Pflanzenphysiologisches Grundpraktikum Wasserhaushalt. 1.1 Aufbau der Pflanzenzelle... 2

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1 1. Theoretischer Hintergrund Aufbau der Pflanzenzelle Physikalische Prozesse zur Regulation des s Diffusion Osmose Quellung Plasmolyse Potentiale Biologische Prozesse zur Regulation des s Aufnahme von Wasser / Salzen in das Leitgewebe und anschließender lateraler Transport Wurzeldruck und Transpiration als Mechanismen für den Aufstiegstransport Der Abstiegstransport (Assimilatstrom) Pfeffersche Zelle (Osmometer) Material und Methoden Versuch1: Bestimmung des Wasserpotentials durch Grenzplasmolyse Versuch 2: Bestimmung des osmotischen Werts des Zellsaftes durch Plasmolyse Ergebnisse Versuch 1: Bestimmung des Wasserpotentials durch Grenzplasmolyse Versuch 2: Bestimmung des osmotischen Werts des Zellsaftes durch Plasmolyse Diskussion Versuch 1: Bestimmung des Wasserpotentials durch Grenzplasmolyse Versuch 2: Bestimmung des osmotischen Werts des Zellsaftes durch Plasmolyse Zusammenfassung

2 1. Theoretischer Hintergrund 1.1 Aufbau der Pflanzenzelle Die Pflanzenzelle kann zunächst grob in die Bestandteile Zellwand und Protoplast unterteilt werden. Der Protoplast wiederum setzt sich zusammen aus dem Protoplasma und den darin eingeschlossenen Vakuolen. Das Protoplasma wird aufgegliedert in Nucleus und Cytoplasma. Im Cytoplasma findet man Mitochondrien und Plastide, sowie sämtliche Zellorganellen und -bestandteile (Ribosomen, Endoplasmatisches Reticulum, Golgi- Apparat, Mikrotubuli, Mikrofilamente und Peroxisomen). Abb.1: Struktur der Pflanzenzelle [aus: Nultsch, Allgemeine Botanik, S. 70, 10. Auflage, 1996, Thieme Verlag] n = Nucleus l = Lipidtröpfchen no = Nucleolus kh = Kernhülle rer = rauhes Endoplasmatisches Reticulum pp = Proplastid pd = Plasmodesmos m = Mitochondrium pw = Primärwand v = Vakuole ml = Mittellamelle r = Ribosom pl = Plamalemma ger = glattes Endoplasmatisches Reticulum d = Dityosomen t = Tüpfel Pflanzliche Zellen verfügen im Unterschied zu tierischen Zellen über drei Hauptcharakteristika: - Zellsaftvakuole - Zellwand - Plastiden 2

3 Die Vakuole entsteht aus Golgi- Vesikeln oder Erweiterungen des ER und ist mit Zellsaft gefüllt. Sie dient der Speicherung von Stoffen (Primärstoffe: v.a. Kohlenhydrate und organische Säuren; Sekundärstoffe: z.b. Glycoside und Alkaloide; Kristalle: Exkrete aus anorganischen Ionen, wie z.b. Calciumoxalat), dem Abbau von Makromolekülen und der Regulation des s der Pflanze. In ausgewachsenen Pflanzenzellen nimmt meist eine große Zentralvakuole bis zu 95% des Zellraums ein und drängt den Protoplasten auf einen dünnen Wandbelag zurück. Die Vakuole wird gegen den Protoplasten durch eine Membran abgegrenzt, die als Tonoplast bezeichnet wird. Die Zellwand liegt außen der Plasmamembran an und dient der Stabilisierung sowie dem Zusammenhalt der Zelle (Widerstand gegen den Vakuolendruck). Die Grundsubstanz der pflanzlichen Zellwand ist die Cellulose: aus Cellulosemolekülen bestehende Mikrofibrillen sind in eine Matrix aus Hemicellulosen, Protopectin und Proteinen eingebettet. Die Zellwand der Pflanzen ist charakterisiert durch ihren Schichtaufbau: - Die Mittellamelle verbindet als Interzellularsubstanz benachbarte Zellen. - Die Primärwand wird auf beiden Seiten von den Tochterzellen an die Mittellamelle angelagert; sie ist charakterisiert durch ihre Streuungstextur (lockere, wirre Anordnung der Mikrofibrillen in der Matrix) und enthält nur wenig Cellulose (5 30%). Auf Grund dieser Eigenschaften ist die Primärwand dehnbar und kann sich so der Größenzunahme einer wachsenden Zelle anpassen. - Nach Abschluss des Zellwachstums kommt es zur Anlagerung der Sekundärwand an die Primärwand. Diese Sekundärwand zeichnet sich durch einen hohen Celluloseanteil und eine Paralleltextur ( parallele Anordnung der Mikrofibrillen) aus. In die Zellwand können weitere Stoffe ein- oder aufgelagert werden; dadurch entstehen sekundäre Veränderungen: Verholzung (Einlagerung von Lignin), Mineralisierung (Einlagerung mineralischer Substanzen) und Verkorkung (Auflagerung suberinhaltiger Schichten). Alle photoautotrophen Organismen sind charakterisiert durch den Besitz von Plastiden. Photoautotrophe Organismen nutzen Licht als Energiequelle und gewinnen den benötigten Kohlenstoffvorrat durch CO 2 - Fixierung. Die einzelnen Plastiden sind unterschiedlich ausgebildete Zellorganellen, die im Cytoplasma liegen und von einer Doppelmembran umgeben sind. 3

