stärkespeicherung Die transitorische Stärke in den Chloroplasten wird nachts wieder in lösliche Dimere (Sucrose, Saccharose) gespalten und über Membrantransporter ins Cytoplasma geschleust. Als Saccharose wird die Energie in der Pflanze in Speichergewebe transportiert. Amyloplasten. Plastiden können im Lauf der Entwicklung verschiedene Formen annehmen, wobei einzelne Stoffwechselleistungen hochgefahren werden. Die Speicherung von Stärke geschieht in sogenannten Amyloplasten, bei denen die Lichtreaktion komplett abgeschaltet wurde. Dort wird die Saccharose in spezialisierten Plastiden, den Amyloplasten, wieder zu Stärke zusammengebaut und gespeichert.

26 Konzepte: Speicherung - Chemie und Biologie Wer transportiert? Die transitorische Stärke wird in Saccharose gespalten und in die Siebröhren transportiert. Dazu muss die Membran zu den Siebröhren mit besonderen Transportern überbrückt werden. Innerhalb der Siebröhren wandert die Saccharose dann symplastisch von Zelle zu Zelle: fehlender Zellkern und siebartig durchbrochenen Querwände erleichtert das. Siebröhren. Siebröhren bilden den unverholzten Phloëmteil der Leitbündel und transportieren die Assimilate von den Blättern (source) zu den Speichergeweben (sink). Sie sind kernlos und müssen daher von den Geleitzellen mitversorgt werden. Die Querwände sind siebartig geöffnet. Im Zielgewebe (sink) wird die Sucrose dann entladen und wieder zu Stärke polymerisiert.

27 Konzepte: Speicherung - Chemie und Biologie Speicherorgane Speicherorgane. Speicherwurzeln (Rüben), Speichersprosse (Epicotyl: Kolrabi, Hypocotyl: Radieschen, Sprossausläufer (Kartoffel), Rhizom (Ingwer) und Speicherblätter (Keimblätter: Bohne, Fruchtblätter: Kirsche, Niederblätter: Zwiebel). Die Speicherung kann in Wurzeln (Wurzelrüben), in der Sprossachse oder in den Blättern erfolgen. Wurzelspeicherung: im Holzteil (Holzrübe: Rettich), im Bastteil (Bastrübe: Karotte) oder geschichtet (Betarübe: Beete) Sproßspeicherung: oberirdisch (in Epicotyl, Hypocotyl) oder unterirdisch (in Ausläufern oder Rhizomen) Blattspeicherung: Speicherkeimblätter bei Leguminosen und Kohlge-wächsen, fleischige Fruchtblätter der Rosengewächse, Niederblätter (Zwiebeln) der Liliengewächse.

28 Praxis: Assimilationsparenchyme Echte Aloë(Aloëvera L.), Aloëgewächse (Aloaceae) Blattparenchym Stark vacuolisierte Zellen, viele linsenförmige Chloroplasten. Die Zellkerne sind durch die Chloroplasten verdeckt. Einfacher Aufbau: im Innern ein einheitliches Mesophyll, keine funktionale Unterteilung. Assimilationsparenchym. Das Aloëblatt lässt sich leicht schneiden und ist daher gut geeignet, um photosynthetisches Gewebe zu demonstrieren. In den Zellen des Mesophylls sind zahlreiche Chloroplasten zu erkennen. Hier wird Kohlendioxid gebunden und Sauerstoff freigesetzt. Achtung: bei den meisten Blättern komplexer mit zwei funktionell spezialisierten Typen von Assimilationsparenchyme(mehr später)

29 Praxis: Speicherparenchyme Sommerweizen (Triticum aestivum L.), Süssgräser (Poaceae) Speicherparenchym des Mehlkörpers in der Karyopse Mehlkörper der Getreide. Die Früchte der Süßgräser (Karyopsen) enthalten den stärkereichen Mehlkörper mit zahlreichen Amyloplasten, dieser ist von der eiweißreichen Aleuronschicht umgeben. Bei der Keimung mobilisiert der Embryo den Abbau der Amylose zu Maltose. Beispiel für Stärkespeicherung im Endosperm einer Frucht. Wichtigste Kalorienquelle der Menschheit. Amyloplasten der Süßgräser sind von einer Hülle aus Proteinen, Kohlehydraten und Lipiden, der Glutenschicht umgeben. Bei manchen Menschen löst Gluten eine Autoimmunreaktion aus(cöliakie). Der Embryo gibt bei der Keimung das Hormon Gibberellin ab, dieses induziert in der Aleuronschicht Amylase. Diese spaltet Amylose zu löslichen Disacchariden (Maltose). Biotechnische Nutzung: Bierbrauen!

30 Praxis: Speicherorgane Haselnuss (Corylus avellana L.), Birkengewächse (Betulaceae) Speicherparenchym der Keimblätter Speicherkeimblatt. Die Parenchymzellen der Haselnuss sind mit riesigen Öltröpfchen (Oleosomen) angefüllt. Öle werden aus über Coenzym A aktivierten C2-Körpern gebildet, die dem Calvinzyklus entstammen. Sie enthalten einen sehr hohen C/O Anteil(mehr Energie/Masse). Beispiel für Speicherung in Speicherkeimblättern. In der RegelinFormvonÖl. Diese enthalten das wertvolle Nussöl, besonders reich an ungesättigten Fettsäuren (Oleinsäure), Phytosterolen, und Antioxidantien(z.B. Vitamin E). Durch den hohen C/O Gehalt ist der Energiegehalt pro Masse höher als bei Kohlehydraten (die ja schon O enthalten, also schon teilweise oxidiert sind.

