5a Bestimmung der Saugspannung von Kartoffelknollengewebe

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1 5a Bestimmung der Saugspannung von Kartoffelknollengewebe Die Pflanzenzelle besitzt eine semipermeable Membran (Plamsalemma) und stellt somit ein osmotisches System da. Sie reagiert deshalb auf hyper- oder hypotonische Medien durch die Diffusion von Wasser (Osmose). Besitzt das Außenmedium eine geringere Konzentration, so strömt Wasser in die Zelle, ist dagegen die Konzentration im Außenmedium höher, so strömt Wasser aus der Zelle. Der physikalische Zusammenhang ist durch die osmotische Zustandsgleichung (S= π * - (P +/- A) )bestimmt. S= Saugspannung (positiv: Wasserabgabe, negativ: Wasseraufnahme) π * = potentieller Osmotischer Wert (osm. Druck den die Zelle in Osmometer ausüben würde) P +/- A= Gesamtheit aus Turgordruck (entspricht Wandruck W ) +/- Außendruck des Gewebes. Diese entsprechen der Differenz zwischen osmotischen Potential und der Saugspannung. Der Versuch wurde ausgeführt wie im Skript beschrieben. Siehe Blatt 2 Bei einer Konzentration des Außenmediums von ca über 0,32mol/l kommt es zu einer Gewichtszunahme, darunter zu einer Gewichtsabnahme. Dieser Zusammenhang spiegelt die osmotische Zustandsgleichung wieder. Bei ca 0,32mol/l Glucose ist das Außenmedium isoosmotisch mit dem Zellsaft, es kommt zu keinem Diffusionsausgleich durch Wasser und damit zu keiner Gewichtszunahme. Die Gewichtszunahme/abnahme steht im linearen Zusammenhang mit der Konzentration des Außenmediums. Nach dem Erreichen der Grenzplasmolyse fällt es der Zelle zunehmend schwerer Wasser abzugeben. Die Gerade in einem Gewichtsänderungs/Konzentrations-diagramm flacht deshalb bei zunehmender Konzentration des Außenmediums ab.

2 5b Bestimmung des potentiellen osmotischen Druckes von Zellsäften in Geweben mit der plamolytischen Methode Für die Konzentrationsbestimmung von Zellsäften kann man entweder das Verfahren der Kryoskopie benutzen oder die Zellen in verschieden konzentrierten Medien auf die Grenzplasmolyse untersuchen. Die Grenzplasmolyse in einer Zelle beschreibt den Zustand, in dem das Außenmedium nahezu isoosmotisch mit der Zelle ist (die Konzentration des Außenmediums ist leicht höher) und sich der Protoplast leicht von den Zellwandkanten abhebt. Im Zellverband ist die Grenzplasmolyse erreicht, wenn 50% der Zellen im plasmolysierten Zustand vorliegen. Durch das Erreichen der Grenzplasmolyse kann man also die Zellsaftkonzentration bestimmen. Siehe Blatt 2 Von 100 Zellen befinden sich bei einer Außenmediumskonzentration von ca 0,30 mol/l 50% der untersuchten Zellen im plasmolysierten Zustand. Dies entspricht der Definition für die Grenzplasmolyse in einem Zellverband, die Konzentration des Zellsaftes von Rhoeo discolor liegt also bei knapp 0,3mol/l. Die Zellsaftkonzentration liegt nicht genau bei dem durch das Experiment ermittelten Wert, da bei der Grenzplasmolyse schon etwas Wasser von der Zelle an das Außenmedium abgegeben wurde. Dieses Verfahren ist aber notwendig um die Zellsaftkonzentration bestimmen zu können, da man eine Zelle mit einem isoosmotischen Medium nicht von einer Zelle mit einem hypoosmotischen Medium durch die mikroskopische Beobachtung unterscheiden kann. 5c Herstellung einer künstlichen osmotischen Zelle

