Protokoll zum diurnalen Säurerythmus einer CAM-Pflanze

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1 Protokoll zum diurnalen Säurerythmus einer CAM-Pflanze Datum: Einleitung: In sehr trockenen und heißen Gebieten ist die Öffnung der Stomata tagsüber sehr riskant. Der Wasserverlust durch Transpiration kann so rapide erfolgen, dass enorme Schädigungen und Austrocknung die Folge sein kann. Einen besonderen Typ der ökologischen Anpassung für wasserarme, trockene Gegenden haben die sog. CAM- Pflanzen. Die Abkürzung CAM steht für Crassulacean Acid Metabolism (Säurestoffwechsel der Crassulaceen). Um Photosynthese betreiben zu können, müssen die Pflanzen CO2 über ihre Stomata aufnehmen. In der Nacht, wenn die Gefahr des Wasserverlusts durch Transpiration gering ist, öffnen die CAM- Pflanzen ihre Stomata und nehmen dadurch atmosphörisches CO2 auf. Dieses wird durch PEP- Carboxylase fixiert und in Form von Apfelsäure in der Vakuole gespeichert. Tagsüber werden die Stomata geschlossen um die Pflanze zu schützen,die Transpiration ist also auf die unvermeidliche cuticuläre Komponente reduziert. Zu dieser Zeit wird das in Form von Malat gespeicherte CO2 freigesetzt und dem Calvin- Cyclus zur photosynthetischen Assimilation zugeführt [Jäger, 2007, Spektrum]. Das Speichern der Apfelsäure in der Nacht lässt den ph- Wert innerhalb der Vakuole bis auf 3,5 sinken. Wird das gespeicherte CO2 freigesetzt, steigt dieser wieder an. Ist die Apfelsäure verbraucht können sogar alkalische Werte um ph 8 erreicht werden.der Mechanismus der CAM- Pflanzen ähnelt dem der C4- Pflanzen, allerdings erfolgt die Fixierung zu Malat und die Assimilation im Calvin-Cyclus parallel in verschiedenen Zellen, bei den CAM- Pflanzen erfolgen diese Vorgänge in derselben Zelle, allerdings zeitversetzt. Daher der name diurnaler Säurerythmus (lateinisch diurnus = täglich ). Durch diese Besonderheit in der Ökonomie des Wasserhaushalts, sind diese Pflanzen anderen an sehr trockenen Standorten überlegen [Weiler, E.; 2008; Thieme]. Anhand des s soll der CAM an Kalanchoe tubiflora und Kalanchoe blossfeldiana anschaulich gemacht werden. Die Pflanzen werden in einen untereinander verschobenen Tag/Nacht Rhythmus versetzt (sieh Material und Methoden). Die Blätter der Pflanzen sollten gemäß des CAM verschiedene ph- Werte aufweisen, die sich im erwarteten Bereich von 3,5 bis 8 bewegen. Material und Methoden: Versuchsaufbau und Ablauf des Experiments siehe Skript, S. 50

2 Abb. 1: Zu sehen sind K. Tubiflora und K. blossfeldiana Abb.2 Abb. 3 Abb. 2 und 3 zeigen die Präparation der Pflanzen. Links zu sehen in Abb. 2 ist die Messung des ph- Werts der mit dem Mörser bearbeiteten Blätter (Abb. 3). Ergebnisse: Die folgenden Diagramme zeigen die gemessenen Werte. Zusammengefasst sind die Pflanzen gleicher Art.