31 Praxis: Speicherorgane Bohne (Phaseolus vulgaris L.), Schmetterlingsblütler/Leguminosen(Fabaceae) Speicherkeimblätter, Hülsenfrucht Beispiel für Speicherung in Speicherkeimblättern. Nur bei den Leguminosen in Form von Protein. Warum? Protein ist stickstoffreich Stickstoff ist bei Pflanzen Mangelware. Leguminosen besitzen endosymbiontische Rhizobien, die den Luftstickstoff fixieren können und können sich daher leisten Proteine als Speicherstoff zu nutzen. Speicherkeimblatt der Bohne. Das Innere der Hülsenfrüchte bestehen fast ausschließlich aus zwei Speicherkeimblättern (im Gegensatz zum Endosperm Teil des Embryo). Diese speichern Protein und sind daher für die menschliche Ernährung sehr wichtig(z.b. Sojaprodukte). Nach der Keimung schrumpfen die Keimblätter zusammen, weil das Protein in den wachsenden Keimling transferiert wird.

32 Praxis: Speicherorgane Topinambur (Helianthus tuberosus L.), Korbblütler(Asteraceae) Speicherknolle Beispiel für Speicherung in einem unterirdischen Sprossorgan. Um 1600 nach Frankreich geschickt, später von Kartoffel verdrängt. Im Schwarzwald noch angebaut (frosthärter). Topinamburschnaps ("Rossler" von "Rosskartoffel"). Renaissance durch Naturkost. Für Diabetiker geeignet (Darm kann Inulin nicht aufnehmen). Topinambur als Diätetisches Lebensmittel. Die Erdbirne Topinambur, eine Verwandte der Sonnenblume stammt aus Mexiko und speichert Inulin (auch Alantstärke) ist ein Polymer aus bis zu 100 Fructoseresten mit einem endständigen Glucoserest. Knolle gebildet aus unterirdischen Sprossausläufern, die an der Basis von Niederblättern entspringen. Es handelt sich daher um eine Sprossknolle.

33 Praxis: Speicherorgane Scharbockskraut (Ranunculus ficaria L.), Hahnenfußgewächse(Ranunculaceae) Wurzelknolle Beispiel für Speicherung in einer Wurzelknolle. Einer der wenigen Vertreter der Hahnenfussgewächse, der für die menschliche Ernährung genutzt werden kann. Wurzelknolle. Beim Scharbockskraut wird in der primären Rinde Stärke eingelagert (Nachweis durch Lugolsche Lösung), wodurch sich die Rinde verdickt und Knollen bildet. Die Leitbündel liegen hier im Zentrum, wodurch man eindeutig sieht, dass es sich um ein Wurzelorgan handelt. Im Frühjahr in Mitteleuropa früher eine der ersten nutzbaren Pflanzen. Da sie reich an Vitamin C war, verhinderte sie auch den am Ende des Winters sonst unvermeidlichen Skorbut (der Name bedeutet eigentlich Skorbutskraut )

34 Denken SIE mal nach Warum speichert die Kartoffel in ihren Knollen Stärke und nicht Zucker? A B C D Weil Stärke pro Masse mehr Energie enthält Weil der lösliche Zucker ins Erdreich entweichen würde Weil schon im Chloroplasten Stärke vorliegt Weil sie sonst platzen würde

35 Anwendung: Energiepflanzen der Zukunft Der Grundkonflikt Der Großteil der pflanzlichen Biomasse (Cellulose) ist nur indirekt und nicht sehr effizient (Biogas) für die Energieerzeugung nutzbar. Direkt nutzbar sind nur Öle (Biodiesel) und Stärke (Vergärung zu Bioethanol). Diese direkt nutzbaren Anteile werden sonst für die Ernährung genutzt.

36 Anwendung: Energiepflanzen der Zukunft Strategie 1: Cellulose Wirkungsgrad für die Umwandlung Cellulose in Energie ist durch den Umweg über Mikroorganismen (Biogas) nicht sehr hoch. Nur ein kleiner Teil der photosynthetisch gebundenen Energie wird momentan genutzt. Ansatz 1: Enzyme die Holz/Cellulose verdauen können (marine Krustentiere, die Holz verdauen, Zellwand-Enzyme aus Pflanzen. In dem europäischen Verbundprojekt Renewall geht es darum, mithilfe von biotechnologischen Verfahren Cellulose (die ja aus b-1,4-verknüpfter Glucose besteht) zu verzuckern und damit für die Bioethanol-Erzeugung zugänglich zu machen. Damit ließe sich der Konflikt deutlich entschärfen. Ansatz 2: Züchtung von Pflanzen, deren Zellwand für Saccharifizierung leichter zugänglich ist.

37 Anwendung: Energiepflanzen der Zukunft Strategie 2: marginal lands Viele Pflanzen sind in der Lage, auf landwirtschaftlich nicht nutzbaren Grenzflächen (marginal lands) zu wachsen und Energie zu binden. Durch Nutzung dieser Pflanzen kann man den Zielkonflikt zur Erzeugung von Nahrungsmitteln mildern. Da diese Pflanzen bislang nicht als Kulturpflanzen genutzt wurden, steht die Züchtung am Anfang. Jatropha curcas ist eine anspruchslose tropische Pflanze, die in ihren Samen (Speicherkeimblätter) sehr viel Öl speichert. Bislang spielte sie als Nutzpflanze keine Rolle. Man beginnt nun, die auf Madagaskar vorhandene Biodiversität für die Züchtung einzusetzen. Man nutzt die genetische Diversität in Verbindung mit konventioneller Züchtung und molekularen Markern (molecular assisted breeding).

38 Take-home question: Können wir mit Energiepflanzen die Welt retten?