Botanik der Nutzpflanzen

Transkript

1 Kurs 1 Kurs 2 Kurs 3 Kurs 4 Kurs 5 Kurs 6 Kurs 7 Kurs 8 Kurs 9 Kurs 10 9.Apotom Wozu Botanik der? Pflanzliche Zellen. Was nutzen wir (1)? Pflanzliche Energie Was nutzen wir (2)? Pflanzliche Inhaltsstoffe Grüne Gentechnik, Evolution der und Globalisierung Pflanzliche Gewebe 1: Meristeme. Parenchyme. Leitgewebe. Pflanzliche Gewebe 2: Abschlussgewebe. Exkretionsgewebe. Pflanzliche Organe: Wurzel. Spross. Blatt. Blüte. Same. Frucht. gruppen 1: Hauptgericht: Poaceae, Fabaceae, Solanaceae gruppen 2: Beilagenteller: Brassicaceae, Asteraceae, Vitaceae gruppen 3: Gewürz und Heilung: Apiaceae, Lamiaceae, Lauraceae

2 1: Wozu Botanik der? Pflanzliche Zellen. Wozu Botanik der? Konzepte Pflanzliche Zellen Arbeitsfelder Lichtmikroskopie Praxis Wissenschaftliches Zeichnen Plasmolyse Anwendung Lebensmittelüberwachung

3 Konzepte: Wozu Botanik der? Pflanzen und Nahrung Alles Leben auf diesem Planeten hängt von Pflanzen ab. Mehr als ¾ der menschlichen Nahrung ist pflanzlichen Ursprungs. Die Bevölkerung steigt, die Fläche sinkt (Urbanisierung, Desertifikation). Reis (Oryza sativa L.), die wichtigste Nahrungspflanze der Menschheit. Die Karte zeigt die Welt abhängig vom Anteil der Bevölkerung, die mit weniger als 1 $ pro Tag auskommen müssen. Der Reisertrag hat sich seit 1960 aufgrund von Züchtung und effizienterem Anbau mehr als verdoppelt. Diese Schere konnte bisher durch Fortschritte bei Züchtung, Düngung und Pflanzenschutz zu einem Teil ausgeglichen werden (sogenannte Green Revolution).

4 Konzepte: Wozu Botanik der? Pflanzen und Gesundheit Der pflanzliche Stoffwechsel kann viel mehr als der tierische Viele pflanzliche Stoffe sind für die menschliche Gesundheit wichtig. Vitamin A ist nicht nur für den Sehprozess (warum?), sondern auch für die menschliche Entwicklung unerlässlich. Durch metabolic engineering ist es gelungen, Reis zu entwickeln, der in seinem Endosperm genügend Carotinoide enthält (Golden Rice Project). Der pflanzliche Sekundärstoffwechsel ist erst teilweise verstanden. Durch Aufklärung der beteiligten Enzyme in Verbindung mit molekulargenetischen Verfahren kann man den Sekundärstoffwechsel gezielt verändern ohne dass die Grundfunktionen beeinträchtigt sind.

5 Konzepte: Wozu Botanik der? Pflanzen und Rohstoffe Pflanzen sind wichtige Erzeuger von Rohstoffen für Industrieprodukte. Im Gegensatz zu anderen Rohstoffen sind sie nachwachsend. Pflanzliche Rohstoffe sind also der einzige Weg zu nachhaltiger Entwicklung. Baumwolle (Gossypium hirsutum L.) ist das wichtigste Rohmaterial für Textilien und ein nachwachsender Rohstoff, der die Wolle weitgehend verdrängt hat (oben rechts eine mittelalterliche Darstellung). Durch genetic engineering mit dem Bt- Toxin konnte man die Pestizidmenge reduzieren. Durch gezielte Veränderung der Anbaueigenschaften beginnt man, die Ausbeute und Nachhaltigkeit dieser Resource zu verbessern.

6 Konzepte: Wozu Botanik der? Pflanzen und Umwelt Pflanzen können über ihr verzweigtes Wurzelsystem Gifte heraussaugen. Triebkraft ist der Transpirationsstrom. Die Giftstoffe werden in der Vacuole gespeichert. Pappeln (Populus spec.) sind wichtige Pflanzen für die Phytoremediation von schwermetallverseuchten Böden. Durch Einführung bakterieller Gene lassen sich Kupfer (oben eine Sanierung einer Kupfergrube in Sachsen-Anhalt) und sogar Quecksilber aus dem Boden herausziehen. Wenn man die Pflanzen erntet, kann man diese aufkonzentrierten Gifte so aus der Umwelt entfernen.