4 - Alle Plastidentypen entstehen aus den Proplastiden der meristematischen Zellen. Die Proplastiden sind sehr teilungsfähig und stellen eine pigmentlose sowie veränderliche (undifferenzierte) Vorform der unterschiedlichen Plastidentypen dar. Unter Lichteinwirkung können aus den Proplastiden Chloroplasten, Leukoplasten oder Chromoplasten entstehen, während sich bei Lichtmangel Etioplasten entwickeln. - Die Leukoplasten sind nicht pigmentiert; man findet sie deshalb in Pflanzenteilen, die keine Photosynthese betreiben, vor allem in der Epidermis und in unterirdischen Organen. Die Leukoplasten haben oft Speicherfunktion: sie speichern Öl (Elaioplasten), Proteinkristalle (Proteinoplasten) und Stärke (Amyloplasten). - Die Etioplasten entwickeln sich unter Lichtmangel aus den Proplastiden oder bereits gebildeten Chloroplasten. Auf Grund des Lichtmangels enthalten die Etioplasten kein Chlorophyll a, sondern eine Vorstufe, das sog. Protochlorophyllid. Anstatt der normalen Thylakoidmembranen bilden sich sog. Prolamellarkörper, in denen die Bausteine der Thylakoidmembran gespeichert werden. Schon bei geringer Belichtung wandeln sich die Prolamellarkörper in Thylakoide und die Protochlorophyllide in Chlorophyll a um. - Unter Lichteinwirkung entwickeln sich aus Proplastiden oder Etioplasten die Chloroplasten. Sie sind die Organellen der Photosynthese und vieler anderer Synthesen (z.b. Fettsäuren, Lipide und Aromaten). Man findet die grün gefärbten Chloroplasten nur in Pflanzenteilen, die dem Licht ausgesetzt sind. In die farblose Chloroplastenmatrix, das Stroma, sind die pigmentierten Thylakoide eingelagert: die Thylakoidmembranen sind die Orte der Lichtreaktionen und enthalten die Photosynthesepigmente (v.a. Chlorophyll a und b, Carotinoide und Xanthophylle) Das Stroma ist der Ort der Dunkelreaktion, man findet dort die Enzyme der CO 2 - Fixierung. Außerdem liegen im Stroma auch Stärkekörner und Speicherproteine. - Die Chromoplasten sind durch den Besitz von Carotinoiden und Xanthophyllen gelb, orange oder rot gefärbt; sie enthalten kein Chlorophyll, das heißt, sie sind photosynthetisch nicht aktiv. Die Chromoplasten können aus Proplastiden, Chloroplasten oder Leukoplasten entstehen und kommen vor allem in Blüten und Früchten vor; ihre Hauptfunktion liegt in der Anlockung von Tieren zur Bestäubung und Fruchtverbreitung. - Die Gerontoplasten sind die durch Carotinoide und Xanthophylle gelb, orange oder rot gefärbten Plastiden des Herbstlaubs; sie entstehen aus den Chloroplasten durch katabole Alterungsprozesse, also den Abbau von Proteinen, Stärke und Chlorophyllen. 4

5 1.2 Physikalische Prozesse zur Regulation des s Diffusion Unter Diffusion versteht man einen Konzentrationsausgleich, bei dem sich die Teilchen eines gasförmigen oder gelösten Stoffes im gesamten zur Verfügung stehenden Raum auf Grund der Brown`schen Molekularbewegung ausbreiten. Verschiedene Stoffe mit unterschiedlicher Konzentration vermischen sich und werden im Raum gleichmäßig verteilt, die Stoffe streben eine größtmögliche Entropie und somit eine Gleichverteilung an (2. Hauptsatz der Thermodynamik). Die Diffusion erfolgt stets vom Ort der höheren zum Ort der niedrigeren Konzentration, das bedeutet, die Teilchen wandern immer entlang des Konzentrationsgradienten. Neben der chemischen Komponente muss man bei der Diffusion auch den Zeitfaktor berücksichtigen: die Teilchen bewegen sich auf Grund der Brown`schen Molekularbewegung immer weiter, selbst wenn bereits ein Konzentrationsausgleich stattgefunden hat. Für die Diffusionsintensität im freien Raum (z.b. Gasmoleküle in Luft oder Zuckermoleküle in Wasser) gilt das 1. Fick`sche Gesetz: dn dt = D F dc dx dn/dt = Anzahl von Teilchen, die während des Zeitabschnitts dt durch die senkrecht zur Diffusionsfläche gedachte Grenzfläche F diffundieren F = Grenzfläche D = Diffusionskoeffizient (abhängig von der Größe des Teilchens und vom Diffusionsmedium) dc/dx = Konzentrationsgradient entlang der Diffusionskoordinate Abb.2: Diffusionsintensität im freien Raum [aus: Schopfer, Mohr, Lehrbuch der Pflanzenphysiologie, S. 121, Abb.122a, 3. Auflage, 1978, Springer- Verlag] 5

