2. Wie kann Wasser eine pflanzliche Plasmamembran überqueren und welche Faktoren bestimmen die Richtung des (Netto-) Tansports?

Transkript

1 Fragen 2. Vordiplom Biologie 2B N. Amrhein 1. Nennen sie 4 Anomalien der Eigenschaften des Wassers im Vergleich zu den Wasserstoffverbindungen der dem Sauerstoff im Periodensystem benachbarten Elemente. Worauf beruhen diese Anomalien und welche Bedeutung haben sie jeweils für Lebensprozesse? (aus: Diese Anomalien basieren auf der besonderen Elektronenkonfiguration des Wassermoleküls, die es zu einem starken elektrischen Dipol macht. Aufgrund der Dimensionen des Wassermoleküls würde der Physiker völlig andere Eigenschaften der Flüssigkeit Wasser erwarten. So müsste es (im Vergleich zu anderen Stoffen mit gleich großen Molekülen) bei Raumtemperatur eigentlich gasförmig sein. Doch die Wasserstoffbrückenbindungen verbinden die Moleküle zu größeren Clustern und lassen das Wasser sich so wie größere Moleküle verhalten: Dichte & Volumenänderung (1 g/qcm statt 0,5 g/qcm) Die Dichte von Wasser ist bei +4 C am größten (0,99986 kg/qdm). Dies ist nach Schauberger auch der Zustand höchster Vitalität. Alle anderen Stoffe dehnen sich beim Erwärmen kontinuierlich aus. Bei Temperaturen über 4 C verhält sich Wasser wie andere Flüssigkeiten, dehnt sich also beim Erwärmen aus und zieht sich beim Abkühlen zusammen. Gefriert Eis jedoch, nimmt seine Dichte ab. Dies kommt daher, daß sich die Wassermoleküle bei der Eisbildung über Wasserstoff-Brücken zu einer kristallinen Struktur vereinen, welche durch Hohlraumbildung gekennzeichnet ist. Wenn sich Eis bildet kann eine Zelle zerplatzen. Eis schwimmt durch die geringere Dichte auf Gewässern oben auf. So wird darunterliegendes Wasser vor kälterer Luft geschützt. Oberflächenspannung (75 dyn/cm statt 7 dyn/cm) Die hohe Oberflächenspannung (nur Quecksilber eine höhere) zeigt sich als wichtiger Faktor bei der Wasserleitung in den Bäumen entgegen der Schwerkraft und spielt wohl generell eine Rolle beim Flüssigkeitstransport in den Kapillaren von Pflanze, Tier und Mensch. Die Oberfläche ist sehr kontraktil, also fähig, sich zusammenzuziehen An der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft befindet sich eine geordnete Schicht von Wassermolekülen, die untereinander und mit dem darunter liegenden Wasser über H-Brücken verbunden sind. Die Oberfläche ist sehr kontraktil, also fähig, sich zusammenzuziehen. Verdampfungswärme (9,7 kcal/mol statt 4 kcal/mol) Die hohe Verdampfungswärme hilft Mensch und gewissen Tieren, den Körper durch Transpiration zu kühlen. Dazu ist zu sagen, dass die Verdampfungswärme von Wasser bei 25 C 44 kj mol-1 beträgt. Das ist die Höchste, die man bei Flüssigkeiten kennt. Für die Verdampfung müssen Wasserstoffbrücken geöffnet werden, damit Moleküle austreten können, die meiste Energie wird für den Bruch dieser Wasserstoffbrücken gebraucht. Dies erlaubt den Pflanzen sich mittels der Evaporation von den Blattoberflächen zu kühlen. Siedepunkt (100 C statt -100 C) Es ist als flüssiges Lösungsmittel für jegliche Stoffe gebrauchbar. 2. Wie kann Wasser eine pflanzliche Plasmamembran überqueren und welche Faktoren bestimmen die Richtung des (Netto-) Tansports? Wassermoleküle sind so klein, dass sie relativ frei durch die Lipiddoppelschicht von Membranen diffundieren können. In der Membran existieren ausserdem selektive Wasserkanäle, sog. Aquaporine. Diese haben keinen Einfluss auf den Wasserpotenzial-Gradienten oder die Richtung der Wasserbewegung, sondern erhöhen die Geschwindigkeit, mit der Wassermoleküle entlang des Wasserpotenzial-Gradienten diffundieren. Die Nettoaufnahme oder -abgabe von Wasser in einer Zelle erfolgt durch Osmose, wobei der Wassertransport durch Unterschiede im Wasserpotenzial Ψ W (Psi) angetrieben wird Wasser bewegt sich durch eine Membran jeweils von der Lösung mit dem höheren zu derjenigen mit dem niedrigeren Wasserpotential. Die Richtung des Wasserpotential-Gradient bestimmt also die Richtung des Wasserflusses.

2 Das Wasserpotezial wird durch die Konzentration gelöster Stoffe sowie durch den Druck beeinflusst. Die Gravitationskomponente ψ g kann dabei vernachlässigt werden. Ψ W = ψ P + ψ S ψ P : Druckpotential (hydrostatischer Druck auf die Lösung) ψ S Osmotisches Potential (proportional zur Solut-Konzentration) Das Wasserpotential ist umgekehrt proportional zur Solut-Konzentration und direkt proportional zum Druck. Die Erhöhung der Solutkonzentration führt zur Erniedrigung des Potentials (Umhüllung der Substanzen durch Wassermoleküle Erniedrigung der freien Energei des Wassers). Die Erhöhung des Drucks führt auch zur Erhöhung des Wasserpotenzials. Rate und Richtung des Wasserflusses sind also von zwei treibenden Kräften abhängig: vom Konzentrations- und Druckgradienten. 3. Was sind Aquaporine und wie wirken sie? Aquaporine sind integrale Membranproteine, welche wasserdurchlässige Kanäle bilden. Sie sind also in der Lage, Wasser durch die Membran zu transportieren, obwohl diese in ihrem Innern hydrophob ist. Weil Wasser leichter durch sie diffundiert als durch die Lipiddoppelschicht, erleichtern Aquaporine die Bewegung des Wassers in die Pflanzenzelle. Aquaporine verändern jedoch nicht den Wasserpotentialgradienten oder die Richtung des Transports, sondern nur die Geschwindigkeit. So kann eine Pflanze ihre Wasseraufnahme oder -abnahme regulieren, wenn sich ihr Wasserpotential von dem der Umgebung unterscheidet. Damit wird ein Gleichgewicht eingestellt. Strukturmodell von Aquaporin: Die positiven Ladungen im Innern des Kanals verhindern den Durchtritt von Protonen, lassen Wasser jedoch hindurch. 4. Was besagt das Wasserpotential (ψw) einer Pflanzenzelle (bzw. eines Gewebes oder organs) und wie kann es experimentell bestimmt werden. Aus historischen Gründen brauchen Pflanzenphysiologen den Parameter des Wasserpotenzials, anstatt des chemischen Potentials (J mol -1 ). Das Wasserpotenzial ist definiert als das chemische Potenzial dividiert durch das partielle molare Volumen von Wasser (Volumen von 1mol Wasser = m 3 mol -1 ) und ist ein Mass für die freie Energie von Wasser pro Volumeneinheit (Jm -3 ). Die Einheit ist äquivalent zur Druckeinheit Pascal, welche die gebräuchliche Masseinheit für das Wasserpotenzial ist. Das Wasserpotenzial ist eine relative Grösse (Differenz zwischen Substanz in einem gegebenen Zustand und der gleichen Substanz im Standardzustand). Das Wasserpotenzial wird oft gebraucht als Mass für den Wasserzustand der Pflanze. Es ist stark assoziiert mit dem Zellwachstum, der Photosynthese der Ernteproduktivität Man kann damit eine