7 Konzepte: Pflanzliche Zellen Cyto-, Histologie, Anatomie Die Struktur eines Organismus lässt sich hierarchisch gliedern: Der Organismus besteht aus Organen (z.b. Blüte, Blatt, Wurzel) - Morphologie Organe bestehen aus Geweben (z.b. Abschlussgewebe, Leitgewebe, Grundgewebe) - Histologie Verschiedene Ebenen der Betrachtung. In der Wirklichkeit sind alle Ebenen miteinander verflochten. Um die Komplexität so zu reduzieren, dass wir es verstehen können, betrachten wir diese Ebenen einzeln. Für jede Ebene gibt es eigene Begriffe, die nur hier sinnvoll sind. Gewebe bestehen aus Zellen (z.b. Epidermiszellen) und diese enthalten Organellen (z.b. Chloroplasten) - Cytologie

8 Konzepte: Pflanzliche Zellen Cyto-, Histologie, Anatomie Morphologie: ( Gestaltlehre ) befasst sich mit Aufbau und Abwandlung von Organen innerhalb des Organismus. Histologie: ( Gewebelehre ) befasst sich mit Struktur und Besonderheiten von Geweben innerhalb des Organs. Beispiel für die Sichtweisen. Morphologie würde den Aufbau der Blüte aus Blütenblättern und deren Form beschreiben, Histologie den Aufbau der Blätter aus Epidermis und Mesophyll, Cytologie die Organellen, die hier vorkommen und deren innere Struktur (z.b. Plastidenform). Cytologie: ( Zellenlehre ) befasst sich mit Struktur und Besonderheiten Zellen innerhalb des von Geweben.

9 Konzepte: Pflanzliche Zellen Wozu sich damit befassen? Unterscheidung: Für viele Fragestellungen muss man Arten unterscheiden können. Dazu muss man vergleichen. Dazu braucht man eine gute Formenkenntnis und muss auch die Zelltypen Anhieb zuordnen können. Cytologie und Unterscheidung. Wertvolle etherische Öle entstehen oft in Drüsenhaaren und Drüsenschuppen, an deren Form, Zahl und Aufbau eine Unterscheidung von Arten möglich ist (hier: Basilikum). Sind das nun Art- Unterschiede oder sind es verschiedene Strukturen? Erkennen Sie es? Einheit von Struktur und Funktion: alles hat einen Sinn. Jede Struktur ist so wie sie ist, weil sie eine bestimmte Funktion erfüllt. Kennt man die Funktion, versteht man die Struktur und umgekehrt. Wenn man Cytologie ignoriert, läuft man in die Irre, z.b. bei Gen-Funktions-Analyse.

10 Konzepte: Pflanzliche Zellen Wie erkennt man Pilze? Pilze: Aufbau aus Fäden (Hyphen). Es gibt kein geschlossenes Gewebe, selbst im Fruchtkörper nicht, die Hyphen sind einfach verflochten, Plasmodesmata fehlen. Pilze enthalten keine Plastiden, leben also von anderen Organismen (Heterotrophie) Diagnostik pilzlicher Verunreinigungen. Wenn der Schimmel mit dem bloßen Auge sichtbar wird, ist die Entwicklung schon abgeschlossen. Die Farbe kommt von den gefärbten Sporen. Man kann jedoch schon lange davor in der Probe die fädigen Hyphen erkennen. Die Zellwand besteht oft aus Chitin (Stickstoffhaltige Zuckerketten), Speicherstoff ist oft Glycogen (wie bei Tieren).

11 Konzepte: Pflanzliche Zellen Pilze und Diagnostik Sind oft in Lebensmitteln enthalten positiv oder negativ. Positiv: Pilze erzeugen oft Geschmacksstoffe, die für das Lebensmittel wichtig sind (z.b. Blauschimmelkäse). Negativ: Pilze erzeugen oft Giftstoffe, die für den Menschen schädlich sind (z.b. Brotschimmel) Pilze in Lebensmitteln. Der Blauschimmel Penicillium roquefortii liefert den typischen Geschmack von Roquefort- oder Gorgonzolakäse. Der Schimmel Aspergillus nidulans ist dagegen auf Lebensmitteln nicht erwünscht und produziert giftige Mycotoxine.

