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Biologie der Nutzpflanzen

Bedeutung der pflanzlichen Syntheseleistung Pflanzliche Organismen wandeln mit Hilfe von Photosynthese Pigmenten Sonnenlicht (Strahlungsenergie) in organische Stoffe (chemische Energie) um. -> Assimilation Durch Umsetzung der organischen Stoffe durch Pflanzen, Tiere, Pilzen, Bakterien wird wärme Energie freigesetzt. -> Dissimilation Pflanzen bilden die Grundlage allen tierischen Lebens. (Sauerstoff, Nahrungsgrundlage heterotrophe Organismen)

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Produzenten: autotrophe (Selbsternährung) Organismen (Primärproduktion), wandeln Strahlungsenergie und anorganische Stoffe in chemische Energie und organische Stoffe um Konsumenten: heterotrophe (sich von anderen ernährend) Organismen, beziehen Energie aus den von Produzenten gebildeten Stoffen Destruenten: Zersetzer, zerlegen organische Verbindungen zu anorganischen

Biologie der Nutzpflanzen

Kennzeichen des Lebendigen

Differenzierung Pflanzen/Tier Pflanzliche und tierische Organismen unterscheiden sich durch cytologische, morphologische und physiologische Merkmale:

Unterschied der eukaryontischen Pflanzenzellen zu Tierzellen(eukaryontisch=Zellen mit echtem Zellkern & Zellorganellen) -

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aus Cellulose bestehende Zellwand, wiedersteh osmotischen Innendruck und verleiht Stabilität Plastiden, i.d.R. Chloroplasten für die Photosynthese Zellsaftvakuole, Ort zur Speicherung von gelösten Stoffen (auch Exkret Stoffe)

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Taxonomie in der Botanik -

Familie (familia), endet mit „-aceae“ z.B. Nachtschattengewächse (Solanaceae) Gattung (Genus) z.B. Nachtschatten (Solanum) Art (species) z.B. Kartoffel (Solanum tuberosom)

Biologischer Artbegriff -

Arten sind Gruppen sich miteinander kreuzender natürlicher Populationen, die hinsichtlich ihrer Fortpflanzung von anderen Gruppen isoliert sind.

Wozu Botanik? Pflanzen sind die biologische Grundlage allen tierischen Lebens -

Liefern Nahrungsgrundlage für heterotrophe Organismen Atmosphärischen Sauerstoff Landwirtschaftliche Pflanzenproduktion ist angewandte Botanik

Wissenschaftliche Taxonomie und Nomenklatur dienen der internationalen Verständigung -

Abbildung verwandter Beziehungen untereinander

Abbildung der züchterischen Aktivitäten -

Sorten bei Pflanzen Rassen bei Tieren

Landwirtschaftliche Nutzpflanzenzucht  Angewandte Genetik

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Cytologie Die Zelle -

Kleinste potentiell selbstständige Lebensfähige Einheit Alle Lebewesen bestehen aus Zellen und deren Produkte Alle Zellen stimmen in wesentlichen Strukturen, Funktionen und Baustoffen überein Alle Zellen entstehen aus vorhandenen Zellen Leistung der Lebewesen beruhen auf der Leistung deren Zellen und wie sie zusammenwirken

Protocyten – Eutocyten -

Protocyten: kein Zellkern (Kernäquivalent), keine von Membran umhüllten Zellorganellen  Zellen der Prokaryonten (Bakterien, Archaeen) Eucyten: Zellkern & Zellorganellen vorhanden, membranumhüllt  Zellen der Eukaryonten (Protisten, Pilze, Pflanzen, Tiere)

Protocyte vs. Eucyte Kernäquivalent (Nucleoid), DNA ringförmig

Meist klein ca. 0,3-2,5μm Kein Zellzyklus, DNA-Reduplikation kurz vor Zellteilung Plasmide vorhanden Keine dauerhafte Kompartimentierung Vermehrung durch Zellteilung mit zentripetaler Wandbildung S. 5

Echter Zellkern, von Membran umhüllt, DANN linear, dauerhaft an basische Proteine (Histone) gebunden Meist größer ca. 10-1000 μm Zellzyklus Keine Plasmide Kompartimentierung -> Zellorganellen Vermehrung durch Zellteilung mit zentrifugaler Wandbildung

