Kategorie: Grundlagen

Methodische Grundlagen und Geschichte der Pflanzenforschung, ausgehend von der Bedeutung der Pflanzen für unser Leben.

Fortpflanzung

Einhäusig – zweihäusig – zwittrig? Pflanzen können verschiedene Blüten ausbilden und mit Hilfe von Wind oder Insekten ihren Pollen auf die Blütennarbe übertragen. Wer sich nicht auf Wind oder Bienen verlassen will, der kann wie die Erdbeere oder die Kartoffel auch auf vegetative Vermehrung zurückgreifen.

Die Vermehrung bei Pflanzen erfolgt entweder sexuell über Bestäubung und Befruchtung oder asexuell über vegetative Fortpflanzung. Bei der sexuellen Fortpflanzung werden in den Staubbeuteln der Pflanzen die männlichen Pollen und im Griffel die weiblichen Eizellen gebildet. Die Blüten verschiedener Arten sind dabei unterschiedlich zusammengesetzt.

  • Zwittrige Blüten vereinen weibliche und männliche Blütenorgane
  • Einhäusige Pflanzen haben getrennte weibliche und männliche Blüten auf derselben Pflanze (z.B. Mais)
  • Zweihäusige Pflanzen haben weibliche und männliche Blüten nur auf getrennten Pflanze (z.B. Brennnesseln)

Manche Pflanzen nutzen ihren eigenen Pollen zur Bestäubung der Narbe (z.B. Gerste und Weizen). Diese Selbstbestäubung hat den Vorteil, dass sich auch in verlassenen unwirtlichen Gebieten aus einer einzigen Pflanze eine ganze Population entwickeln kann.

Andere Pflanzen sind Fremdbestäuber. Sie lassen ihren Pollen von Wind oder Insekten auf andere Pflanzen übertragen (z.B. Mais, Roggen und Sonnenblume). Fremdbestäubung hat den großen Vorteil, dass die Gene durchmischt werden und neue Kombinationen entstehen können, die den Nachkommen vielleicht bessere Eigenschaften verleihen.

Der Pollen von windbestäubten Pflanzen ist meist sehr leicht und klein, damit er sich weit verbreiten kann. Insektenbestäubte Pflanzen besitzen einen schwereren Pollen und zum Anlocken der Insekten besonders große und farbige Blüten.

Bei der vegetativen Vermehrung von Pflanzen werden auf verschiedenen Wegen Klone der Mutterpflanze gebildet, die zu selbständigen Pflanzen heranwachsen können. Dabei kann es sich um Ableger, Rhizome, Knollen oder andere Formen handeln. Ein Beispiel ist die Kartoffel, bei der aus den Augen der Knollen komplette neue Pflanzen heranwachsen können. Erdbeeren können lange Ausläufer bilden, an deren Enden neue Pflänzchen entstehen, die nach Absterben der Verbindung zur Mutterpflanze zu eigenständigen, genetisch identischen Pflanzen werden.

Zellteilung

Wenn Zellen sich teilen, dann sollen beide Tochterzellen genau die gleiche Erbinformation enthalten, wie die Mutterzelle. Damit das klappt, müssen die Chromosomen zunächst einmal verdoppelt werden.

Wir haben gesehen, dass in einem Doppelstrang der DNA nur bestimmte Basen miteinander paaren können. Auch wenn nur ein Strang der DNA bekannt ist, ergibt sich daraus, wie der gegenüberliegende Strang aussehen muss. Genau diese Tatsache ist bei der Verdoppelung (Replikation) der DNA wichtig. Sie beginnt mit der Auftrennung des Doppelstrangs in zwei einzelne Stränge.

Jetzt können Enzyme genau die passenden Basen anlagern und somit zwei neue Doppelstränge erzeugen. Immer wenn die Enzyme Adenin erkennen, fügen sie auf der gegenüberliegenden Seite Thymin an. Bei Cytosin wird auf der anderen Seite Guanin eingebaut und so weiter. Die beiden DNA-Stränge, die auf diese Weise entstehen, werden Schwesterchromatiden genannt. Eigentlich sind sie sogar „Siaemesische Zwillingschromatiden“, denn sie gleichen sich wie ein Ei dem anderen und sind sogar am Zentromer miteinander verbunden. Die Phase des Zellzyklus, in der die DNA verdoppelt wird, wird Interphase genannt.

Abb. DNA-Verdoppelung
Die meiste Zeit liegen im Zellkern fadenförmige 1-Chromatid Chromosomen vor. Die typischen x-förmigen Chromosomen sind nur sichtbar kurz vor bzw. während der Zellteilung (Mitose) bzw. vor der Reduktionsteilung (Meiose). Die übrige Zeit liegen die Chromosomen als diffus aufgelockerte 1-Chromatid-Chromosomen vor, wie dünne Fäden.