12 Konzepte: Pflanzliche Zellen Tierische Verunreinigungen Anzeiger für unhygienische Herstellung oder bei Futtermitteln für unerlaubte Praktiken. Häufig: Muskel- oder Knochengewebe Diagnostische Merkmale: keine Zellwand, keine Chloroplasten, keine Vacuole. Diagnostik tierischer Verunreinigungen. Muskelfasern sind leicht zu erkennen, z.b. in Viehfutter (Fischmehl in Sojaschrot). Knochenfragmente im Mehl zeigen an, dass es in der Mühle mit der Hygiene nicht zum Besten steht Ursprung sind meistens Mäuse oder Ratten. Muskelgewebe ist aufgrund der charakteristischen Faserstruktur mikroskopisch diagnostizierbar

13 Konzepte: Pflanzliche Zellen Typisch: Plastiden Plastiden sind die pflanzlichen Organellen ( Zellorgane ) Meist grün gefärbt, für Photosynthese verantwortlich (Chloro- Plasten, von griech. chloros = grün) 3D Animation Chloroplast Innen Membranstapel (Thylakoide), an denen Chlorophyll (Blattgrün) und andere Photosynthesepigmente (Carotinoide) gebunden sind. Struktur und Funktion von Chloroplasten. Das Innere des Chloroplasten ist durch komplexe Membranauffaltungen untergliedert. Um den elektrischen Gradienten aufbauen zu können, müssen verschiedene Reaktionsräume (Kompartimente) voneinander abgetrennt werden. Die Thylakoide sind in Stapeln (Grana, von lat. granum = Korn) organisiert.

14 Konzepte: Pflanzliche Zellen Wo passiert was? Stroma: DNA, Ribosomen, Synthese mancher plastidärer Proteine, Calvinzyklus Innere Membran (Thylakoide): hier entsteht der Protonengradient, hier wird ATP gemacht, hier sitzt Chlorophyll Äußere Membran: Eintransport von Proteinen (die meisten müssen importiert werden). Kompartimente als Reaktionsräume. Um möglichst viel Licht auffangen zu können, wird die Membranfläche durch Auffaltung vervielfacht. Ausserdem erlaubt die Kompartimentierung das gleichzeitige Ablaufen von Reaktionen, die sich chemisch eigentlich ausschließen würden. Thylakoidraum: hierher werden durch die Atmungskette die Protonen hingepumpt, die dann die ATP-Synthese antreiben.

15 Konzepte: Pflanzliche Zellen Herkunft der Plastiden Nur aus ihresgleichen, eigene DNS und eigene Ribosomen. DNS und Ribosomen sind vom prokaryotischen Typ. Äußere Membran ist doppelt, die innere ist vom prokaryotischen Typ. Endosymbiontenhypothese. Mitochondrien und Plastiden sind in ihrem Aufbau und ihrer Semiautonomie sehr ähnlich. Ihre Besonderheiten lassen sich zwanglos erklären, wenn man annimmt, dass sie aus endo-symbiontisch aufgenommenen Prokaryoten entstanden. Plastidären Proteine z.t. selbst gebildet, Großteil allerdings im Zellkern kodiert und importiert. Solche Proteine mit Plastiden-Adresse.

16 Konzepte: Pflanzliche Zellen Formwechsel der Plastiden Ausgangsform: Proplastiden (in Meristemen) Im Dunkeln Membransystem (Prolamellarkörper), aber kein Chlorophyll (Etioplast). Nur im Licht Chloroplasten. Speichergewebe: Amyloplasten, kein Chlorophyll, aber Stärke. Flexible Plastiden. Plastiden haben ein richtiges Eigenleben. Durch Hoch-regeln von Chlorophyll (Chloroplasten), Carotinoiden (Chromoplasten) oder Stärke (Amyloplasten) entstehen unterschiedliche Formen, die auf eine ganz bestimmte Funktion spezialisiert sind. In Blüten und Früchten bilden sich die gefärbten Chromoplasten.

17 Konzepte: Pflanzliche Zellen Zellwand und Apoplast Pflanzenzellen sind zusätzlich zur Zellmembran von einer Zellwand aus Cellulose umgeben. Achtung: Die Zellwand liegt ausserhalb der Zellmembran. Die Zellwand besteht aus Fasern aus Cellulose, den Mikrofibrillen. Zellwand. Das Cytoplasma von allen Zellen wird durch eine Lipidmembran (die Zellmembran oder Plasmalemma) begrenzt. Ausserhalb der Membran liegt die Zellwand aus Cellulosefasern. Achtung: Den Begriff Zellwand nie für die Membran verwenden das wäre irreführend. Die Zellwand und alles, was ausserhalb der Zellmembran zwischen den Zellen liegt, wird auch als Apoplast bezeichnet.