3 Aussage über die Gesundheit der Pflanze machen, ähnlich wie man beim Menschen den Fiebermesser braucht. Messmethoden für das Wasserpotential: (aus homepage von taiz&zeiger plant physiology) Psychrometry (the prefix "psychro-" comes from the Greek word psychein, "to cool") is based on the fact that the vapour pressure of water is lowered as its water potential is reduced. Psychrometers measure the water vapor pressure of a solution or a plant sample, on the basis of the principle that evaporation of water from a surface cools the surface. One psychrometric technique, known as isopiestic psychrometry, has been used extensively by John Boyer and coworkers (Boyer and Knipling 1965) and is illustrated in Web Figure 3.5.A. Investigators make a measurement by placing a piece of tissue sealed inside a small chamber that contains a temperature sensor (in this case, a thermocouple) in contact with a small droplet of a standard solution of known solute concentration (known Ψs and thus known Ψw). If the tissue has a lower water potential than that of the droplet, water evaporates from the droplet, diffuses through the air, and is absorbed by the tissue. This slight evaporation of water cools the drop. The larger the difference in water potential between the tissue and the droplet, the higher the rate of water transfer and hence the cooler the droplet. If the standard solution has a lower water potential than that of the sample to be measured, water will diffuse from the tissue to the droplet, causing warming of the droplet. Measuring the change in temperature of the droplet for several solutions of known Ψw makes it possible to calculate the water potential of a solution for which the net movement of water between the droplet and the tissue would be zero (Web Figure 3.5.B) signifying that the droplet and the tissue have the same water potential. Psychrometers can be used to measure the water potentials of both excised and intact plant tissue. Moreover, the method can be used to measure the Ψs of solutions. This can be particularly useful with plant tissues. For example, the Ψw of a tissue is measured with a psychrometer, and then the tissue is crushed and the Ψs value of the expressed cell sap is measured with the same instrument. By combining the two measurements, researchers can estimate the turgor pressure that existed in the cells before the tissue was crushed (Ψp = Ψw Ψs). A major difficulty with this approach is the extreme sensitivity of the measurement to temperature fluctuations. For example, a change in temperature of 0.01 C corresponds to a change in water potential

4 of about 0.1 MPa. Thus, psychrometers must be operated under constant temperature conditions. For this reason, the method is used primarily in laboratory settings. There are many variations in psychrometric technique. 5. Wie verändern sich das Wasserpotential (Ψw), das osmotische Potential (Ψs) und das Druckpotential (Ψp), wenn Ψw = Ψp + Ψs + Ψg. Ψg ist das Gravitationspotential, welches sich für die folgenden Überlegungen nicht ändert. a. eine Pflanze unter Wasserstress steht und welkt? Durch den Wasserverlust kommt es zur Erhöhung der Solutkonzentration in der Zelle, wodurch Ψs negativer wird (Ψs = -RTc). Ausserdem nimmt das Zellvolumen durch die Abgabe von Wasser ab, was einen Druckabfall, d.h. eine Erniedrigung von Ψp zur Folge hat (Ψp erreicht den Nullpunk, wenn das relative Zellvolumen um 10 15% abnimmt). Unter Wasserstress wird Ψw infolge der Erniedrigung von Ψs und Ψp also negativer. b. Sie ein Pflanzenorgan in reines Wasser legen? Das reine Wasser hat kein osmotisches und kein Druckpotential, sein Wasserpotential ist also 0 MPa. Wenn nun eine Pflanzenzelle mit einem negativen Ψs und dadurch einem negativen Ψw hineingelegt wird, nimmt die Zelle solange Wasser auf, bis Ψw auch 0 MPa beträgt, dh Ψp muss sich anpassen. Total: Ψw wird positiver (wird 0 PMa), Ψp wird positiver, und Ψs wird positiver. 6. Tragen Sie in das (Höffner) Diagramm ein, wie sich Ψp, Ψs und Ψw beim Wasserverlust eines pflanzlichen Gewebes ändern. Infolge des Wasserverlustes verringert sich das Zellvolumen, wodurch der hydrostatische Druck Ψp, das osmotische Potenzial Ψs und in der Folge auch das Wasserpotential Ψw abnehmen. (Wasserverlust führt zur Erhöhung der Solutkonzentration in der Zelle und und infolgedessen zur Erniedrigung des Wasserpotenzials).Wenn das Wasserpotenzial von 0 auf -2MPa abnimmt, so verringert sich das Zellvolumen um nur gerade 5 % (infolge rel. stabiler Zellwand). In diesem Bereich ist die Erniedrigung des Wasserpotenzials hauptsächlich auf die Abnahme von Ψp zurückzuführen, während sich Ψs nur geringfügig ändert. Bei einer Volumenabnahem von mehr als 10% ist die Änderung des Wasserpotenzials zur Hauptsache verusacht durch die Abnahme von Ψp, da Ψs nur noch leicht abfällt.

5 7. Beschreiben Sie den Weg von Wasser, und darin gelösten Stoffen, aus dem Boden in das Xylem der Wurzel. Welche Barrieren und Kontrollpunkte gibt es? Nachdem das Wasser über den apikalen Teil der Wurzel eingetreten ist, stehen ihm drei Wege durch den Cortex offen: Apoplastischer Weg: das Wasser wandert nur durch die Zellwände und durchquert dabei keine Membranen. Apoplast: Raum ausserhalb des Protoplasten ( System aus Zellwänden und Interzellulärraum), von aussen für gelöste Stoffe frei zugänglich. Transmembraner Weg: Wasser tritt auf der einen Seite in dei Zelle hinein und auf der anderen hinaus etc. So durchquert das Wasser mindestens 2 Membranen pro Zelle. Symplastischer Weg: das Wasser geht von einer Zelle zur nächsten via Plasmodesmen. Symplast: Summe der durch Plasmodesmen verbundenen Protoplasten. Eine Barriere tritt bei der Endodermis auf: Der Casparian Strip umgibt die Zellen der Endodermis,wodurch das Wasser nur noch durch die Zellen der Endodermis selbst zum Xylem gelangen kann. Casparian Strip: Band von radialen Zellwänden in der Endodermis, welche imprägniert sind mit der wachsählichen, hydrophoben Substanz Suberin. Diese agiert als Barriere für Wasser und Stofftransport. Der Casparian Strip unterbindet den apoplastischen Weg und zwingt Wasser und gelöste Stoffe die Endodermis zu durchqueren indem sie durch die Plasmamembran gehen. Die Plasmamembran der Endodermis hat somit eine wichtige Kontrollfunktion für die Aufnahme gelöster Stoffe. Was einmal die Epidermis durch Kontrollpunkte durchquert hat, kann sich im Innern durch Plasmodesmen frei bewegen. Wenn die Wurzeln niederen Temperaturen, anaeroben Verhältnissen oder respirationshemmenden Substanzen (z.b. Cyanid) ausgesetzt sind, nimmt die Wasseraufnahme durch Hemmung der Wurzel- Respiration ab (Kontrollpunkt gegen Wasseraufnahme). Die Akkumulierung von gelösten Teilchen im Xylem kann einen Wurzeldruck generieren, welcher Wasser aus dem Boden ins Xylem nachzieht Kontrollpunkt für Wasseraufnahme (Erhöhung der Solutkonzentration führt zur Erniedrigung von Ψs Abnahem von Ψw und somit Absorption von Wasser positives Ψw im Xylem). Wurzelbruch ist sehr häufig, wenn das Bodenwasserpotential hoch und die Transpirationsrate tief sind. 8. Vergleichen Sie den Aufbau von Tracheiden und Tracheen und beschreiben Sie die jeweiligen Vor- und Nachteile dieser beiden Xylem Elemente beim Wassertransport. Tracheiden und Tracheen (Gefässglieder) sind die wasserleitenden Elemente des Xylems. Sie sind langgestreckte Zellen, die beim Erreichen ihrer funktionellen Reife (vollständige Spezialisierung für die Funktion) bereits abgestorben sind. Ihre Sekundärwände sind von Tüpfeln (engl. Pits) unterbrochen (Bereiche, in denen die Sekundärwand fehlt und die Primärwand dünn und porös ist).