6 1.2.2 Osmose Unter Osmose versteht man die Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran. Diese semipermeablen Membranen, die für größere Moleküle eines gelösten Stoffes undurchlässig und für kleinere Moleküle (wie des Lösungsmittels Wasser) durchlässig sind, sind bei der Pflanzenzelle das Plasmalemma und der Tonoplast. Die Membranen haben also hauptsächlich die Funktion, den Stoffaustausch zu regulieren. Die Richtung der Osmose ergibt sich durch den Unterschied in der Gesamtkonzentration gelöster Teilchen. Wasser diffundiert von der hypotonischen in die hypertonische Lösung, im Bestreben, sie zu verdünnen. Abb.3: Osmose [aus: Campbell, Biologie, S. 162, 2. korrigierter Nachdruck 2000, Spektrum-Verlag] Die Osmose wird bei der Pflanzenzelle durch den physikalischen Druck der Zellwand beeinflusst. Der Begriff Wasserpotential (_) fasst die kombinierte Wirkung der beiden Faktoren Konzentration der gelösten Substanzen und Druck zusammen Quellung Unter Quellung versteht man eine Art der Diffusion, bei der bis zur Sättigung des Wasserpotentialdefizits durch den Embryo Wasser aufgenommen wird. Während der Quellung ist im Samen das Wasserpotential erniedrigt; dadurch entsteht ein Potentialgradient zur Umgebung, das heißt, Wasser dringt in die Zelle ein. Es handelt sich bei diesem Vorgang um einen rein physikalischen Prozess, an dem der Stoffwechsel nicht beteiligt ist; so kann die Quellung z.b. auch bei niedrigen Temperaturen ablaufen. 6

7 Die Samen nehmen schnell Wasser auf (Volumen- und Gewichtszunahme des quellbaren Körpers durch Einlagerung von Wasser- oder anderen Lösemittelmolekülen) und verbleiben dann einige Stunden im voll gequollenen Zustand. Nach etwa 12 Stunden setzt schließlich die Wachstumsphase ein, was an einer erneuten Wasseraufnahme erkennbar ist. Der Vorgang der Quellung ist reversibel, was bedeutet, dass die Samen auch Wasser abgeben und so austrocknen können; diese Entquellung spielt z.b. bei der Verbreitung von Sporen eine entscheidende Rolle Plasmolyse Unter Plasmolyse versteht man die Abnahme der Wanddehnung und die anschließende Ablösung des Protoplasten von der Zellwand. Befindet sich die Pflanzenzelle in einer hypertonischen Lösung, verliert der Protoplast durch Osmose Wasser an die Umgebung und schrumpft, dabei löst er sich von der Zellwand ab; manchmal bleibt er auch über die sog. Hecht`schen Fäden mit den Plasmodesmen der Zellwand verbunden. Die Deplasmolyse stellt das Gegenteil der Plasmolyse dar: Bringt man die plasmolysierte Zelle in hypotonische Lösung, so diffundiert Wasser in die Vakuole und der Protoplast legt sich wieder an die Zellwand an. Am stabilsten ist eine vollturgeszente Zelle, von ihr kann kein Wasser mehr aufgenommen werden. Unter der Grenzplasmolyse versteht man das Stadium, in dem der Protoplast gerade anfängt, sich von der Zellwand zu lösen Potentiale Man unterscheidet drei verschiedene Potentiale, die an der Regulation des Stoffaustausches beteiligt sind: das Wasserpotential, das Matrixpotential und das Druckpotential. (a) Das Wasserpotential _ W Das Wasserpotential dient zur Bestimmung des Wasserzustands einer Zelle. Dabei ist es definiert als der Druck, mit dem ein System Wasser an ein Bezugssystem abgibt. Ein negativer Wert des Drucks gibt an, dass Wasser aus dem Bezugssystem aufgenommen wird. 7

8 Das Wasserpotential ist durch folgende Gleichung charakterisiert: Y W mw - m = V W 0 W _ W = chemisches Potential des Wassers [J/mol] _ W 0 = chemisches Potential des reinen Wassers unter Standardbedingungen (25 C, 1.013bar) [J/mol] V W = partielles Molvolumen des Wassers [ m_/mol] Reines Wasser zeichnet sich durch ein Wasserpotential von 0 aus. Biologische Systeme dagegen weisen ein Potential auf, das kleiner oder gleich 0 ist. Das Wasser bewegt sich durch eine Membran immer von der Lösung mit dem höheren Potential zur Lösung mit dem niedrigeren Potential. Befindet sich eine pflanzliche Zelle in einem Medium, dessen Wasserpotential höher als das eigene ist, kommt es aus osmotischen Gründen zur Wasseraufnahme durch die Zelle. Das Wort Potential bezieht sich auf die Fähigkeit (potentielle Energie) des Wassers, Arbeit zu leisten, wenn es sich von einem Bereich mit höherem Wasserpotential zu einer Stelle mit niedrigerem Wasserpotential bewegt. (b) Das Druckpotential _ p Durch den osmotischen Wassereinstrom entsteht in der Zelle ein hydrostatischer Druck (Turgordruck, Druckpotential _ p ). Der Turgordruck drückt das Plasmalemma gegen die Zellwand und dehnt diese solange, bis der Wanddruck W (Gegendruck der Zellwand) das Druckpotential vollständig ausgeglichen hat. Der osmotische Wassereinstrom findet solange statt, bis der hydrostatische Druck gleich dem Zellwanddruck ist: YW = P = W Sobald kein Wasser mehr von der Zelle aufgenommen wird, befindet sich die Zelle im vollturgeszenten Zustand, die vollständige Sättigung ist erreicht. Diesen Zustand findet man nur bei reinem Wasser. 8