18 Konzepte: Pflanzliche Zellen Feinbau der Zellwand Zellwand: Cellulosefasern in einer Matrix aus amorphen Anteilen (Pectine, Hemicellulosen, Proteine). Prinzip eines Verbundmaterials und verbindet hohe mechanische Stabilität mit geringem Gewicht. Verbundmaterial Zellwand. Die Zellwand besteht aus faserigen Anteilen (Cellulosefasern), die in eine amorphe Matrix (Pectin, Protein) eingebettet ist. Solche Verbundmaterialien verbinden Leichtigkeit mit großer mechanischer Belastungsfähigkeit, erhöht durch Verdickungen aus Lignin. Die Zellwand ist geschichtet die ältesten Schichten sind aussen, die jüngsten innen: Mittellamelle, Primärwand, Sekundärwand.

19 Konzepte: Pflanzliche Zellen Tüpfel und Plasmodesmen Zellen eines Gewebes sind durch Poren (Plasmodesmen) miteinander verbunden. Poren im Lichtmikroskop als sogenannte Tüpfel sichtbar. Durch die Tüpfel ziehen Kanäle aus Cytoplasma und dem Endoplasmatischen Reticulum von Zelle zu Zelle. Zell-Zell-Kommunikation. Pflanzenzellen sind durch Plasmodesmen mit-einander verbunden. Die Zellwand hat an diesen Stellen Löcher, die licht-mikroskopisch als Tüpfel sichtbar werden. Achtung: die beiden Nachbar-zellen sind an dieser Stelle nicht durch eine Membran getrennt. Zellen eines Gewebes cytoplasmatisch verbunden. Symplast (Gegenbegriff Apoplast): alles bezeichnet, was innerhalb der Plasmamembran liegt.

20 Konzepte: Pflanzliche Zellen Vacuole Pflanzenzellen enthalten Vacuolen, die fast die gesamte Zelle ausfüllen können. Die Vacuolen entstehen durch die Verschmelzung saurer Vesikel und entsprechen den Lysosomen tierischer Zellen. Fast alles Vacuole. Das Innere von Pflanzenzellen ist fast immer durch eine große Vacuole gefüllt. Das Cytoplasma, der Zellkern und die ganzen Zellorganellen werden in einen oft sehr schmalen Saum am Rand der Zelle abgedrängt. Die Vacuolenmembran wird als Tonoplast bezeichnet. Biologische Funktion der Vacuole: Stoffspeicherung, Absonderung von Giftstoffen und Wachstum durch Aufnahme von Wasser Wie funktioniert das?

21 Konzepte: Arbeitsfelder der Botanik der Catharanthus roseus Forschung und Entwicklung Pflanzen erzeugen 10 5 sekundäre Komponenten mit medizinischer Wirkung. Dies ist erst ansatzweise genutzt. Die Übersetzung dieser Syntheseleistung in Biofermenter ist eine harte Nuss. Vinblastin Molecular Farming. Das Alkaloid Vinblastin ist eines der wichtigsten Cyto-statika für die Chemotherapie von Tumoren. Für technische Synthese ist es zu komplex, der Ertrag aus Pflanzen sehr gering, die biotechnologische Erzeugung in Fermentern klappt nicht weil viele Zelltypen zusammenwirken müssen. Hier braucht die Biotechnologie Wissen um Metabolismus, Gene, Enzyme, Transporter und Biologie für diese Sekundärmetaboliten.

22 Konzepte: Arbeitsfelder der Botanik der Züchtung Die Landwirtschaft der Zukunft muss nachhaltig sein. Es geht daher nicht mehr einseitig um hohen Ertrag. Im Zentrum steht Resistenz gegen Krankheiten, Trockenheit, Kälte, Mineralknappheit. Genetische Resourcen und Genomik werden kombiniert, um den Prozess der Züchtung zu beschleunigen (Smart Breeding). Smart Breeding von Resistenzen bei der Weinrebe. Das Genom der Weinrebe ist durchsequenziert, man kreuzt nun Wildreben, die gegen Krankheiten immun sind, mit Kultursorten und kartiert mit molekularen Markern die einzelnen Nachkommen. Wer hat die Resistenz von der Wildrebe? Diese Strategien sind nur dann erfolgreich, wenn man die Biologie dahinter versteht.