6 Tracheiden Die toten Zellen gleichen hohlen Röhren, durch welche das Wasser fliesst, lignifizierte Zellwände In Angiospermen, Gymnospermen und Farnen vorkommend Zellen lang, dünn, an den Enden zugespitzt (spindelförmig) Die einzelnen Zellen sind miteinander durch Hoftüpfel (pit pairs) verbunden Tracheen Die toten Zellen gleichen hohlen Röhren, durch welche das Wasser fliesst, lignifizierte Zellwände Nur in Angiospermen vorkommend Zellen kurz und dick mit perforierten Endwänden (Perforationsplatten) Die einzelnen Zellen sind miteinander an den Enden durch Perforationsplatten verbunden. Verbindung zu anderen Tracheen und zu Tracheiden durch pit pairs. Vorteil: Tracheiden sind einzelne Zellen, die in üperlappenden vertikalen Linien angeordent sind, wobei der Wasserfluss durch die Tüpfel erfolgt. Aufgrund des geringeren Gefässdurchmessers ist die Transportgeschwindigkeit des Wassers geringer (ca. 1m/h) Nachteil: Tracheiden sind weniger anfällig gegen Embolien, da die Tüfpel (pits) bei Lufteintritt einen Verschluss erlauben (Torus vorhanden) Stützfunktion Vorteil: Tracheen entstehen durch Fusion grosslumiger Zellen und können so meterlange Röhren bilden, die aufgrund des grösseren Gefässdurchmessers hohe Transportgeschwindigkeiten erlauben (-120 m/h) Gesetz von Hagen-Peuisseue [Gl. 3.2] Nachteil: Tracheen sind anfällig gegen Embolien (durch Lufteintritt) Keine Stützfunktion 9. Wo findet sich, und wie funktioniert ein Hoftüpfel (pit pair) (Zeichnung)? Wo: In den lateralen Wänden von Gefässelementen (vessel elements, in Angiospermen) und Tracheiden (in Angio- und Gymnospermen). Tracheiden sind verlängerte und spindelförmige Zellen die in überlappenden vertikalen Linien angeordnet sind. Wasserfluss zwischen Tracheiden führt durch die vielen Tüpfel (pits) in ihren lateralen Wänden. Gefässelemente sind kürzer und breiter als Tracheiden. Was: Tüpfel sind mikroskopische Regionen, wo die sekundäre Wand fehlt und die primäre Wand dünn und porös ist. Die Tüpfel von einer Tracheide liegen typischerweise gegenüber von dem Tüpfel der nebenan liegenden Tracheide, die zusammen ein Hoftüpfel bilden (pit pair). Die poröse Schicht zwischen dem Hoftüpfel besteht aus zwei primären Wänden und einer middle lamella und wird als Tüpfelmembran bezeichnet (pit membrane).

7 Wie: Tüpfel in Tracheiden einiger Koniferen haben eine zentrale Verdickung, den Torus. Der Torus funktioniert wie eine Klappe um die Tüpfel zu schliessen, in dem sich der Torus in die kreisförmige oder ovale Wandverdickungen die die Tüpfel säumen einfügt. [Abb. S. 52, Fig. 4.6 C] 10. Was besagt die Kohäsionstheorie des Wasserferntransports in Pflanzen? Die Kohäsionstheorie erklärt den Wassertransport im Xylem. Der dazu erforderliche Druckgradient entsteht theoretisch durch Erzeugung eines positiven Drucks an der Pflanzenbasis oder Erzeugung eines negativen Drucks an der Pflanzenspitze. Die Kohäsionstheorie besagt, dass das Wasser in der Baumspitze eine hohe Spannung (negativer hydrostatischer Druck) entwickelt, die das Wasser durch das Xylem nach oben zieht. Dazu werden die kohäsiven Eigenschaften des Wassers benötigt, um die grossen Spannungen in den Xylem-Wasser- Kolonnen auszuhalten. 11. Erläutern sie die Funktionsweise von Spaltöffnungen (Bauprinzip; Mechanismen des Öffnens und Schliessen) Bauprinzip: Der Stomata-Komplex besteht aus den guard cells (Schliesszellen), subsidiary cells und der Pore. [Abb. S. 60, Fig B] Monocotylen: Hantelförmige Schliesszellen mit Verdickungen Jede Spaltöffnung wird von einem Paar Schliesszellen (guard cells) flankiert, welche ihrerseits von einem Paar subsidiary cells flankiert werden, die den guard cells bei der Kontrolle der Stomata-Pore helfen. Dikotylen: Nierenförmige Schliesszellen mit Verdickungen Funktionsweise: Spaltöffnungen (Stomata, sing. Stoma (griech.) = Mund) lassen Kohlendioxid in das Blatt eintreten und Sauerstoff entweichen. Nehmen die Schliesszellen durch Osmose Wasser auf, werden sie turgeszent (steigender Turgordruck) und schwellen an. Die Zellwände der Schliesszellen sind bei den Dicotylen nicht einheitlich dick. Die Cellulose-Mikrofibrillen sind radial angeordnet, so dass sich die Schliesszellen im turguszenten Zustand nach aussen krümmen können. Die Lücke zwischen den Zellen vergrössert sich dann. Verlieren die Zellen Wasser und erschlaffen, dann sind sie weniger gekrümmt. Daraufhin schliesst der Spalt zwischen ihnen. Dieses grundlegende Prinzip findet sich auch bei den Monocotylen. Die Veränderungen im Turgordruck, die zum Öffnen und Schliessen der Stomata führen, beruhen im Wesentlichen auf der reversiblen Aufnahme und Abgabe von K + -Ionen durch die Schliesszellen. Durch Ionenaufnahme sinkt das osmotische Potential Ψs, dadurch sinkt das Wasserpotential ebenfalls und Wasser bewegt sich auf osmotischem Weg in die Schliesszellen. Tritt Wasser in die Zelle ein, steigt der Turgordruck an und die Stomata öffnen sich.