9 Bei einem Zellverband muss auch noch der Gewebedruck G, bei dem es sich um die Zugund Druckwirkungen der benachbarten Zellen handelt, miteinbezogen werden: Yp = W ± G Den Antagonisten des Turgordrucks bezeichnet man als osmotisches Potential _ ϖ. Es ergibt sich aus der Differenz zwischen dem Potential des Zellsaftes und der Außenlösung: DY p = Y - Y p i p a (c) Das Matrixpotential Das Matrixpotential gibt die Quellungskapazität von Stoffen in einer Zelle an. Als quellbare Stoffe werden geladene Stoffe bezeichnet, die man hauptsächlich im Cytoplasma und der Vakuole findet. Der Quellungsdruck _ entsteht durch die Einlagerung von Wasser oder einem anderen Lösemittel in einen quellbaren Körper. Unter natürlichen Bedingungen ist das Matrixpotential negativ, da die Stoffe ihr Quellungsmaximum meist nicht erreichen. Das gesamte Wasserpotential einer Zelle ergibt sich durch die Addition der Einzelpotentiale: Y W = Y p + Yp + Y t _ W = gesamtes Wasserpotential der Zelle _ p = Druckpotential (hydrostatischer Druck) _ ϖ = osmotisches Potential = Matrixpotential 9

10 1.3 Biologische Prozesse zur Regulation des s Die Pflanze selbst kann prinzipiell über ihre ganze Oberfläche Wasser aufnehmen (z.b. bei Wasserpflanzen). Bei den Landpflanzen findet man allerdings Anpassungen an ihren Lebensraum, so z.b. die Entwicklung von Transpirationswiderständen (Korkgewebe, Cuticula) und speziellen Wasser und Salz aufnehmenden Organen, den Wurzeln Aufnahme von Wasser / Salzen in das Leitgewebe und anschließender lateraler Transport Sowohl das Wasser als auch die Mineralsalze werden aus dem Boden über die Wurzelhaare (Ausstülpungen der epidermalen Zellen) aufgenommen. Diese Aufnahme kann allerdings nur dann stattfinden, wenn zwischen Boden und Pflanze eine Potentialdifferenz herrscht. Das Wasserpotential der Wurzel muss kleiner, also stärker negativ als das des Bodens sein, damit es zum Wassereinstrom kommen kann. Die Wurzel kann die Potentialdifferenz zum Boden sogar erhöhen, indem z.b. die Salzkonzentration in den Vakuolen erhöht wird oder durch bestimmte Kräfte zurückgehaltenes Wasser weitertransportiert wird. Bei Vorhandensein der benötigten Potentialdifferenz treten Wasser und darin gelöste Ionen zunächst in die Wurzelhaar- Zellwand ein. Durch die Wurzelrinde gelangen sie entweder auf symplastischem oder auf apoplastischem Weg zum Zentralzylinder (siehe Abb.4). Abb.4: Lateraler Wasser- und Salztransport in Wurzeln [aus: Campbell, Biologie, S. 768, 2. korrigierter Nachdruck 2000, Spektrum-Verlag] Beim apoplastischen Weg kommt es zur Aufnahme der hydrophilen Bodenlösung durch die hydrophilen Wände der Epidermis; so gelangt sie in den Apoplasten und sickert entlang der Matrix aus Wandzellen in die Wurzelrinde. 10

11 Im Anschluss durchqueren Wasser und Nährsalze die Plasmamembran und treten in den Symplasten ein, da die Caspary- Streifen im Apoplasten eine Barriere bilden, die nicht überwunden werden kann. Die Caspary- Streifen befinden sich im Innern jeder Endodermiszelle und bestehen aus wachsartigem, also hydrophobem Material, das heißt, sie blockieren auf diesem Wege die Passage der hydrophilen Wassermoleküle und wirken so als Selektivfilter für Mineralstoffe: nur Mineralstoffe, die sich bereits im Symplasten befinden oder durch Querung der Plasmamembran einer Endodermiszelle dorthin gelangt sind, können in den Zentralzylinder eintreten. Im Zentralzylinder geben Endodermis- und Parenchymzellen Wasser und Salz in ihre Wände ab, die als Teil des Apoplasten in die Xylemgefäße übergehen. Im Anschluss daran beginnt der Aufstieg der durch die Wurzeln absorbierten Bodenlösung durch das Xylem in den Spross Wurzeldruck und Transpiration als Mechanismen für den Aufstiegstransport Der Aufstieg des Wassers und der Nährsalze ist sowohl vom Wurzeldruck als auch vom Transpirationssog abhängig. (a) Wurzeldruck Unter dem Wurzeldruck versteht man den hydrostatischen Druck im Zentralzylinder der Wurzel, der durch aktiven Transport von Ionen und anderen osmotisch wirksamen Substanzen aus dem Xylemparenchym in das Leitgewebe des Xylems entsteht. Die im Zentralzylinder befindlichen Ionen können auf Grund der Endodermis nicht mehr hinaus; das Wasserpotential ist dort also niedrig (je mehr Ionen vorhanden sind, umso kleiner ist das Wasserpotential). Aus osmotischen Gründen kommt es zum Wassereinstrom in die Stele, die für den Wurzeldruck verantwortlich ist. Überschüssiges Wasser kann auf zwei verschiedene Arten von der Pflanze abgegeben werden, durch Transpiration (Wasserdampf) und Guttation (Wassertröpfchen). Guttation findet bei geringer Transpiration statt: die Pflanzen sondern kleine Wassertropfen an den Blattspitzen ab. Dieses Phänomen ist vor allem morgens zu beobachten, da die Transpirationsrate nachts sehr gering ist, die Wurzeln aber trotzdem Minerale aus dem Boden aufnehmen. Der Xylemsaft kann durch den Wurzeldruck einige Meter in die Höhe gedrückt werden. 11