23 Konzepte: Arbeitsfelder der Botanik der Bioenergie Nachhaltige Energieversorgung erfordert Ersatz fossiler Brennstoffe. Dies geht nur auf pflanzlicher Basis. Problem: Konkurrenz Nahrungserzeugung versus Bioenergie. Next-Generation Biofuels. Pflanzen, die auf Grenzertragsböden wachsen können, konkurrieren nicht mit Nahrungspflanzen. Ein heisser Kandidat ist die Leguminose Pongamia aus Indien. Durch Knöllchenbakterien kann man sie sogar zur Rekultivierung von ausgelaugten Böden einsetzen, auch die Prozessierung ist entwickelt. Erfordert: kluger Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen, die auf Grenzertragsflächen (marginal land) wachsen können.

24 Konzepte: Arbeitsfelder der Botanik der Verbraucherschutz Globalisierung bringt ständig neue Produkte auf den europäischen Markt, die oft eine medizinische Wirkung haben. Absichtliche oder versehentliche Verwechslung (adulteration) kann zum Verlust der Wirkung oder sogar zu negativen Effekten führen. Lemon Myrtle. Unter diesem Namen werden zwei Myrtaceen aus Australien gehandelt. Die eine enthält Citronellal, was bei vielen Menschen Allergien auslösen kann. Auf der Basis molekularer Marker haben wir einen Test entwickelt, mit dem man den Typ von Lemon Myrtle in einer Probe bestimmen kann. Authentifizierung von Nahrungspflanzen und ihren Produkten ist für den Verbraucherschutz zentrla.

25 Konzepte: Arbeitsfelder der Botanik der Artenschutz Biodiversität ist wichtig, doch bedroht. Um sie schützen und für künftige Generationen erhalten zu können, muss man sie erkennen können. Holzzertifikat. Das Hamburger Johann-Heinrich v. Thünen Institut hat eine einmalige Holzbibliothek, womit im Zoll überprüft wird, ob deklarierte Hölzer das sind, was sie sind. Unter anderem geht es um Handel mit illegal geschlagenem Tropenholz (wie der CITES-Art Bangkirai aus Thailand). Kontrollen und Untersuchung von Handelsprodukten erfordern die Kenntnis von Formen und Methoden der Bestimmung (daher Bestimmungsübungen)

26 Praxis: Lichtmikroskopie Okular Tubus Objektiv Objekttisch Aperturblende Kondensor Leuchtfeldblende

27 Praxis: Lichtmikroskopie Spielregeln 1. Scharfstellen: immer vom Präparat weg (warum?) 2. Objektivwechsel immer am Rändelring (warum?) 3. Okular reinigen (weiches Papiertuch, Linsenreiniger)

28 Praxis: Lichtmikroskopie Richtig Köhlern 1. Präparat scharfstellen 2. Leuchtfeldblende schliessen 3. Kondensor nach oben fahren bis Bild der Irisblende scharf ist 4. Aperturblende einstellen bis Kontrast gut ist

29 Praxis: Lichtmikroskopie Vergrößerung und Auflösung Gesamt-Vergrößerung ist das Produkt aus: Okularvergrößerung x Objektivvergrößerung x Tubusfaktor Abbésche Formel des Auflösungsvermögens D D: die Fähigkeit, zwei nahe Punkte voneinander zu trennen. D = l / A l Wellenlänge, A numerische Apertur Achtung: Gross ist nicht dasselbe wie Gut! Fallbeispiel: zweimal dasselbe Objekt (Diatomee) mit 40 x, aber oben mit n.a unten mit n.a. 1.4

30 Praxis: Lichtmikroskopie Numerische Apertur A = n. sin a a Öffnungswinkel, n = Brechungsindex (für Luft 1, für Glas oder Immersionsöl 1.41) Auf den Objektiven ist die numerische Apertur für n = 1 angegeben z.b. 40x = Vergrößerung des Objektives 0,65 = numerische Apertur (n sin α)

31 Praxis: Lichtmikroskopie Totalreflexion und Ölimmersion Beim Übergang vom dichteren Medium (Glas) zum dünneren Medium (Luft) werden flache Strahlen reflektiert. Für hohe Aperturen taucht man daher die Objektive in Immersionsöl (Brechungsindex genau wie bei Glas)

32 Praxis: Lichtmikroskopie Licht kann auf drei Arten mit Molekülen wechselwirken: 1. Absorption: Grundlage für Hellfeldmikroskopie und Histologie. 2. Reflexion: Grundlage für Reflexionsmikroskopie (Geologie). 3. Fluoreszenz: Grundlage für Fluoreszenzmikroskopie.