8 Das Schliessen der Stomata beruht auf dem Ausstrom von Kalium aus den Schliesszellen, denn dies führt zu einem auf Osmose beruhenden Wasserverlust durch Zunahme des Wasserpotentials. Das An- und Abschwellen der Schliesszellen ist möglicherweise von Aquaporinen beeinflusst, indem die Permeabilität der Membran für Wasser reguliert wird. Der Kaliumfluss durch die Plamamembran der Schliesszelle ist wahrscheinlich passiv; er wird getrieben durch ein elektrochemischen Membranpotenzials, welches durch Protonenpumpen (H + -ATPasen) erzeugt wird. Das Öffnen der Stomata korreliert mit dem aktiven Transport von H + aus der Schliesszelle. Die so entstehende elektrische Spannung (Membranpotential) treibt K + durch spezifische Membrankanäle in die Zelle hinein. Die Stomata öffnen sich im Allgemeinen tagsüber und schliessen sich nachts. Wenigstens drei Faktoren tragen zum Öffnen der Stomata nach Sonnenaufgang bei: Licht stimuliert die Schliesszellen dazu, Kaliumionen anzureichern und turgeszent zu werden. Ein Rezeptor für blaues Licht, der sich wahrscheinlich in der Plasmamembran der Schliesszellen befindet, löst diese Reaktion aus. Dieser aktivierte Blaulichtrezeptor stimuliert wiederum die ATPgetriebenen Protonenpumpen in der Plasmamembran der Schliesszellen, die nun ihrerseits die Aufnahme von K + in Gang setzen. Licht stimuliert die Photosynthese in den Chloroplasten der Schliesszellen und stellt so ATP für den aktiven Transport von H + zur Verfügung. Die Abname der CO 2 Konzentration in den Interzellularen des Blattes, sobald die Photosynthese im Mesophyll einsetzt, spielt ebenfalls eine Rolle. Die Stomata behalten ihren täglichen Rhythmus von Öffnen und Schliessen auch dann bei, wenn sich die Pflanze in einem dunklen Raum befindet. Alle eukaryotischen Organismen besitzen eine solche endogene Uhr. Als Gegenion zu den Kaliumionen gilt Cl - (Allium-Arten) und meistens Malat. Cl - wird in den Schliesszellen aufgenommen während des Öffnens der Stomata und abgegeben während dem Schliessen der Stomata. Malat wird im Cytosol der Schliesszellen synthetisiert. Die Malatkonzentration der Schliesszellen nimmt während dem Schliessen der Stomata ab. Leidet eine Pflanze unter Wassermangel, verliert sie möglicherweise an Turgor. Das Hormon Abscisinsäure, das in den Mesophyllzellen als Reaktion auf Wassermangel erzeugt wird, signalisiert den Schliesszellen zusätzlich, sich zu schliessen. Die Stomata schliessen sich auch beihohen Temperaturen. Wegen der gleichzeitig gesteigerten Zellatmung nimmt die CO 2 -Konzentration in den Interzellularen des Blattes zu. Durch Ionenaufnahe sinkt das osmotische Potential Ψs, dadurch sinkt das Wasserpotential ebenfalls und Wasser bewegt sich in die Schliesszellen. Tritt Wasser in die Zelle ein, steigt der Turgordruck an. Offen Geschlossen Licht dunkel Genügend Wasser zu wenig Wasser Zu wenig CO 2 Genügend CO 2 Temperatur >25 C Geringer Gehalt an ABA (Abscisinsäure) hoher Gehalt an ABA Patch-Clamp-Technik: Untersuchung der Protonenumpen und der K + - Kanäle in den Schliesszellen: Durch diese Technik ist es möglich, eine winzig kleine fläche einer Membran z isolieren und die Ionenbewegung durch einen einzigen Kanaltyp zu studieren. Mit einer Mikropipette wird eine Membranblase herausgelöst und danach wird der Ioenfluss durch diesen kleinen Membranabschnitt gemessen. Dadurch lässt such der Transport einer einzelnen Ionenart durch selektive Kanäle oder Pumpen in der Membran aufzeichnen.

9 12. Wie mobilisieren Pflanzenwurzeln Ionen von Nährelementen, die an Bodenpartikel adsorbiert sind. Ionenabsorption in den Wurzeln findet hauptsächlich in der Wurzelhaarzone statt. Die Wurzelhärchen sind einfache Ausstülpungen von spezifischen epidermalen Zellen, die die Oberfläche für die Ionen- und Wasserabsorption um einiges vergrössern. Bodenpartikel sind meistens negativ geladen, Kationen wie Kalium oder Ammonium werden also von ihnen absorbiert. Das schafft einen grossen Vorteil: die Nährstoffe werden nicht so schnell aus dem Boden weggespült und bleiben so für Pflanzenwurzeln besser (länger) verfügbar. Die Wurzel kann die Nährstoffe mit Hilfe von Kationen-Tauschern mobilisieren. H + kann zum Beispiel K + von der negativ geladenen Oberfläche der Partikel vertreiben und es so den Wurzeln zur Aufnahme zur Verfügung stellen. H + entsteht zu Beispiel durch den Abbau von organischem Material. 13. Was ist Guttation, und unter welchen Bedingungen tritt sie auf? Pflanzen entwickeln manchmal das Phänomen des Wurzeldruckes. Durch die Absorption von Ionen aus der verdünnten Bodenlösung und deren Transport ins Xylem generieren Wurzeln einen positiven hydrostatischen Druck. Durch das Anhäufen von Molekülen im Xylem sinkt das osmotische Potential im Xylem und daher auch dessen Wasserpotential. Dadurch entsteht eine treibende Kraft für die Aufnahme von Wasse, was dann seinerseits zu einem positiven hydrostatischen Druck im Xylem führt. Wurzeldruck entsteht vor allem wenn das Wasserpotential des Bodens hoch und die Transpirationsrate sehr tief ist (bei hoher Transpirationsrate wird Wasser so schnell in die Blätter aufgenommen und an die atmosphäre verloren, dass ein positiver Wurzeldruck nicht entstehen kann) Pflanzen die Wurzeldruck entwickeln produzieren nun gelegentlich Tropfen auf den Rändern ihrer Blätter. Dieses Phänomen nennt man Guttation. Der positive Druck im Xylem führt dazu, dass es zu Ausscheidungen der Xylemflüssigkeit durch spezielle Poren, den sogenannten Hydathoden, kommt. Diese Hydathoden sind mit den Venenenden am Blattrand verbunden. Die Tropfen die man am Morgen auf den Spitzen der Gräser sehen kann, beruhen auf diesem Effekt. Guttation wird am besten sichtbar, wenn die Transpiration unterdrückt wird und die relative Feuchtigkeit sehr hoch ist, wie z.b. während der Nacht. 14. Beschreiben Sie den Weg des in der Photosynthese fixierten Kohlenstoffs von einer Mesophyllzelle ( source ) an einen Verbrauchsort ( sink ) in der Pflanze. Was ist die chemische Natur der Transportform(en) und was sind die Triebkräfte für die jeweiligen Transportschritte? Diese Frage beinhaltet im Prinzip genau dasselbe wie Frage 15 (=> zuerst lesen), nur kommt hier noch die Raffinose hinzu und das Beladen des Symplasten => Polymer-Trapping Model. Im Gegensatz zur apoplastischen Beladung der Siebröhren ist die symplastische Beladung nicht so spezifisch. Denn sie erfolgt durch Diffusion von Zuckern aus der Mesophyllzelle über Plasmodesmata in die Siebröhren. Das polymer-trapping model bestätigt, dass Saccharose, in den Mesophyllzellen synthetisiert, von den bundle sheath cells in die intermediären Zellen diffundiert, (durch die vielen Plasmodesmatas die die beiden verbinden) obwohl die Siebröhren und Geleitzellen ein sehr viel höheres osmostisches Potential, als die Mesophyllzellen haben. (Abb.10.17, S.210). In diesen intermediären Zellen wird nun aus der dorthin transportierten Saccharose und Galactose, Raffinose und Stachyose synthetisiert. Weil diese beiden Zucker grösser sind, können sie nicht mehr zurück in die bundle sheath cells diffundieren, sondern nur noch vorwärts in die Siebröhren. Saccharose kann weiterhin in die intermediären Zellen diffundieren, da es dort fortlaufend gebraucht wird. Vergleich apoplastisches / symplastisches Laden => Abb S Wie gelangt Saccharose in eine Siebröhre und wie wird sie in der Siebröhre transportiert? Wodurch ist die Transportrichtung festgelegt? Die Transportrichtungen des Phloemsaftes sind variabel, allerdings kann man sagen, dass Siebröhren die Photoassimilate von den Zuckerquellen zu den Orten des Zuckerverbrauchs bringen.