12 (b) Transpirationsstrom Beim Transpirationsstrom werden im Xylem Wasser und darin gelöste Substanzen von der Wurzel in die Blätter der Pflanzen transportiert. Der Transpirationsstrom entsteht durch die Differenz des hohen Wasserstoffpotentials des Bodens und des niedrigen Potentials der trockenen Luft. Der Transpirationssog verursacht einen Unterdruck in den Leitelementen des Xylems, auf Grund dessen sich das Wasser, ohne dass Energie aufgewandt werden muss, nach oben bewegt. Ein Abreißen des Wasserfadens wird durch Kohäsionskräfte (Wasserstoffbrückenbildung) verhindert. Die Triebkraft für diesen Transportprozess entsteht durch die Verdunstung von Wasser an der Blattoberfläche. Man kann zwei Arten der Transpiration unterscheiden, die stomatäre und die cuticuläre Transpiration. - Stomatäre Transpiration: Die Stomata der Blätter führen in Interzellularräume, die dafür zuständig sind, dass den Mesophyllzellen das für die Photosynthese benötigte CO 2 zugeführt werden kann. In den Interzellularräumen ist die Luft mit Wasserdampf gesättigt, da sie in direktem Kontakt mit den feuchtem Zellwänden steht. Die Luft im Außenraum ist meist trockener als die Luft im Inneren des Blattes, das heißt, in der äußeren Luft ist die Wasserkonzentration geringer als im Blattinnenraum. Aus diesem Grund diffundiert Wasser mit dem Konzentrationsgefälle durch die Stomata nach außen. Die stomatäre Transpiration macht ungefähr 90% der Gesamttranspiration aus und ist von der Pflanze durch die Öffnungsstärke der Stomata aktiv regulierbar. Die Schließzellen der Spaltöffnungen können in Abhängigkeit von den gegebenen Außenfaktoren (z.b. Licht, Wärme, Luftfeuchtigkeit) die Öffnungsweite ändern. In der Regel öffnen sich die Spaltöffnungen im Laufe des Vormittags auf Grund der immer größer werdenden Wasserpotentialdifferenz zwischen Blattinnenraum und Außenraum. Um den Wasserverlust durch stomatäre Transpiration zu verhindern, schließen beispielsweise Pflanzen in heißen Gebieten über die Mittagszeit ihre Spaltöffnungen ganz. 12

13 - Cuticuläre Transpiration: Die cuticuläre Transpiration kann, im Gegensatz zur stomatären Transpiration, von der Pflanze nicht aktiv reguliert und beeinflusst werden. Augrund einer Wasserpotentialdifferenz zwischen Umgebung und Blattinnenraum wird durch die Epidermiszellen der Außenwände Wasser an die Umgebung abgegeben. Um diese Art des Wasserverlustes zu vermindern, haben die Pflanzen drei verschiedene Strategien entwickelt: Wachsauflagerung, Verkorkung und Verstärkung der Cuticula Der Abstiegstransport (Assimilatstrom) Im Gegensatz zum Aufstiegstransport, der im Xylem stattfindet, läuft der Abwärtstransport immer im Phloem ab. In den Siebröhren werden die Photoassimilate immer von den Zuckerquellen zu den Orten des Verbrauchs transportiert. Die Richtung und quantitative Aufteilung des Assimilatstroms ist nicht konstant, sondern unterliegt einer bedarfsabhängigen Regulation. Unter Zuckerquellen (sources) versteht man Pflanzenorgane, in denen Zucker entweder durch Photosynthese oder durch den Abbau von Stärke gewonnen wird. In der Regel gehören die Blätter einer Pflanze zu den sources. Bei der Photoassimilatverteilung werden aus den exportierenden Blättern die Photosyntheseprodukte meist auf mehrere Empfängerorgane (sinks) verteilt. Unter sinks (Abflüssen) versteht man Orte des Zuckerverbrauchs, an denen Zucker verwertet oder gespeichert wird. Zu den Zucker verbrauchenden Orten zählen im Wachstum befindliche Wurzeln, Sprossachsen und Früchte ebenso wie nicht-grüne Stengel oder Stämme. Der Mechanismus des Assimilatstroms kann mit Hilfe der Druckstromtheorie erklärt werden: Der Saft der Siebröhren wird mit Hilfe des Massenstroms, der auf Druckunterschieden beruht, bewegt. 13

14 Bei Beladung des Phloems entsteht in der Siebröhre eine an löslichen Stoffen hypertonische Lösung. Aus osmotischen Gründen strömt Wasser in die Siebröhren nach (um die hypertonische Lösung zu verdünnen ). In der Siebröhre entsteht so ein hydrostatischer Druck, der in der Nähe der Zuckerquelle am höchsten ist. Abb.5: Druckstrom und Transpirationsstrom (Campbell, Biologie, S. 776, 2. korrigierter Nachdruck 2000, Spektrum-Verlag) In der Nähe der sinks wird das Wasser wieder abgegeben, der hydrostatische Druck ist dort am niedrigsten. Die Wasserabgabe kommt dadurch zustande, dass außerhalb der Siebröhre das Wasserpotential auf Grund des Saccharoseaustritts abnimmt. Dadurch, dass am source- Ende Druck aufgebaut wird, der zum sink- Ende hin abnimmt, kann das Wasser von der Quelle zum Verbrauchsort fließen und dabei den Zucker mitführen. 14