33 Praxis: Lichtmikroskopie Was ist Histochemie? Chemie unter dem Mikroskop. Spezifische Färbemethoden: nicht nur Information über das Wo, sondern auch über das Was. Farbstoff durch bestimmte Molekülgruppen gebunden, diese dadurch sichtbar gemacht. Wichtige histochemische Nachweise. Mit Lugolscher Lösung (Jod-Jod-Kalium- Lösung) kann Stärke nachgewiesen werden. Mit Astrablau-Safranin werden verholzte und unverholzte Gewebe unterschieden, mit Sudan-Rot kann man Lipide (z.b. den Caspary-Streifen der Endodermis) sichtbar machen. Die klassische Histochemie beruht also auf einer spezifischen Erhöhung der Absorption für das Zielmolekül. Daneben gibt es mikroskopische Methoden, die andere spezifische Moleküleigenschaften in sichtbares Licht übersetzen.

34 Praxis: Lichtmikroskopie Was bringt Fluoreszenzmikroskopie? Jablonski-Diagramm des Chlorophylls Anregung und Emission sind für jedes Molekül spezifisch: Fluoreszenzmikroskopie zeigt also nicht nur, wo etwas ist, sondern auch, was es ist: Fluoreszenzmikroskopie ist also Biochemie mit dem Mikroskop.

35 Praxis: Lichtmikroskopie Frage: Warum ist das Emission immer langwelliger als die Anregung (Stokes-Shift)? Plancksche Formel n = c/l Brogliesche Formel E=h(c/l) Jablonski-Diagramm des Chlorophylls Plancksches Wirkungsquantum h: J sec weil beim Übergang zwischen verschiedenen Singulett-Zuständen Energie in Form von Wärme verlorengeht.

36 Praxis: Lichtmikroskopie Bei manchen Biomolekülen reicht die Energie von Licht zur Anregung aus. Diese spontane Eigen- (auch Auto-)fluoreszenz beruht zumeist auf konjugierten Doppelbindungen (delokalisiertes p-elektronensystem). Stengelquerschnitt Nieswurz. Oben Hellfeld, unten Eigenfluoreszenz von Cumarylalkoholen (Vorstufe des Lignins) nach Anregung mit nahem UV. Durch die Wahl verschiedener Anregungswellenlängen und Filter kann daher ein Zielmolekül spezifisch nachgewiesen werden. Dies kann ein diagnostisch wertvolles Merkmal sein.

37 Praxis: Wissenschaftliches Zeichnen Wozu überhaupt Zeichnen? Beim Zeichnen unterscheidet man Gestalt und Hintergrund (Wichtiges und Unwichtiges) Eine wissenschaftliche Zeichnung ist immer auch Deutung!

38 Praxis: Wissenschaftliches Zeichnen Zeichentechniken Übersichtszeichnung (ÜZ): Beschriftung: Was ist zu sehen? (Epidermis der Zwiebel (Allium cepa L.) / Benennung (Pfeile), Technische Details (400 x, Frischpräparat, gefärbt mit Astrablau/Safranin, , Peter Nick) Zeichentechniken Übersichtszeichnung (ÜZ) und Detailzeichnung (DZ), als Einstrich-Zeichnung für Gewebe mit dünnwandigen Zellen, Zweistrich-Zeichnung für Gewebe mit dickwandigen Zellen und als Dreistrich-Zeichnung für Gewebe mit dünn- und dickwandigen Zellen. Schematische Skizze. Darstellung der Lage und Ausdehnung der Gewebe in einem Organ oder Organteil nur in Umrissen. Keine einzelnen Zellen! Detailzeichnung (DZ): zellgetreue Wiedergabe von Ausschnitten (maßstab- und formgetreu). Je nach Gewebstyp als Ein-, Zwei- oder Dreistrichtechnik. Beschriftung: Eine wissenschaftliche Zeichnung ohne Beschriftung ist wertlos!