10 Source (Zuckerquelle): Organ, in dem Zucker durch Photosynthese oder durch Abbau von Stärke produziert wird. Ausgereifte Blätter oder Speicherorgane während der Exportphase der Entwicklung. Sink (Zuckersenker): Organe, die Photosyntheseprodukte metabolisch verwerten oder speichern, jedoch selbst nicht oder nicht ausreichend photosynthetisch aktiv sind. Im Wachstum befindliche Blätter, Wurzeln und Früchte. Ein Speicherorgan, das im Sommer Kohlenhydrate einlagert, ist ebenfalls ein Zuckersenker. Dieses wird mit Ende der Keimruhe zu Beginn des Frühlings zur Zuckerquelle. Zu diesem Zeitpunkt wird sein Stärkevorrat zu Zucker abgebaut, der dann vom Phloem zu den sich entwickelnden Knospen transportiert wird. Eine Zuckersenke erhält ihre Zucker in der Regel von der ihr nächstgelegenen Quellen. Die oberen Blätter eines Astes können Zucker zu den wachsenden Sprossspitzen entsenden. Die unteren Blätter desselben Astes schicken ihre Photoassimilate dagegen zu den Wurzeln. Eine wachsende Frucht benötigt so viel Zucker, dass sie unter Umständen alle in der Nähe befindlichen Assimilatquellen für sich alleine beansprucht. Es ist möglich, dass der Phloemsaft in der Siebröhre eines Leitbündels in eine Richtung fliesst, während der Saft in der benachbarten Siebröhre in die Gegenrichtung strömt. Für jede Siebröhre hängt die Transportrichtung nur von der Lage der Quelle und der Senke ab. Diese Fliessrichtung kann sich je nach Jahreszeit und Entwicklungsstand der Pflanze ändern. Transport zu den Siebröhren (short distance transport) Der in den Mesophyllzellen eines Blattes produzierte Zucker muss zuerst in Siebröhrenglieder umgeladen werden, bevor er zu den Orten des Verbrauchs gelangen kann. Bei einigen Pflanzenarten legt die Saccharose den gesamten Weg von den Mesophyllzellen zu den Siebröhrengliedern über den Symplasten zurück. Dabei wandert sie durch die Plasmodesmen von Zelle zu Zelle cytoplasmatischsymplastischer Weg. In anderen Arten erreicht die Saccharose die Siebröhrenglieder über einen aus Symplasten und Apoplasten kombinierten Weg zellwand-apoplastischer Weg. Kurzstreckentransport: lateraler Transport innerhalb der Organe (Verlagerung der Saccharose vom Mesophyll zum Phloem über Symplast und Apoplast) Siebröhrenbeladung (s. Tab. 10.4, S.211) Symplastische Beladung: Diffusion von Zuckern aus den Mesophyllzellen über Plasmodesmata in Intermediärzellen. Dort wird aus Saccharose und Galactoese Raffinose und Stachyose synthetisiert ( Aufrechterhaltung des Saccharose-Gradienten) Aufgrund ihrer Grösse können diese Zucker nicht mehr ins Mesophyll rückdiffundieren, sondern nur noch in die Siebröhren.[Abb. S.210] Apoplastische Beladung: Die Saccharose wird durch aktiven selektiven Transport aus dem Apoplasten in die Geleitzellen überführt. Diese geben über Plasmodesmen die von ihnen übernommene Saccharose an die Siebröhrenglieder ab. Die Beladung der Geleitzellen erfolft mit Hilfe eines H + -Gradienten durch einen H + /Saccharose- Symporter, d.h. die Aufnahme von Saccharose wird indirekt durch eine H + -ATPase angetrieben, die einen positiven H+Gradienten im Apoplasten generiert. Der Fluss von H+ entlang seines Gradienten in die Zelle ist gekoppelt an Aufnahme von Saccharose gegen ihren Gradienten. Transport in den Siebröhren (long distance transport) pressure flow model Das pressure flow Modell besagt, dass der Fluss von Wasser und Saccharose in den Siebröhren durch einen osmotisch erzeugten Druckgradienten zwischen source und Sink angetrieben wird. Dieser entsteht als Folge der Beladung des Phloems an der Zuckerquelle und dessen Entladung an der Zuckersenke. Die Richtung des Druckgefälles bestimmt die Richtung des Transports. Beladen des Phloems ist nur durch aktiven Transport möglich. Durch Akkumulation von Saccharose in der Siebröhre wird ein geringes (negatives) osmotisches Potential erzeugt, wodurch das Wasserpotential negativer wird. In der Folge strömt Wasser in die Siebröhre und es entsteht ein hoher Druck (Druckpotential steigt). In der Zuckersenke ist die Konzentration an freiem Zucker stets niedriger als in der Siebröhre. Aufgrund dieses Konzentrationsgradienten diffundieren Zuckermoleküle aus dem Phloem in das als Zuckersenke agierende Gewebe hinein. Dadurch wird das Wasserpotential der Siebröhre positiver (als dasjenige im Xylem) und Wasser verlässt die Siebröhren entlang dem Wasserpotential-Gradienten.

11 Durch die osmotische Wasserabgabe sinkt am senkennahen Siebröhrenende der Druck und somit auch das Druckpotenzial. Der Aufbau von Druck an einem Ende der Siebröhre (Source) und dessen Reduktion am anderen Ende (Sink) bewirken, das Wasser von der Quelle zur Senke fliesst und dabei Zucker mit sich führt. Der Zucker wird also in Form von Zuckerlösung transportiert Transport von Zucker in Lösung = Strömung. Das Ersetzen des Wassers an der Zuckerquelle erfolgt über das Xylem. Die Regulation des Entladens der Saccharose wird wahrscheinlich durch die folgenden drei Faktoren reguliert: Durch das Potential des gelösten Stoffes, oder, eher, durch den Turgordruck der Siebröhren Der Saccharose-Konzentration in dem Apoplasten Der verfügbaren Anzahl an Symporter-Protein-Molekülen Kalium im Apoplasten fördert den Saccharose Efflux 16. Wie unterscheiden sich Siebröhren zytologisch von Geleitzellen? Welche funktionelle Bedeutung haben diese Unterschiede? Siebröhren bestehen aus einzelnen Siebröhrenelementen (Zellen) die aneinandergereiht eine Röhre ergeben. Die einzelnen Zellen sind in Angiospermen durch Wände mit Poren voneinander getrennt (Siebplatten). Die Poren erlauben den Transport zwischen den Zellen. Jede Siebröhre hat eine oder mehrere Geleitzellen. Die Teilung einer Mutterzelle generiert die Siebröhrenzelle und deren Geleitzelle, welche über viele Plasmodesmata verbunden sind. Die Siebröhren besitzen nur wenige Zellorganellen, während Geleitzellen reich an Zellorganellen sind. Die Siebröhren der Angiospermien enthalten sogenannte P-Proteine. Diese kommen im Cytosol als P- Protein Bodies vor. Es gibt PP1 und PP2, beide werden in den Geleitzellen synthetisiert und dann über Plasmodesmata in die Siebröhren transportiert, wo sie zu P-Protein Filamenten und P-Protein Bodies assozieren. Die P-Proteine spielen wahrscheinlich eine Rolle beim Isolieren von defekten Siebröhren, indem sie deren Poren verschliessen und so die defekte Zelle abdichten. (Langzeitlösung: Produktion von Callose, das dann in den Poren deponiert wird). Siebröhren Enthalten nur wenige Zellorganellen: Plasmamembran, modifizierte Mitochondrien und Plastiden, glattes ER lokalisiert entlang der zellwand. Fehlende Zellorganellen: Nucleus, Tonoplast (Vakuolenmembran), Mikrofilamente, Mikrotubuli, Golgi-Apparat, Ribosomen Companion Cells Enthalten viele Zellorganellen: Nucleus, Mitochondrien, Chloroplasten, Vakuole, Ribosomen, ER, Golgi-Apparat, etc. Zellwand nicht lignifiziert Reife Siebröhrenzellen sind einzigartig unter lebenden Zellen, denn ihnen fehlen viele für lebende Zellen typische Strukturen. Siebröhrenzellen sind durch die strukturellen Anpassungen hoch spezialisiert für Strofftransport. Während der Differenzierung der Siebröhrenelemente wurden einige wichtige metabolische Funktionen wie die Proteinbiosynthese reduziert oder gingen gar verloren. Diese metabolischen Funktionen übernehmen nun die mit den Siebröhrenelementen assozierten Geleitzellen. Geleitzellen spielen auch eine Rolle im Transport von Photosyntheseprodukten aus den produzierenden Zellen der Blätter in die Siebröhrenzellen (Phloem loading). Ausserdem stellen die Geleitzellen mit ihren zalhlreichen Mitochondrien Energie in Form von ATP für die Siebröhren bereit. Siebröhrenelemente und Geleitzellen sind über zahlreiche Plasmodesmen verbunden, wodurch ein reger Stoffaustausch ermöglicht wird.