3 In einem hypoosmotischen Medium nimmt ein osmotisches System solange Flüssigkeit auf, bis der Wanddruck dem omsotischen Potential entspricht. Eine schwache Membran kann bei einem zu großen osmotischen Druck reißen. Bei der Traubeschen Zelle löst sich ein Kaliumhexacyanoferrat in Wasser-Kupfersulfatlösung und bildet mit dem Kupfer eine dünne semipermeable Membran. Der Kristall verfärbt sich sofort schwarz und bildet innerhalb kurzer Zeit anschwillende Membransäckchen aus. Nach einer Minute ist ein wachsen der Membransäckchen nach oben zu einem keulenförmigen Gebilde erkennbar. Nach ca 50 Minuten erfolgt ein Stillstand des Wachstums. Die Oberfläche des Kristalls löst sich in Wasser/Kupfersulfat und bildet mit dem Kupfer eine semipermeable Membran. Das Anschwillen der Membransäckchen wird durch das einströmende Wasser verursacht, da die Konzentration im Inneren größer als im Außenmedium ist. Nach kurzer Zeit hält die Membran dem Druck nicht mehr stand und platzt, sie bildet sich aber sofort wieder durch eine Reaktion mit dem Kupfersulfat im Außenmedium neu. Die Membran wächst generell nach oben, da dort der Außendruck der Lösung auf die Membran geringer ist. Eine Pfeffersche Zelle ist ein Tonzylinder (entspricht der Zellwand) mit einer semipermeablen Membran (Schweineblase, Kupferhexacyanoferrat, entspricht dem Plasmalemma) und ist mit einer hyperosmotischen Lösung gefüllt (entspricht dem Zellsaft). Die Pfeffersche Zelle wird als Osmometer zur Bestimmung des osmotischen Potentials einer Lösung verwendet, da einströmendes Wasser einen konzentrationsbedingten, messbaren Höhenunterschied im Steigrohr des Osmometers auslöst. Bei Pflanzen wird osmotisch das Wasser in die Wurzelhaare geleitet, symplastisch und apoplastisch bis zur Endodermis geleitet, von dort bis zum Xylemparenchym symplastisch weitergeleitet. Ionen werden durch aktiven (ATP-verbrauchender Vorgang) Transport in das Xylem geleitet, das Wasser folgt den Ionen durch Osmose. Somit beruht der Wurzeldruck auf der Osmose. Planzenphys.skript Heß,Pflanzenphysiologie, 10. Auflage 5d Guttation

4 Guttation ist die auf den Wurzeldruck basierende Ausscheidung des Wassers (Ionenfreie Xylemflüssigkeit) in den Hydathoden der Blätter einer Pflanze. Guttation ermöglicht der Pflanz einen Stofftransport, auch wenn die Transpiration durch eine sehr hohe Luftfeuchtigkeit ausfällt. Der Blutungssaft enthält im Vergleich zur Gluttationsflüssigkeit zusätzlich mineralische und organische Verbindungen, da bei ihm auch das Phloem beteiligt ist. Versuch wie im Skript beschrieben ausgeführt. Ergebniss: Die mit DNP behandelte Pflanze wies, im Gegensatz zu der Kontrollpflanze in Wasser, keinerlei Guttation auf. Guttation beruht auf Wurzeldruck. Dieser ist auf den aktiven, ATP-verbrauchenden Ionentransport von den Xylemparenchymzellen zum Xylem angewiesen. Durch die erhöhte Ionenkonzentration im Xylem strömt Wasser osmotisch nach und erzeugt so den Wurzeldruck. DNP hemmt die ATP-Synthese, da es die ATP-Synthese vom Elektronentransport entkoppelt und so eine ATP-Bildung unterbindet. Die DNP-Pflanze ist nicht in der Lage, ATP zu produzieren, sie kann deshalb kein Wurzeldruck aufbauen, es kommt zu keiner Guttation. Literaturhinweise: 5e Demonstration des Transpirationssogs Der Transpirationssog beruht auf ein Potentialsgefälle zwischen wasserreichem Boden und wasserarmer Atmosphäre. Die Pflanze kann also ohne Energieaufwand das Wasser in Richtung des Potentialgefälles transportieren. Dabei spielen Kohäsions-