39 Praxis: Plasmolyse Semipermeabilität Biomembranen sind semipermeabel: Kleine unpolare Moleküle lösen sich leicht in der Lipidschicht. Kleine geladene polare Moleküle können leicht durch die Membran diffundieren. Fluid-Mosaic-Modell. Membranlipide bewegen sich. So entstehen kleine Lücken, durch die kleine Moleküle (Wasser) hindurchgelangen können. Geladene oder größere Moleküle können jedoch nicht hindurch, wenn sie nicht über eigene Poren oder Transporter werden. Ionen und geladene Moleküle können nicht durch die Membran hindurch.

40 Praxis: Plasmolyse Osmose Wasser fliesst von Orten höherer zu Orten niederer Konzentration (entlang des chemischen Gradienten). Dadurch baut sich über eine semipermeable Membran ein Druck auf. Dieser kann sogar gemessen werden (Pfeffersches Osmometer). Turgor. Die Zellwand verhindert das Platzen. Der osmotisch erzeugte Druck wirkt als sogenannter Turgordruck gegen die Zellwand und wird von dieser aufgefangen. Diese Kraft kann von Pflanzen genutzt werden, um zu wachsen. Wir haben keine Zellwand warum platzen wir nicht? Auch die Zelle ist ein Osmometer. In destilliertem Wasser nimmt sie Wasser auf und schwillt. Da der chemische Gradient nie ganz 0 erreicht, platzt sie irgendwann.

41 Praxis: Plasmolyse Plasmolyse Absenkung der Wasserkonzentration aussen (Salzlösung, hypertonisch) natürlichen Einstrom des Wassers umgekehrt, Zelle schrumpft (Plasmolyse). Wenn man die Zellen zurück in Wasser (hypotonisch) bringt, strömt Wasser wieder in die Zelle ein (Deplasmolyse). Plasmolyse bei Roten Zwiebeln. Durch Anthocyane ist die Vacuole rot gefärbt, so dass man das Schrumpfen der Vacuole sehr gut verfolgen kann. Bei geschlossener Blende werden die Cytoplasmastränge sichtbar, die zu den Tüpfeln ziehen (warum eigentlich?) Zum Nachdenken: Plasmolyse / Deplasmolyse ist ein einfacher Test, um zu prüfen, ob eine Zelle noch lebt oder nicht. Warum?

42 Praxis: Plasmolyse Plasmolyse im Alltag Platzen reifer Kirschen oder Wurzelrüben (z.b. bei Karotten): hier führt ein zu hoher Turgor und der teilweise Abbau der Zellwand infolge der Reifung manchmal zum Platzen der Zelle. Plasmolyse im Alltag. Beim Konservieren von Nahrung nutzt man oft Entwässerung durch (Hypertonie), durch hohe Zuckerkonzentration (Konfitüren, kandierte Früchte) oder durch hohe Salzkonzentrationen (Schinken, Salzhering, Matjesfilet). Welken durch Wassermangel: Die Turgeszenz geht verloren, die Zellwände werden "schlaff". Solange die Plasmamembran nicht beschädigt ist, erholt sich die Zelle wieder nach Zugabe von Wasser (Deplasmolyse).

43 Fallbeispiel: Licht- und Schattenblätter Salat (Lactuca sativa L.), Korbblütler (Asteraceae) Palisadenparenchym Blattaufbau: Sonnenblatt mit mehr photosynthetischen Zellschichten. Die Chloroplasten verändern ihren Aufbau abhängig von der Lichtmenge: Schattenplastiden: keine Vesikel, keine Stärke, Innenraum von Thylakoiden gefüllt, wenig Chlorophyll. Licht- und Schattenblätter. Elektronische Aufnahmen von lichtgesättigten und beschatteten Chloroplasten zeigen, wie im Licht die Thylakoide dichter gestapelt sind (aus Lichtenthaler et al. 1981). Auch der Aufbau des Blatts passt sich an. Beim Salat sind die bleichen Schattenblätter innen. Sonnenplastiden: Speicherstrukturen (Plastoglobuli), auch Stärke, viel Chlorophyll.