12 Es gibt drei Arten von Geleitzellen: Ordinary companion cells, Transfer companion cells und Intermediary companion cells. Die Ordinary und transfer companion cells transferieren Zucker vom Apoplasten zum Symplasten der Siebröhren und die Geleitzellen am Ort der Quelle Die intermediären Zellen funktionieren im Transport von Zuckern in die Siebröhren in Pflanzen wo es keine apoplastische Schranke gibt. 17. Welche funktionelle Bedeutung hat die enge Nachbarschaft von Xylem und Phloem in den Leitbündeln? Der Transport des Phloem-Saft erfolgt durch eine Druckdifferenz. Diese Druckdifferenz kann nur entstehen, indem bei einer Quell-Zelle (source) Wasser aus dem Xylem in die Siebzellen des Phloem fliesst und bei einer Sink-Zelle dieses Wasser wieder aus den Siebröhren des Phloem in das Xylem zurück fliesst. Die Bedeutung besteht also darin, dass das Xylem den Transport ermöglicht, indem Wasser vom Xylem ins Phloem fliesst, den Druck erhöht und dadurch der Phloem-Saft weggedrückt wird. 18. In welcher Richtung erfolgt der Transport in einer Siebröhre? Wodurch wird die Richtung bestimmt? Was ist die Triebkraft für den Transport? Der Transport in den Siebröhren erfolgt von einer Zucker-Quelle (source: Bereich mit Produktion von Photosynthese-Produkten) zu einer Zucker-Senke (sink: Bereich mit Metabolismus oder Speicherung von Photosynthese-Produkten). Die Richtung des Transports wird bestimmt durch eine osmotisch generiertes Druckgefälle, das über das ganze Kontinuum einer Siebröhre herrscht hoher Druck bei der Quelle, tiefer Druck bei der Senke. Der Druckgradien entsteht durch aktiven Transport von Zucker in die Siebröhre bei der Zuckerquelle und aktivem Transport von Zucker aus der Siebröhre bei der Zuckersenke. Die treibende Kraft für den Transport ist der Druckunterschied (und nicht das Wasserpotential, denn der Transport erfolgt gegen den Wasserpotentialgradienten!) [Abb. S.204] 19. Durch welche Reaktionen gelangt das N-Atom von Nitrat in die Aminogruppe einer Aminosäure? (Formeln). Wo in einer Mesophyllzelle laufen die jeweiligen Schritte ab? 1 Nitratreduktase: Nitrat Nitrit NO3 - + NADH e - NO2 - + NAD + + H2O Cytosol 2 Nitritreduktase: Nitrit Ammonium NO Fd red + 8 H e - NH Fd ox + 2 H2O Chloroplasten in Blättern und Plastiden in Wurzeln 3 Glutaminsynthetase (GOGAT)(a) Glutamat Glutamin; a b1 NH4 + + Glutamat + ATP Glutamin + ADP + P i Plastid Glutamatsynthetase (b1/b2) Glutamin Glutamat Glutamin + 2-Oxaloacetat + Fd red 2 Glutamat + Fd ox in Plastiden von photosynthetischinaktiven Geweben (Wurzeln oder Gefässzellen von entwickelnden Blättern) b2 Glutamin +2-Oxaloacetat + NADH+H + 2 Glutamat +NAD + In Chloroplasten und hilft im photorespiratorischen Stickstoffmetabolismus

13 oder 4 Glutamatdehydrognase NH Oxaloglutarat +NAD(P)H Glutamat + H2O+NAD(P) + 5 Aspartat-Aminotransferase: Glutamat + Oxaloacetat Aspartat + 2-Oxoglutarate im Cytoplasma, Chloroplast, Glyoxysomen und Peroxisomen 6 Asparagin-Synthetase: Glutamin + Aspartat Asparagin + Glutamat im Cytosol von Blättern und Wurzeln und in Stickstofffixierenden Knollen 20. Wie verläuft der Weg der Elektrononübertragung auf Nitrat und Nitrit durch die Nitrat- bzw. Nitritreduktase, und in welchen jeweiligen Kompartimenten einer Mesophyllzelle finden diese Reaktionen statt? Reduktion von Nitrat zu Nitrit im Cytosol: Die Nitratreduktase höherer Pflanzen besteht aus zwei identischen Untereinheiten, die jeweils drei Gruppen enthalten: FAD, Häm und den Molybdän-Komplex (Molybdän komplexiert an den stickstofhaltigen Aromaten Pterin) Zwei Elektronen von NADH (selten NADPH) werden im ersten Schritt auf ein FAD (Flavin-Adenine- Dinukleotid) übertragen. Von dort gelangen sie über ein Häm auf den Molybdän Komplex, von welchem sie auf das Nitrat übertragen werden. Nitrat (NO - 3 ) wird somit zu Nitrit (NO - 2 ) reduziert. Reduktion von Nitrit zu Ammonium in Chloroplasten (Blätter) oder Plastiden (Wuzeln): Die Elektronen (6 in der Zahl) von Fdred (reduziertes Ferredoxin) gelangen zuerst in ein Eisen- Schwefel Zentrum (Fe4S4) und von dort über ein Häm auf das Nitrit. Die Nitritreduktase reduziert so Nitrit in einem Schritt zu Ammonium, ohne das weitere intermediären Redoxspezies des Stickstoffs freigesetzt werden. Reduziertes Ferredoxin stammt aus dem photosyntetischen é-transport in den Chloroplasten oder von NADPH aus dem oxidativen Pentosephosphat Zyklus im nichtgrünen Gewebe. Modell für die Kopplung des photosyntetischen Elektronenflusses über Ferredoxin an die Reduktion von Nitrit zu Ammonium durch die Nitritreduktase.