Die Mitose – aus eins mach zwei

Auf die Interphase folgt die Mitose, die eigentliche Kernteilung. Damit die langen DNA-Fäden dabei nicht beschädigt werden, werden sie zunächst kondensiert (verdichtet). Die Chromosomen sind dann unter dem Mikroskop als x-förmige Strukturen erkennbar. Den Mittelpunkt des X bildet das Zentromer. Als nächstes lagern sich die Chromosomen in der Äquatorialebene an, also in der Mitte des Zellkerns. Lange dünne Fäden, Spindelfasern genannt, greifen an den Zentromeren an und reißen die Schwesternchromatiden auseinander. Jeweils ein Chromatid jedes Chromosoms wird zu einem der Zellpole gezogen. Dort werden die Chromosomen wieder dekondensiert (entpackt) und es bildet sich eine neue Kernmembran aus. Anschließend teilt sich die Zelle.

Mitose
Mitose

Die Meiose – eine besondere Art der Zellteilung

Bei geschlechtlicher Vermehrung geben die Eltern Erbinformation (Chromosomen) an ihre Kinder weiter. Damit sich nicht mit jeder neuen Generation die Anzahl der Chromosomen verdoppelt, werden Keimzellen gebildet, die nur über den halben Chromosomensatz verfügen. Die meisten Organismen sind diploid und ihre Keimzellen demzufolge haploid. Der Vorgang der Keimzellbildung wird Meiose genannt.

Bei der Meiose ordnen sich die kondensierten Chromosomen paarweise in der Äquatorialebene an. Jeweils ein väterliches und ein mütterliches Chromosom liegen nebeneinander. Genau wie bei der Mitose greifen Spindelfasern an den Zentromeren an. Statt einzelner Chromatide, werden ganze Chromosomen zu den beiden Zellpolen gezogen. Anschließend findet die Zellteilung statt, wie sie oben beschrieben ist.

Erst nach der ersten Teilung werden die Chromosom in ihre beiden Schwesterchromatiden zerlegt und es folgt eine erneute Zellteilung. Aus einer diploiden Zelle sind vier haploide Keimzellen entstanden, deren Erbinformation sich zufällig aus mütterlichen und väterlichen Anteilen zusammensetzt.

Podcast zur Fotosynthese

Im Dezember 2014 hat Max Heeke von detektor.fm das Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie besucht und sich mit unserem Direktor Prof. Mark Stitt über die Photosynthese unterhalten. Dabei ging es vor allem um die sogenannten C3- und C4- Pflanzen und wie deren Erforschung mit der Ernährung der Weltbevölkerung zusammenhängt.

Forschung für die Ohren

Den Podcast „Photosynthese gegen den Welthunger“ findet Ihr bei detektor.fm 

In Koopertion zwischen Max-Planck-Gesellschaft und dem Online-Radio detektor.fm entstehen Forschungs-Podcasts zu den unterschiedlichsten Themen, die Ihr entweder über die Streamingdienste Deezer oder Spotify anhören könnt oder aber Ihr ladet Euch die Max-Planck-App für das iPhone im iTunes-Store herunter. Über die App erhaltet Ihr u.a. Zugriff auf die aktuellen Pressemeldungen  der verschiedenen Max-Planck-Institute und deren Forschungsergebnisse.

Spezialformen der Fotosynthese: C3, C4, CAM

Die meisten Pflanzen betreiben eine so genannte C3-Fotosynthese. Sie ist die älteste und bei gemäßigten Temperatur- und Lichtverhältnissen auch wirkungsvollere Art der Bindung des Kohlenstoffdioxids, das über die Spaltöffnungen passiv aufgenommen wird.

Wie in den Grundlagen erläutert, ist das Kernstück der lichtunabhängigen Reaktion, auch als Dunkelreaktion bezeichnet, das Enzym RuBisCo, das die Kohlenstoffdioxidfixierung katalysiert.

Es entstehen im ersten Schritt der CO2 -Fixierung im Calvin-Benson-Zyklus mit Hilfe des Enzyms RuBisCo aus einem Molekül Kohlendioxid und Ribulose 1,5-bisphosphat zwei Moleküle 3-Phosphoglycerat (3-PGA). Von dieser Verbindung, die aus drei Kohlenstoffatomen aufgebaut ist, leitet sich der Name C3-Fotosynthese ab und alle Pflanzen, die diese Art der Fotosynthese betreiben werden als C3-Pflanzen bezeichnet. 90 Prozent aller Landpflanzen gehören zu den C3-Pflanzen, wie z.B. Weizen und Reis. Erdgeschichtlich sind diese Pflanzen zuerst entstanden, da die Atmosphäre reich an CO2 war. 