15 1.4 Pfeffersche Zelle (Osmometer) Unter der Pfefferschen Zelle versteht man ein Analogiemodell zur Pflanzenzelle, mit Hilfe dessen man das osmotische Potential einer Lösung mittels der Messung des hydrostatischen Drucks, den diese Lösung im Gleichgewicht mit reinem Wasser entwickeln kann, bestimmt. Aufbau der Pefferschen Zelle: Die Pfeffersche Zelle ist aus einem mit Wasser bzw. einem Lösemittel (_ W = 0) gefüllten Gefäß aufgebaut, in das ein eine Rohrzuckerlösung enthaltender Tonzylinder (_ W < 0) gesteckt wird. Abb.6: Pfeffersche Zelle [aus: Nultsch, Allgemeine Botanik, S. 55, 10. Auflage, 1996, Thieme Verlag] m = Quecksilbermanometer l = zu messende Lösung t = Tonzylinder w = Wasser n = Niederschlagsmembran Im Tonzylinder, der eine semipermeable Membran trägt und der mit einem Stopfen verschlossen ist, befindet sich also eine im Vergleich zum Außenraum hyperosmotische Flüssigkeit. Aus diesem Grund entsteht ein Diffusionsdruck: dabei diffundiert das Wasser aus dem Glasgefäß in den Innenraum des Tonzylinders, das bedeutet, das Wasser fließt vom Ort des höheren Wasserpotentials zu einer Stelle mit niedrigerem Potential. Am Tonzylinder ist ein Steigrohr befestigt, mit Hilfe dessen der osmotische Druck gemessen werden kann. Auf Grund des Wassereinstroms steigt die Wassersäule im Steigrohr solange an, bis der von ihr entwickelte Turgordruck gleich dem osmotischen Druck ist. 15

16 In der folgenden Tabelle sind die sich entsprechenden Systemelemente der Pflanzenzelle und der Pfefferschen Zelle einander gegenübergestellt: Tab.1: Sich entsprechende Systemelemente der Pfefferschen und der Pflanzenzelle [nach: Schopfer, Brennicke, Pflanzenphysiologie, S.47, 5. Auflage, 1999, Springer Verlag] Osmometer Pflanzenzelle mit Wasser gefüllter Außenraum mit Lösung gefüllter Innenraum anorganische, semipermeable Haut im Tonzylinder Anstieg der Wassersäule im Steigrohr mit Wasser gesättigter, freier Diffusionsraum der Zellwand mit Zellsaft gefüllte Vakuole semipermeabler Protoplasmabelag dehnbare, aber reißfeste Zellwand 16

17 2. Material und Methoden 2.1 Versuch1: Bestimmung des Wasserpotentials durch Grenzplasmolyse Zu Beginn des ersten Versuchsteils werden zunächst 13 Petrischalen mit jeweils 30 ml unterschiedlich konzentrierten Zuckerlösungen (in 0,05er-Schritten von 0-0,6 M) vorbereitet; verwendet wird dabei eine 1M Saccharoselösung, wobei die davon eingesetzten Volumen für die jeweiligen Konzentrationen berechnet werden müssen. Währenddessen werden mit Hilfe eines Messers Kartoffeln in 13, etwa 3g schwere Scheiben geschnitten. Das genaue Gewicht der 13 Scheiben wird aufgeschrieben. Anschließend werden die Kartoffelscheiben in die Petrischalen mit den verschiedenen Zuckerkonzentrationen gelegt. Nach zwei Stunden wird das Gewicht der einzelnen Scheiben erneut gemessen. So kann die prozentuale Gewichtsänderung gegen die Konzentration aufgetragen und graphisch das Wasserpotential bestimmt werden. 2.2 Versuch 2: Bestimmung des osmotischen Werts des Zellsaftes durch Plasmolyse Im zweiten Versuchsteil verwendet man Blattstückchen von Rhoeo discolor, die in einige Tropfen verschiedener Testlösungen einer Konzentrationsreihe von KNO 3 (Kaliumnitrat) gegeben werden. Dazu wird zunächst mit einer 0,5 M KNO 3 - Stammlösung eine Konzentrationsreihe von 0 0, 35 M KNO 3 (in 0,05er-Schritten) angesetzt. Im Anschluss daran schneidet man mit einer Rasierklinge für jede der Testlösungen drei Stücke, die jeweils in etwa eine Zellschicht dick sind, aus der Oberfläche der Blätter von Rhoeo spec. heraus und legt sie auf jeweils einem Objektträger in die Testlösungen. Nach 20 Minuten werden die Blattstückchen in den einzelnen Testlösungen mikroskopiert. Bei der Plasmometrie werden pro Probe mit Hilfe eines Messokulars drei Zellen bzw. deren Protoplasten nach Länge und Breite vermessen. Sobald eine ausreichende Konzentration vorliegt, dass sich der Protoplast von der Zellwand ablöst, werden nur Zellen zum Ausmessen verwendet, deren Protoplast konvex plasmolysiert ist. 17