14 21. Die Glutamatdehydrogenase kann das Ammoniumion direkt in alpha-ketogluterat reduktiv unter Bildung von Glutamat einbauen. Warum verwenden Pflanzen den umständlichen Weg über die Glutaminsynthetase und die Glutamatsynthase? Syntheseweg 1 Glutamin-Synthase Glutamat + NH ATP Glutamin + ADP + Pi Glutamat-Synthase Glutamin + 2-Oxoglutarat + NADH + H + 2 Glutamat + NAD + Glutamat + NH ATP + 2-Oxoglutarat + NADH + H + 2 Glutamat + NAD + + ADP + Pi Syntheseweg 2 Glutamat-Dehydrogenase 2-Oxoglutarat + NH NAD(P)H Glutamat + NAD + + ADP + Pi Syntheseweg 1 beinhaltet im Gegensatz zu Syntheseweg 2 die Spaltung von ATP zu ADP und Pi mit G = -7 kcal/mol. Der Syntheseweg über Glutaminsynthetase und Glutamatsynthase ist also ernergetisch günstiger ist als derjenige über Glutamat-Dehydrogenase, wodurch Bakterien diesen vorziehen, obwohl er umständlicher ist. 22. Wie erfolgt die Bildung der Knöllchen in Leguminosenwurzeln? Beschreiben Sie die wesentlichen Schritte der Rhizobien-Pflanzen Interaktionen. Während der Wurzelknöllchen Entstehung finden 2 Prozesse gleichzeitig statt: Infektion und Knöllchen Organogenese: Infektion: Als Antwort auf chemische Signale, die die Pflanze ausscheidet, binden Rhizobien an ein entstehendes Wurzelhaar (A). Sie entlassen Nod Faktoren, die das Wurzelhaar veranlassen, in die Länge zu wachsen und sich zu kräuseln. Die Rhizobien werden dadurch in ein schmales Kompartiment eingeschlossen, in dem sie sich vermehren (B). An der Infektionsstelle kommt es u.a. als Antwort auf die Nod Faktoren zur lokalen Degradation der Wurzelhaar-Zellwand wodurch Bakterienzellen einen direkten Zugang zur äusseren Oberfläche der Plasmamembran der Pflanze erlangen. In der Folge entsteht der Infektionsfadens (infection thread), eine interne schlauchartige Einstülpung der Plasmamembran, gebildet

15 durch die Fusion von Golgi-Vesikeln an der Infektionsstelle (C). Der Infektionsfaden mit den prolieferierenden Rhizobien verlängert sich entlang des Wurzelhaares und am Ende der Zelle verschmilzt seine Membran mit der Plasmamembran der Wurzelhaarzelle. Die Rhizobien werden in den Apoplasten entlassen und penetrieren dann zur Plasmamembran der subepidermalen Zelle (E), wo ein neuer Infektionsfaden entsteht. Dieser bildet mit dem ersten einen offenen Kanal und verlängert sich durch die cortikale Wurzelzellschicht in Richtung des Knöllchen Primordiums (s. unten). Sobald der Infektionsfaden spezialisierte Zielzellen innerhalb des Knöllchen Primordiums erreicht, werden die Rhizobien in Vesikel eingschlossen, die sich dann von der pflanzlichen Plasmamembran abschnüren und ins Cytosol gelangen (F) Verzweigungen des Infektionsfadens im Knöllchen erlauben den Bakterien viele andere Zellen zu infizieren. Knöllchen-Organogenese: Tiefer im Wurzelkortex, in der Nähe des Xylem, differenzieren sich die corticalen Zellen und beginnen sich zu teilen. Sie formen auf diese Wiese einen getrennten Bereich innerhalb des Cortex (Knöllchen Primordium), aus welchem sich das Knöllchen bildet. Die Bakterien teilen sich so lange weiter, bis sie ein Stoppsignal der Pflanze erhalten. Dann beginnen sie sich zu vergrössern und differenzieren zu Stickstoff-fixierenden endosymbiontischen Organellen, sog. Bacteroiden aus. Die Membran um die Bacteroide wird Peribacteroidmembran genannt.

16 23. Welche Pflanzen sind, unter welchen Bedingungen, in der Lage, molekularen Stickstoff zu fixieren. Welche Reaktion katalysiert das verantwortliche Enzym (Gleichung)? N e H ATP Nitrogenase Enzym Komplex 2 NH 3 + H ADP + 16 P i Pflanzen können molekularen Stickstoff nur dann fixieren, wenn sie eine Symbiose mit stickstofffixierenden Bakterien eingehen. Diese leben in Wurzelknöllchen und versorgen die Wirtspflanze mit fixiertem Stickstoff und erhalten im Gegenzug andere Nährstoffe und Kohlenhydrate. Solche Symbiosen kommen z.b. vor zwischen Leguminosen (z.b. Bohnen, Erbsen, Soyabohnen etc) und Bodenbakterien der Gattung Rhizobia oder zwischen verschiedenen Holzpflanzen (z.b. Erlen) und Bodenbakterien der Gattung Frankia. Auch Gräsern gehen Symbiosen mit stickstofffixierenden Bakterien ein. Hier werden jedoch keine Wurzelknöllchen gebildet, sondern die stickstofffixierenden Bakterien besiedeln das Pflanzengewebe oder hängen sich an die Wurzeloberfläche (Elongationszone, Wurzelhaare). Es gibt aber auch freilebende stickstofffixierende Prokaryoten wie z.b. Cyanobacterien. So ist z.b der Wasserfarn Azolla durch Assoziation mit dem Cyanobakterium Anabaena in der Lage Stickstoff zu fixieren. Da das Enzym Nitrogenase (katalisiert Stickstofffixierung) durch Sauerstoff irreversibel inaktiviert wird, muss Stickstoff unter anaeroben Bedingungen fixiert werden! Die genannten stickstofffixierenden Bakterien funktionieren entweder unter anaeroben Bedingungen (z.b. in Wurzelknöllchen) oder können in Anwesenheit von Sauerstoff eine internale anaerobe Umgebung schaffen. Cyanobakterien besitzen beispielsweise spezialisierte Zellen zur Stickstofffixierung (Heterozysten), in denen anaerobe Bedingungen herrschen. Wurzelknöllchen enthalten ein sauerstoffbindendes Häm, genannt Leghämoglobin. Als Antwort auf die Infektion produziert die Pflanze Globin. Der bakterielle Symbiont produziert Häm. Leghämoglobin hat eine sehr hohe Affinität für Sauerstoff und ist dazu da, Sauerstoff an den atmenden bakteriellen Symbionten zu liefern. Stickstoff muss unter anaeroben Bedingungen fixiert werden. 24. Unter welchen Bedingungen, durch welchen Prozess, entstehen N 2 und N 2 O im Boden? Welchen Vorteil haben die betreffenden Organismen von diesen Reaktionen? Stickstoff kommt im Boden nicht in freier Form vor. Um den Stickstoff gebrauchen zu können, muss er zuerst fixiert werden. Dies geschieht durch Stickstofffixierung. In natürlichen Prozessen wird Stickstoff durch folgende Prozesse fixiert: - Blitz - Photochemische Reaktionen - Biologische Stickstofffixierung Ist der molekulare Stickstoff einmal in Ammonium oder Nitrat fixiert, tritt er in einen biogeochemischen Zyklus ein und wird chemisch verändert, bevor er schlussendlich wieder zum molekularen Stickstoff wird. Im Boden wird der Stickstoff von freilebenden stickstofffixierenden Bakterien fixiert. Falls die Bakterien mit einer Pflanze in Symbiose sind, wird die Pflanze mit Stickstoff versorgt. (s. auch Fragen 22 und 23) Vorteil: atmosphärischer Stickstoff wird den Pflanzen zugänglich gemacht. Ohne Bakterien wären sie nämlich nicht fähig, von diesem Vorrat gebrauch zu machen. 25. Was sind vesiculär - arbusculäre Mykorrhizen (VAM) und welche Prozesse spielen sich in ihnen ab? Vesiculäre - arbusculäre Mykorrhizen produzieren keinen kompakten Pilzmycelmantel um die Wurzeln. Die Hyphen dringen über Wurzelhaare oder die Epidermis in die Wurzel ein. Sie wachsen in den interzellulären Wand-Raum und dringen auch ins Innere der Cortexzellen ein. Dort bilden sie ovale Strukturen (Vesikel) und verzweigen sich zu bäumchenartigen Arbuskeln. Durch die Arbuskel wird eine grosse Oberfläche für den Nährstoffaustausch zwischen dem Pilz und der Wirtspflanze gebildet. Bei der Ausdehnung in die Cortexzellen durchbrechen die Pilzhyphen die Plasmamembran oder den Tonoplasten der Wirtszelle nicht, sondern sind umgeben von diesen Membranen, die sich ins Cytoplasma einstülpen. VAM machen bloss etwa 10% der Wurzelmasse aus. Man findet sie vor allem in Gemeinschaft mit den Wurzeln von krautartigen Angiospermen. Durch Symbiose mit VAM wird der Pflanze die