5 (Wassermolekülbindungen untereinander) und Adhäsionskräfte (Wassermoleküle von Xylemzellwand angezogen) eine wichtige Rolle. Material/Methode: Nach 5 Sekunden ist eine erste Rotfärbung in den Xylemleitbündel des Sprosses erkennbar. Nach 10 Minuten sind die Xylemstrahlen in den Blättern rot gefärbt, nach einer halben Stunde erkennt man die Hydathoden durch ihre Rotfärbung. Nach einer Stunde sind sämtliche Xylemgefäße in den Blättern gefärbt. Der Farbstoff Säurefuchsin wird durch den Transpirationssog nach oben gesaugt. Er wird nur im Xylem gespeichert, durch das er transportiert wird und lagert sich in den Hydathoden ab. 5f Nachweis der stomatären und cuticulären Transpiration mit Kobaltchloridpapier Die Transpiration erfolgt über die Stomata (kontrollierbar) und über die Kutikula (kann nicht von der Pflanze kontrolliert werden), die cuticuläre Transpiration beträgt aber nur einen geringen Prozentsatz der insgesamten Transpiration. Als Indikator für die Transpiration

6 (Wasserabgabe) dient Kobaltchloridpapier, das sich vom wasserfreien (blauen) Zustand in wasserhaltiges (rotes) Kobaltchlorid umwandeln kann. Material/Methode: Nach 5 Minuten ist eine erste Verfärbung des Papieres bei beiden Blättern sichtbar. Nach 30 Minuten kann man bei den Monokotylen auf Ober- und Unterseite eine schwache Verfärbung feststellen, die vom Rand bis zum Blattzentrum abnimmt. Bei Dikotylen beschränkt sich die Verfärbung auf die Unterseite, ein deutlicher Umriß des Blattes ist erkennbar, die Verfärbung ist gleichmäßig verteilt. Die Dikotylen besitzen auf der Oberseite eine wasserundurchlässige Kutikula, auf der Unterseite sind alle Stomata lokalisiert. Die Wasserabgabe durch Transpiration beschränkt sich deshalb auf der lichtabgewandten Unterseite. Bei den Monokotylen kann man nicht zwischen einer lichtabgewandten und lichtzugewandten Seite unterscheiden, beide Seiten sind gleichmäßig mit Stomata besetzt. 5g Selektive Permeabilität der Membranen Biomembranen sind selektive Membranen aus amphipatischen Lipiden mit eingelagerten Proteinen. Unpolare, kleine und gasförmige Moleküle können durch die Membran

7 ungehindert diffundieren, große oder polare Moleküle sind auf spezielle Transportmechanismen (eingelagerte Membranproteine) angewiesen. Material/Methode: Die kirschrote Hefe-Neutralrot-Suspension färbt sich bei Zugabe von Ammoniak-Lösung braun, bei einer Zugabe von Kaliumlauge kommt es zu keiner Entfärbung. Das Neutralrot wird von den Hefezellen aufgenommen und wegen dem dort herrschenden niedrigen ph-wert in die polare, rote Form überführt. Die Membran der Hefezellen-Vakuolen ist für die polaren Hydroxid-Ionen undurchlässig, es kommt zu keiner ph-veränderung in den Hefezellen und somit zu keiner Entfärbung. Die neutralen Ammoniak-Moleküle können durch die Hefezellenvakuolen-membran diffundieren und erhöhen dort den ph-wert durch ihre Reaktion zu Ammonium. Durch den erhöhten ph-wert wechselt das Neutralrot-Kation in seine neutrale, braune Form, die Lösung färbt sich braun.