Was die Pflanzen nicht vorhergesehen hatten – Fehler im System

Vor ca. 4,6 Milliarden Jahren war in der Erdatmosphäre so gut wie kein Sauerstoff enthalten, dafür war die Kohlenstoffdioxidkonzentration hoch. Man vermutet bis zu ca. 20 Prozent. Durch die Entwicklung von fotosynthetisch aktiven Bakterien, Algen und später auch Pflanzen reicherte sich die Atmosphäre mit Sauerstoff an und Kohlenstoffdioxid nahm ab. Der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre beträgt heute 21 Prozent, der CO2-Anteil liegt bei 0,04 Prozent. Diese Umkehrung der Verhältnisse blieb für die Fotosynthese nicht ohne Folgen.

Das Enzym RuBisCo, das für die CO2-Fixierung zuständig ist, kann nämlich sowohl mit CO2 als auch mit O2 reagieren. Durch die Abnahme des Kohlenstoffdioxids und die Sauerstoffanreicherung in der Atmosphäre, die die Pflanzen selber mit verursacht haben, sinkt die Effektivität der Fotosynthese, da die Wahrscheinlichkeit, dass das Enzym RuBisCo auf ein Sauerstoffatom stößt viel größer ist, als auf ein CO2-Atom zu stoßen.

Verstärkt wird dieses Problem bei Trockenheit bzw. steigenden Temperaturen. Die Spaltöffnungen des Blattes werden dann geschlossen, um Wasserverluste zu verringern. Deshalb gelangt weniger CO2 in die Zellen. Diese Situation führt insgesamt dazu, dass weniger Zucker entsteht, also die Fotosynthese weniger effektiv arbeitet.

Die Evolution „rettet“ ihre Kinder – Entstehung von C4– und CAM-Pflanzen

Bei den Pflanzen, die einen C3-Stoffwechsel betreiben, gelangt das Kohlenstoffdioxid passiv durch die Spaltöffnungen in die Zellen, um dann im Zuge des Calvin-Benson-Zyklus fixiert zu werden. Man nimmt heute an, dass der vor ca. 30 Millionen Jahren, während des Oligozäns, einsetzende Kohlenstoffdioxidrückgang die Grundvoraussetzung war für die Entwicklung bestimmter Pflanzen, deren Fotosynthese anders verläuft, als die der C3 Pflanzen. Nach einem ersten Evolutionsschub haben weiter sinkende CO2 Konzentrationen bei gleichzeitigem Anstieg der Sauerstoffkonzentrationen in der Atmosphäre und lokalen Faktoren, wie hohe Temperaturen, geringe Niederschlagsmengen und Trockenheit, sowie hoher Lichteinfall bei der Entstehung dieser Art von Pflanzen eine Rolle gespielt. Pflanzen des C4 Typs sind in 19 Pflanzenfamilien bis zu 61 Mal unabhängig voneinander entstanden. Es gibt sechs globale Zentren, die als Keimzelle für diese Pflanzen gelten: Nord- und Südamerika, Südafrika, Nordostafrika und Arabien, sowie Zentralasien und Australien.

Während in C3 Pflanzen die CO2-Fixierung und der sich daran anschließende Stoffwechsel, der zur Bildung von Zuckern führt in ein und demselben Zelltyp abläuft, sind bei C– bzw. CAM-Pflanzen diese Abläufe entweder räumlich oder zeitlich voneinander getrennt.

Einerseits nehmen C4 Pflanzen im Unterschied zu den C3 Pflanzen CO2 aktiv unter Energieverbrauch auf, das dann in den sogenannten Mesophyllzellen fixiert wird. Hierbei entsteht statt einer Verbindung, die aus 3 C-Atomen besteht (Phosphoglycerinsäure), eine Verbindung, die über 4 C-Atome verfügt (Oxalacetat). Das in Form der 4-C Verbindung gebundene CO2 wird über besondere Verbindungen in die angrenzenden Bündelscheidenzellen transportiert und wird dort freigesetzt. Es sammelt sich in diesen Zellen an, so dass hohe COKonzentrationen entstehen, die ca. 10-mal höher sind als in der Außenluft und die so für die RuBisCo zur Verfügung stehen, die dort wie bei den C3 Pflanzen für die weitere Umsetzung sorgt aber mit starker Unterdrückung der verschwenderischen Nebenreaktion mit Sauerstoff. Durch den Trick der aktiven Aufnahme und der räumlichen Trennung der Stoffwechselwege ist die Fotosynthese dieser Pflanzen effizienter als in C3 Pflanzen, vor allem bei höheren Temperaturen. Das Temperaturoptimum dieser Pflanzen liegt bei 30 bis 47 Grad Celsius, während es bei C3 Pflanzen bei 15 bis 25 Grad Celsius liegt.