17 Nährstoffaufnahme erleichtert. VAM versorgt die Pflanze häuptsächlich mit Phosphor (eine Wurzel mit VAM kann Phosphat in 4mal höherer Konzentration transportieren im Gegensatz zu einer Pflanze ohne VAM) aber auch mit Spurenelementen wie Zink und Kupfer. Die Pflanze liefert dem Pilz im Gegenzug Kohlenhydrate. Man weiss eigentlich wenig über den Mechanismus für die Absorption der Nährstoffe. Bei den VAM diffundieren Nährstoffe vermutlich von intakten Arbuskeln zu den Cortexzellen der Wurzeln oder degenerierende Arbuskeln setzen ihren Inhalt in die Wirtszelle frei. Das Ausmass der Mykorhizzabildung mit den Pflanzenwurzeln hängt vom Ernährungsstatus der Wirtspflanze ab. Nährstoffmangel fördert eine Infektion, wohingegen Pflanzen mit einem Überangebot an Nährstoffen die Symbiose unterdrücken. Bei Düngung kann die Symbiose zum Parasitismus werden, da der Pilz von den pflanzlichen Kohlenhydraten profitiert, die Pflanze aber nicht mehr von der verbesserten Nährstoffaufnahm, sodass die Pflanze mit dem Mykorrhizapilz wie mit anderen Pathogenen verfährt. 26. Welche Makronährstoffe (-elemente) (ausser C, H, O) benötigt eine Pflanze, in welcher chemischen Form nimmt sie sie in der Regel auf, und was sind die jeweiligen wichtigsten Funktionen dieser Elemente (1-2 Stichworte) Makronährstoffe (-elemente) Aufnahmeform Funktionen Stickstoff N NH + - Bestandteil vieler pflanzlicher Zellkomponenten 4 wie Aminosäuren, Nukleinsäuren, Coenzyme, ect. - Aufbau der DNA 2- - Bestandteil zweier Aminosäuren sowie mehrerer Schwefel S SO 4 Coenzyme und Vitamine, die für den Stoffwechsel essentiell sind. Phosphor P H 2 PO 2- - Aufbau der Plasmamembran (Bestandteil von Phospholipiden) - Energie-Metabolismus (Bestandteil von ATP) - Aufbau der DNA (Bestandteil von Nukleotiden ) - Photosynthese/ Respiration (Bestandteil von Zucker-Phosphat Intermediaten der Zellatmung und der Photosynthese) - Bestandteil von Zellwänden (als hydatisiertes Silicium Si amorphes Siliciumdioxid (SiO 2 nh 2 O)

18 - mech. Stabilität der Zellwand (alternativ zu Lignin) + - Aufbau des Zellturgors Kalium K K - Aufrechterhaltung der Zellelektroneutralität - Cofaktor vieler Enzyme für Zellatmung und Photosynthese Calcium Ca Ca 2+ - Aufbau der Mittellamelle (bei Zellteilung) - Second messenger in Signaltransduktion, z.b. zur Aktivierung von Calmodulin - Funktion der Zellmembran - Bestandteil der mitotischen Spindel während Zellteilung Magnesium Mg Mg 2+ - Bestandteil von Chlorophyll - Aktivierung von Enzymen für Zellatmung, Photosynthese und DNA- und RNA-Synthese Chlor Cl - - notwendig für die wasserspaltende Reaktion der Photosynthese bei der Sauerstoff entsteht - für Zellteilung in Blättern und Wurzeln Mangan Mn 2+ - aktivieren Enzyme (Decarboxylase, Dehydrogenase) - Photosynthese Natrium Na + - C 4 und CAM Pflanzen brauchen Natrium zur C-Fixierung Eisen Fe 3+ s. Frage 27 Zink Zn 2+ - Enzymaktivierung - Chlorophyllsynthese Kupfer Cu 2+ - Enzyme der Redoxreaktionen (Bsp. Plastocyanin) - Bestandteil von Urease Nickel 27. Wozu benötigen Pflanzen das Element Eisen? Welche Probleme ergeben sich bei seiner Aufnahme aus dem Boden oder der Nährlösung und wie werden diese gelöst? Eisen kommt in der Pflanze vor allem in den Hämmolekülen der Cytochrome (in den Chloroplasten und Mitochondrien) vor, also in Enzymen, die in den Transport von Elektronen (Redoxreaktionen) involviert sind. Dabei wird es während dem Elektronentransport reversibel oxidiert von Fe 2+ zu Fe 3+. Eine wichtige Assimilationsreaktion für Eisen ist sein Einbau in die Porphyrinvorstufe von Häm. Diese Reaktion ist katalysiert vom Enzym Ferrochelatase. Des Weiteren beinhalten Eisensulfat Proteine der Elektronentransportkette nichthäm Eisen kovalent gebunden an die Schwefelatome der Cysteinreste im Apoprotein. Eisen wird ebenfalls in Fe 2 S 2 Zentren gefunden, die zwei Eisen (jedes komplexiert mit dem Schewfelatom der Cysteinreste) und zwei anorganische Sulfide enthalten. Freies Eisen (Eisen, welches nicht komplexiert ist) kann mit Sauerstoff interagieren und Superoxid (O 2 - ) bilden, welches Membrane zerstören kann (durch herabsetzen von ungesättigten Fettbestandteilen). Pflanzenzellen wirken diesem Mechanismus entgegen, indem sie überschüssiges Eisen in einem Eisen-Protein Komplex speichern: dem Phytoferritin. Pflanzen beziehen Eisen aus dem Boden, dort ist es vor allem in der Form Fe 3+, Fe(OH) 2+, Fe(OH) 3 und Fe(OH) 4-. Bei ph7 ist das Fe(III) hoch unlöslich. Um genügend Eisen aus dem Boden aufzunehmen, haben die Wurzeln einige Mechanismen entwickelt um die Eisenlöslichkeit und somit das Eisenangebot zu steigern. Diese Mechanismen sind folgende: Bodenansäuerung um die Löslichkeit von Fe(III) zu steigern (Während der Absorption und der Assimilation von Kationen (vor allem Ammonium) scheiden die Wurzeln Protonen aus.