18 3. Ergebnisse 3.1 Versuch 1: Bestimmung des Wasserpotentials durch Grenzplasmolyse Nach Zugabe der Kartoffelscheiben zu den Zuckerlösungen verschiedener Konzentration nahm der Teil, der in niedrig konzentrierte Zuckerlösungen gelegt wurde, an Gewicht zu, während bei den Kartoffelscheiben, die in höher konzentrierte Zuckerlösungen gegeben wurden, eine Gewichtsabnahme beobachtet werden konnte. Tab.2: Gewichtsveränderung der Kartoffelscheiben in verschieden konzentrierten Zuckerlösungen Konzentration [mol/l] Anfangsgewicht [g] Gewicht nachher [g] Gewichtsveränderung [%] 0 3,059 3,772 23,31 0,05 3,087 3,7 19,86 0,1 2,85 3,202 12,35 0,15 3,049 3,451 13,18 0,2 2,873 3,239 12,74 0,25 2,99 3,214 7,49 0,3 2,918 2,939 0,72 0,35 3,069 2,85-7,14 0,4 2,978 2,702-9,27 0,45 3,138 2,693-14,18 0,5 2,895 2,574-11,09 0,55 3,11 2,487-20,03 0,6 3,159 2,467-21,91 Die Gewichtsveränderung in Prozent lässt sich graphisch darstellen. Grenzplasmolyse 30 Gewichtsveränderung [%] ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Konzentration [mol/l] y = -77,497x + 23,714 Dia.1: Grenzplasmolyse 18

19 Die Trendlinie zeigt, dass die Gewichtsveränderung relativ linear verläuft. Mit der angegebenen Formel für die Trendlinie lässt sich der Schnittpunkt mit der X-Achse rechnerisch wie folgt bestimmen. y = - 77, 497x + 23, 714 Æ x = y - 23, , 497 mit y = 0 ergibt sich: x = 0,306 Das heißt, dass bei einer Außenkonzentration von 0,306 mol/l weder Wasser von der Zelle aufgenommen noch abgegeben wird. Diese Außenkonzentration entspricht also dem osmotischen Potential der Zelle. Mit c = 0,306 mol/l, R = 8,3144 J/Kmol (Gaskonstante), T = 297,45K (unter Standardbedingungen) und folgender Formel lässt sich damit das Wasserpotential berechnen: y W = -c R T Æ y W = -0,306mol/l 8,3144 J/Kmol 297,35K = -756,52J/l Durch Umrechnung ergibt sich daraus: Æ y W = J/m 3 Æ y W = Nm/m 3 Æ y W = N/m 2 Æ y W = Pa Æ y W = - 7,56520 bar 3.2 Versuch 2: Bestimmung des osmotischen Werts des Zellsaftes durch Plasmolyse Aus den gemessenen Breiten und Längen der Zellen und Protoplasten lässt sich deren Volumen bestimmen. Dabei geht man davon aus, dass diese zylinderförmig sind. Man verwendet zur Berechnung des Volumens also folgende Formel: V = p r 2 h Hierbei entspricht h der Zelllänge und r der halben Zellbreite. Des weiteren wird das Verhältnis von Zellvolumen zu Protoplastenvolumen bei den unterschiedlichen Konzentrationen bestimmt und graphisch dargestellt. 19

20 Tab.3: Verhältnis Zellvolumen zu Protoplastenvolumen bei unterschiedlichen Konzentrationen c KNO 3 Zelle Zellbreitlängbreitlängvolumevolumen V Z /V P Zell- Protoplasten- Protoplasten- Zell- Protoplasten- Durchschnitt V Z /V P [mol/l] Nr ,5 4, , ,7 4, , ,6 4, , ,05 1 3,8 4, , ,2 4, , , , ,1 1 3,5 5, , ,2 5, , ,5 4, , , ,1 3 3,2 36,05 22,62 1,59 2 3,5 5 3,5 3,5 48,11 33,67 1,43 1, ,4 2,8 3,7 45,24 22,78 1,99 0,2 1 4,3 5,1 3,9 4,8 74,06 57,34 1,29 2 4,5 6,2 2,5 4,2 98,61 20,62 4,78 2,65 3 4,3 6 3,7 4,3 87,13 46,23 1,88 0,25 1 3, ,71 35,34 1,60 2 3,5 4,5 3,5 3,1 43,30 29,83 1,45 2,05 3 5,1 6,5 4 3,4 132,78 42,73 3,11 0,3 1 2,6 5,7 2,6 3 30,26 15,93 1,90 2 2,7 6,7 1,8 4,7 38,36 11,96 3,21 2,52 3 2,7 6,9 2,5 3,3 39,51 16,20 2,44 0,35 1 4,4 6,6 2,3 4,4 100,36 18,28 5, ,5 1,7 3,5 38,88 7,94 4,89 4,99 3 3,7 5,9 2 4,4 63,44 13,82 4,59 Verhältnis V Z zu V P Grenzplasmolyse 0 0,1 0,2 0,3 0,4 Konzentration [mol/l] Dia.2: Verhältnis von Zellvolumen zu Plasmavolumen bei unterschiedlichen Konzentrationen Aus dem Diagramm lässt sich die KNO3-Konzentration ablesen, bei der sich der Protoplast gerade von der Zellwand löst. Diese Konzentration der Grenzplasmolyse liegt bei 0,15mol/l, bzw. zwischen 0,1 mol/l und 0,15 mol/l. 20