44 Fallbeispiel: Cytologie der Zwiebelepidermis Küchenzwiebel (Allium cepa L.), Lauchgewächse (Alliaceae) Abschlussgewebe Zellkern Cuticularfalten (Fokus über der Zelle!) Cytoplasmastrang (Fokus in der Zelle!) Tüpfel (Plasmodesmon)

45 Fallbeispiel: Cytologie der Zwiebelepidermis Küchenzwiebel (Allium cepa L.), Lauchgewächse (Alliaceae) Abschlussgewebe Die Epidermis besteht aus stark vacuolisierten Zellen. Ab und zu kann man hier Zellteilungen beobachten. Hierzu muss der Zellkern in die Zellmitte wandern. Dazu muss er sich durch die pralle Vacuole hindurchquetschen. Cytoskelett und Zellteilung. Die Mikrotubuli durchlaufen bei der Teilung eine dramatische Umorganisation. Deren biologischer Sinn besteht darin, den Kern in die Zellmitte zu bringen und ihn dort zu verankern, so dass dort die Spindel und die neue Zellwand entstehen kann. Die Kraft wird durch das Cytoskelett (Mikrotubuli und Actinfilamente) erzeugt.

46 Fallbeispiel: Cytologie der Zwiebelepidermis Küchenzwiebel (Allium cepa L.), Lauchgewächse (Alliaceae) Abschlussgewebe Bei der Teilung wird die neue Zellplatte durch Actinstränge zurechtgerückt. Actin ( Muskeln der Zelle ) Actin ist an Tüpfeln Plasmodesmen verankert. In den Zellecken gibt es keine Tüpfel. Fallbeispiel Zwiebelepidermis. Dieses Gewebe ist einschichtig und erlaubt daher eine gute Beobachtung der Cytologie. Das geometrische Muster verrät etwas über die Rolle des Cytoskeletts bei der Teilung, an Roten Zwiebeln kann man schön Plasmolyse demonstrieren. Darum grenzen immer nur 3 Zellen aneinander, fast nie 4 Zellen!

47 Zusammenfassung Wozu Botanik der? Pflanzliche Zellen Arbeitsfelder Lichtmikroskopie Wissenschaftliches Zeichnen Plasmolyse

48 Anwendung: Lebensmittelüberwachung Ist drin, was drauf steht? Die meisten Lebensmittel sind pflanzlichen Ursprungs oder enthalten pflanzliche Bestandteile. Die meisten Lebensmittel sind Mischungen aus verarbeiteten und abgewandelten Komponenten. Manche dieser Komponenten sind teuer, schwierig zu konservieren oder schwer zu erhalten. Dies führt dazu, dass sie durch ähnliche, aber billigere oder leichter handhabbare Komponenten (Surrogate) ersetzt werden.

49 Anwendung: Lebensmittelüberwachung Aktuelles Fallbeispiel für ein Surrogat Ayurvedische Tees oder Gewürzmischungen als Modetrend: teuer, aber botanisch kaum untersucht. Tulsi (Heiliger Basilikum, Ocimum tenuiflorum) Tees aus Tulsi oder als Mischungen mit Tulsi sind gross im Kommen und relativ teuer. Gewöhnlicher Küchenbasilikum (Ocimum basilicum) ist in solchen Mischungen schwer von Tulsi unterscheidbar, aber viel billiger (ca. 1/20 des Preises). Gewöhnlicher Küchenbasilikum ist daher die ideale Surrogatart für Tulsi Entwicklung von Diagnoseverfahren über Botanische Lebensmittelanalyse.

50 Anwendung: Lebensmittelüberwachung Was wird dagegen getan Lebensmittel von eigenen Behörden grossflächig untersucht (Länder- und Bundesebene) Prinzip 1: Was draufsteht, muss auch drin sein. Prinzip 2: Was drin ist, muss auch draufstehen Beispiele pflanzlicher Themen: Gewürze wertgebende Zutaten Aromen kanzerogenen Inhaltsstoffen oder Zutaten Tees Streckungen Honig Artzusammensetzung Mehl tierische Verunreinigung

51 Anwendung: Lebensmittelüberwachung Methodik Pollen verschiedener Arten Rind Muskelfaser 400x Muskelfaser zeigt tierische Verunreinigung an. Mikroskopische Analyse: Vorteil: breit anwendbar auf Mischungen auch prozessierter Produkte, kostengünstig, flexibel. Nachteil: erfordert viel Erfahrung (daher dieser Kurs!) und ständige Optimierung, nur qualitativ. Chemische Analyse: Vorteil: spezifisch auf Inhaltsstoffe, quantifizierbar Nachteil: teuer, nur für enge Anwendungen, hohe Variabilität im Gehalt von Inhaltsstoffen. Molekulare Analyse (DNA-Barcoding): Vorteil: langfristig breit anwendbar, Routinetechnik Nachteil: teuer, Etablierung aufwendig, Extraktion von DNS oft schwierig.

52 Take-home question: Gibt es eigentlich auch gefährliche Nutzungen von?