Bei zunehmender Trockenheit und höheren Temperaturen sind diese C4 Pflanzen unseren C3 Pflanzen überlegen. Die Pflanzen erreichen hohe Biomasseerträge. Zu den C4 Pflanzen gehören u.a. Mais, Zuckerrohr, Amarant und Hirse.

Aufnahme von Kohlenstoffdioxid während der Nacht –  CAM-Pflanzen

Bei anderen Pflanzen, wie beispielsweise Kakteen geht es nicht um die räumliche Trennung dieser Abläufe, sondern um die zeitliche Trennung. So öffnen Wüstenpflanzen nachts ihre Spaltöffnungen, um Kohlenstoffdioxid aufzunehmen. Auch hier entsteht in einem ersten Schritt zunächst eine Verbindung mit 4 C-Atomen (Äpfelsäure). Diese wird nach einem weiteren Umbau in den Vakuolen der Zelle gespeichert. Tagsüber, wenn die Spaltöffnungen geschlossen sind um Wasser zu sparen, wird CO2 aus der in der Vakuole gespeicherten Äpfelsäure freigesetzt und kann dann für die Fotosynthese genutzt werden. Man nennt diese Pflanzen, zu denen beispielsweise Kakteen und Ananasgewächse gehören auch CAM-Pflanzen, wobei CAM für Crassulaceen-Säurestoffwechsel (engl. Crassulacean acid metabolism) steht.

Wenn Ihr mehr über die Fotosynthese lernen möchtet, schaut doch mal unter „pimp your brain“ Filme zur Fotosynthese auf unserem YouTube Kanal.

Prof. em. Dr. Mark Stitt erklärt die CAM-Fotosynthese, die z.B. von Kakteen genutzt wird. Unter extremen Umweltbedingungen – wie in der Wüste – müssen sich Pflanzen eines Tricks bedienen, um Fotosynthese betreiben und somit wachsen zu können, was sie im wahrsten Sinne des Wortes ziemlich sauer macht.

Pflanzen: Entstehung und Entwicklung

Pflanzen: sie sind grün und kommen in den verschiedensten Formen vor. Sie bilden die unterschiedlichsten Lebensräume und liefern so die Voraussetzung für die Artenvielfalt. Sie beeinflussen aufgrund ihrer Fotosynthese die Luftzusammensetzung und haben zusammen mit Bakterien menschliches und tierisches

Sekundärstoffwechsel

Neben dem „Primärstoffwechsel“ gibt es den sogenannten „Sekundärstoffwechsel“, in dem Inhaltsstoffe gebildet werden, die nicht zur Energieversorgung bzw. zur Synthese universaler Baubestandteile der Zelle beitragen. Primär- und Sekundärstoffwechsel lassen sich nicht immer einfach voneinander abgrenzen, da es viele Querverbindungen gibt und Zwischenprodukte des Primärstoffwechsels in den Sekundärstoffwechsel einfließen.

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Grundlagen der Fotosynthese

Der wichtigste biochemische Prozess auf der Erde ist die Fotosynthese. Da in der Fotosynthese die für das Wachstum und die Entwicklung der Pflanzen notwendigen Stoffe gebildet werden, bezeichnet man den Prozess auch als Grund- oder Primärstoffwechsel bzw. mittlerweile meist als Zentralstoffwechsel.

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Pflanzenernährung

Pflanzen ernähren sich nur von Luft, Licht und Wasser? Falsch. Sie sind auf eine ganze Reihe Nährstoffe angewiesen. Man unterscheidet dabei zwischen Makro- und Mikronährstoffen. Von den Mikronährstoffen brauchen Pflanzen nur wenig, dazu gehören Eisen, Zink, Kupfer und Nickel. Die Makronährstoffe Stickstoff, Phosphor und Schwefel muss die Pflanze hingegen in großen Mengen aufnehmen.

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Mendel’sche Regeln

Bereits in den 1860er Jahren entdeckte Gregor Mendel bestimmte Gesetzmäßigkeiten, nach denen Gene weitergegeben werden. Er untersuchte die Vererbung anhand von Erbsenpflanzen und führte Kreuzungsexperimente mit gelben und grünen, runzligen und glatten Erbsenfrüchten durch. Anhand seiner Ergebnisse postulierte er zwei Vererbungsregeln, die erst viel später mit der Entdeckung der Chromosomen wirklich verstanden wurden.

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Erbinformation

Jedes Lebewesen besitzt ein Genom, in dem alle Informationen zum Aufbau der Zellen gespeichert sind. Damit es nicht verloren geht oder beschädigt wird, wird es sicher im Zellkern verwahrt. Das Alphabet des Lebens besteht aus nur 4 Buchstaben. Doch wie kann man in so einer Sprache alle wichtigen Informationen unterbringen und wie werden diese entschlüsselt und vererbt?

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