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22 4. Diskussion 4.1 Versuch 1: Bestimmung des Wasserpotentials durch Grenzplasmolyse Bis zu einer Konzentration von 0,3 mol/l nimmt das Gewicht der Kartoffelscheiben in der Zuckerlösung kontinuierlich zu. Das liegt daran, dass die osmotische Konzentration innerhalb der Zelle größer ist als außerhalb. Die Zelle befindet sich also in einem hypotonischen Milieu und nimmt osmotisch Wasser auf, was zu einer Gewichtszunahme führt. Die Wasseraufnahme wird durch den Gegendruck der Zellwand ab einem bestimmten Punkt verhindert. Diese Gewichtszunahme wird kontinuierlich geringer (bis auf 2 kleinere Ausreißer bei einer Konzentration von 0,15 mol/l und 0,2 mol/l), was darauf zurückzuführen ist, dass die Konzentration des Außenmediums der Konzentration im Zellinneren immer ähnlicher wird und weniger Wasser zum Konzentrationsausgleich aufgenommen werden muss. Ab einer Konzentration von 0,35 mol/l nimmt das Gewicht der Kartoffelscheiben mit steigender Konzentration stetig ab (auch hier gibt es bei einer Konzentration von 0,5 mol/l einen kleineren Ausreißer ). Die Zelle befindet sich jetzt in einer hypertonischen Umgebung, was dazu führt, dass der Protoplast durch Osmose Wasser an das umgebende Medium abgibt (Plasmolyse), um es zu verdünnen. Dadurch verlieren die Kartoffelscheiben zunehmend an Gewicht. Der Wasserverlust führt gleichzeitig zu einem Verlust an Form, da die Zellen durch den auf die Zellwände wirkenden Turgordruck stabilisiert werden. Der Punkt, an dem die Plasmolyse gerade begonnen hat (Grenzplasmolyse), konnte durch Auswertung der graphischen Darstellung rechnerisch bestimmt werden. Er liegt bei einer Konzentration von 0,306 mol/l. Hier findet kein Netto-Wassertransport statt, die Konzentration der Außenlösung entspricht also dem osmotischen Wert der Zelle. Die Ausreißer der von uns beobachteten Gewichtsveränderungen sind relativ gering und weichen nur sehr wenig von der Trendlinie ab. Ursache könnten eine fehlerhafte Konzentration der Zuckerlösung oder Ungenauigkeiten bei der Gewichtsbestimmung sein. Das von uns berechnete Wasserpotential y W liegt bei - 7,5652 bar. Es beschreibt die Tendenz des Wassers (also seine potentielle Energie), von einem Ort zu einem anderen zu wandern, nämlich von dem Ort mit höherem y W zu dem mit niedrigerem y W. Ein negatives Wasserpotential besagt also, dass die Zelle Wasser aus einem Bezugssystem aufnimmt (sofern dieses nicht ein noch kleineres Wasserpotential besitzt). Unser Wert liegt mit y W = - 7,5652 bar in dem für Pflanzenzellen üblichen Bereich, der laut Literaturwerten zwischen - 5 und -15 bar liegt. 22

23 4.2 Versuch 2: Bestimmung des osmotischen Werts des Zellsaftes durch Plasmolyse Unter einer Konzentration von 0,1 mol/l der Kalium-Nitrat-Lösung konnte mit dem Mikroskop noch keine Ablösung des Protoplasten von der Zellwand beobachtet werden. Das Volumen des Protoplasten konnte deshalb auch nicht bestimmt werden. Ab einer Konzentration von 0,15 mol/l konnte man ein konvexes Ablösen des Protoplasten von der Zellwand beobachten, was bedeutet, dass ab dieser Konzentration das Wasserpotential der Zelle größer ist als das des umgebenden Mediums. Dies führt dazu, dass die Zelle durch Osmose Wasser an die hypertonische Umgebung abgibt. Durch die Wasserabgabe nimmt der Druck (Turgor) innerhalb des Plasmaschlauches ab und er verliert mit steigender Konzentration zunehmend an Volumen. Da das Volumen der Zelle durch die feste Zellwand konstant bleibt, steigt das Verhältnis von Zellvolumen zu Protoplastenvolumen an. Dies wird auch aus dem Diagramm sehr gut ersichtlich. Bei einer Konzentration von 0,25 und 0,3mol/l haben wir zwei Ausreißer. Diese sind vermutlich auf Pipettierfehler beim Herstellen der verschieden konzentrierten Kalium-Nitrat-Lösungen zurückzuführen. Der von uns bestimmte Wert von 0,15mol/l für die Grenzplasmolyse liegt noch im Bereich der Literaturwerte, die dafür eine Konzentration von 0,15 bis 0,25mol/l angeben. 23

24 5. Zusammenfassung Bei diesem Versuch sollte die Abhängigkeit der Wasseraufnahme und -Abgabe einer Pflanze vom osmotischem Potential und dem damit verknüpften Wasserpotential untersucht werden. Hierzu wurden zunächst mittels Grenzplasmolyse das Wasserpotential und das osmotische Potential der Kartoffel (Solanum tuberosum) bestimmt. Im zweiten Versuchsteil wurde der osmotischen Wert des Zellsaftes von Rhoeo spec. durch Plasmometrie ermittelt. Durch graphische Auftragung der Daten konnte jeweils die Konzentration bestimmt werden, bei der kein Netto- Wasserstrom stattfand (Grenzplasmolyse). 24

25 Literaturverzeichnis - Campbell: Biologie, 2. korrigierter Nachdruck 2000, Spektrum Verlag - Nultsch: Allgemeine Botanik, 10. Auflage, 1996, Thieme Verlag - Schopfer / Brennicke: Pflanzenphysiologie, 5. Auflage, 1999, Springer-Verlag - Mohr / Schopfer: Lehrbuch der Pflanzenphysiologie, 3. Auflage, 1978, Springer-Verlag - Scherf: Wörterbuch Biologie, 1.Auflage, 1997, dtv - Skript zum Grundpraktikum Pflanzenphysiologie und molekulare Botanik SS Alte Protokolle 25