3 K. tubiflora Zeit Diagramm 1: Die Graphen zeigen die gemessenen ph- Werte zur jeweiligen der K. Tubiflora Populationen. befand sich am Ende der Dunkelphase mit Beginn des Tages um 13 Uhr. Die Trendlinie zeigt, dass die Kurve insgesamt fällt, obwohl die Werte gegen Ende der Messung wieder steigen. befand sich am Anfang der Dunkelphase mit dem Ende das Tages um 13 Uhr. Auch diese Kurve fällt monoton, nur um 16:05 gab es einen nennenswerten Ausschlag nach oben. K. blossfeldiana Zeit Diagramm 2: Die Graphne zeigen die gemessenen ph- Werte zur jeweiligen der K. Blossfeldiana Populationen. befand sich am Ende der Dunkelphase mit Beginn des Tages um 13 Uhr. Die Trendlinie weist eine positive Steigung auf und erreicht am Ende der messung einen Wert um 4,8. befand sich am Anfang der Dunkelphase mit dem Ende des tages um 13 Uhr. Die Trendlinie der Werte fällt kontinuirlich und weist dabei keine nennenswerten Ausschläge auf. Am Ende der Messung werden ebenfalls Werte um 4,8 erreicht.

4 Diskussion: Die Messwerte der jeweiligen Pflanzenarten sind zunächst einzeln zu betrachten. Vergleicht man die Werte der A- Populationen, fällt auf, dass die Werte von K. Tubiflora fallen, bei K. Blossfeldiana aber steigen. befand sich am Ende der Dunkelphase und somit am Beginn des Tages. Das als Apfelsäure gespeicherte CO2 wird tagsüber, wenn die Stomata geschlossen sind, in den Calvin- Cyclus weitergeleitet und die Apfelsäure somit aus der Vakuole entlassen, was einen Anstieg des ph's zur Folge hätte. Demnach hätten auch die ph- Werte aller Pflanzen aus PopulationA steigen sollen. Die Ergebnisse von K. Blossfeldiana sind in diesem Falle repräsentativer, da die gemessenen Werte ein klares Indiz für den Ablauf des CAM sind. Die Gründe für den unerwarteten Verlauf von K. Tubiflora sind nicht klar identifizierbar. Möglich wären fehlerhafte Messungen durch falsches Präparieren oder aber ein Fehler bei der Einhaltung des jeweiligen Tag/Nacht. Rhythmus. Ebenfalls vorstellbar wären Komplikationen bei der CO2 Fixierung während der Nacht, da die Speicherung von Apfelsäure erst gestoppt wird, sobald die Vakuole nicht mehr aufnahmefähig ist und dieser Sachverhalt den vermeintlichen Tag/Nacht- Wechsel steuert. Die Pflanzen der B- Population weisen beide fallende Kurven auf. Da Nachts die Fixierung von CO2 stattfindet und in Form von Apfelsäure gespeichert wird, ist ein Fallen der ph- Werte sehr gut zu deuten und spricht für den in der Einleitung dargestellten Balauf des CAM. Ebenfalls auffällig ist die Tatsache, das die Differenzen der Kurven und die absoluten Werte nicht so stark ausgefallen sind wie erwartet. Ein Grund dafür könnte eine höhere Lustfeuchtigkeit sein, bei Behandlung der Pflanzen gemäß Skript läge diese aber bei 35%, wodurch der Grund wahrscheinlich anderorts zu suchen ist. Die Werte von K. Blossfeldiana bewegen sich im Bereich der Erwartungen und sind daher besser zur Darstellung und Erklärung des CAM geeignet. Literatur: JÄGER, E.J. (2003): Botanik, 5. Auflage, Spektrum Verlag WEILER, E. (2008): Allgemeine und Molekulare Botanik, 1. Auflage, Thieme Verlag NEHLS, U. (2010): Skript zum Praktikum der Botanik

5 Anhang: Tabellen 1 u. 2: gemessene ph- Werte der K. tubiflora K. blossfeldiana 4,66 4,44 4,39 4,36 4,32 4,25 4,12 4,25 4,16 4,06 4,09 Tabellen 3 u. 4: gemessene ph- Werte der K. tubiflora K. blossfeldiana 5,38 5,38 5,26 5,31 5,33 5,45 4,75 4,71 4,78 5,17 5,22 4,37 4,41 4,43 4,91 4,82 4,62 4,7 4,52 4,51 4,58 4,82

6 5,58 5,51 5,5 5,24 5,2 5,22 5,09 4,9 5,04 4,93 4,79