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Eucyte: Protoplast – Symplast – Apoplast -

Protoplast: gesamter von Zer Zellmembran umhüllter Raum mit allen darin befindlichen Organellen -> bezogen auf eine Zelle Symplast: Gesamtheit aller Protoplasten eines pflanzlichen Organismus, mittels dünner Plasmastränge (Plasmodesmen) durch Aussparungen in den Zellwänden (Tüpfeln) verbunden Apoplast: extrazellukärer Raum außerhalb des Symplasten, bestehnd aus Zellwand (Mittellamelle, Primärwand, Sekundärwand) und Interzellularen

Biomembran

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Besteht aus zwei monomolekularen Schichten (phosphorhaltige Lipide) Nach außen weisender hydrophiler Bereich („wasserliebend“), Kopf Nach innen weisender lipophiler Bereich („fettliebend“), Schwanz An einer Außenflächen sitzend, periphere Proteine  nur auf einer Seite des Membran lokalisiert durchqueren diesen nicht Polysaccharide (Seitenketten): nur auf der Außenseite der Zellmembran, dienen zur Zell-Zell-Erkennung/-Kommunikation durch den ganze Membran reichend, Tunnel- oder Kanalproteine, sowie integrale Translokatoren/Membranproteine -> katalysierte Permeation (aktiv & passiv)  verantwortlich für wichtige Transportvorgänge der Zelle Biomembran besitzen eine zähflüssige Konsistenz mit hoher Beweglichkeit der Lipide und Proteine innerhalb der Membran  fluid-mosaic-model o Eigenschaften des Biomembran:  Geschlossene Gebilde mit endlicher Fläche  Grenzen einen Innenraum grenzenlos nach außen ab  Kontrollieren Influx und Efflux  Sind dynamische Systeme, es besteht ständig Fluktuation und Austausch von Molekularen Komponenten Grenzen Protoplasten nach außen zur Zellwand ab, Plasmalemma Abgrenzung des Protoplasten nach innen zur Vakuole, Tonoplast

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Vakuole -

ist gefüllt mir wässrigem Zellsaft macht den Großteil des Zellvolumens aus ca. 90%, verschmilzt bei älteren Zellen zu einer großen Vakuole selektiv permeabler Tonoplast trennt die Vakuole vom Cytoplasma Funktion:  Speicherung von Reservestoffen z.B. Kohlenhydrate (Glucose, Saccharose)  Speicherung von nutzlosen und schädlichen Exkreten (innere Exkretion)  Aufbewahrung spezifischer Inhaltsstoffe (z.B. Farbstoffe, org. Säuren, Kokain, Coffein, Bitterstoffe)  Hydration des Cytoplasmas (Wasserspeicherung)  Wasseraufnahme und Abgabe durch osmotische Vorgänge  Vakuolen Druck verleiht der Zelle Festigkeit

Osmose Plasmolyse und Deplasmolyse -

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Plasmolyse erfolgt nach Zugabe stärker konzentrierter, hypertonischer Lösung z.B. 0,7 Mol KNO3 (Kaliumnitrat)  Plasmalemma zieht sich zusammen  Hechtscher Fäden werden ausgebildet Deplasmolyse erfolgt nach Zugabe schwächer konzentrierter, hypotonische Lösung  Plasmalemma dehnt sich aus

Der Durchgang von Wasser in beide Richtungen (Permeation von Wasser) erfolgt durch Aquaporine („Wasserporen“) Osmose kann reguliert werden, z.B. bei Pflanzen, bei denen der osmotische Wert der Umgebung vom Zellinneren abweicht

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Zellkern -

Nucleus

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Umhüllt von Kernhülle  Doppelmembran  Durchsetzt mit Poren (Steuerung von Stofffluss zwischen Zellkern & Cytoplasma)  Innenraum steht mit ER-Innenraum in Verbindung

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Im Inneren Karyoplasma

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Zellen ohne Zellkern sind nicht dauerhaft lebensfähig, begrenzte Lebenszeit!

Größtes Zellorganell, lichtmikroskopisch sichtbar Durch Kernteilung (Mitose) aus sich selbst hervorgehend

Enthält die genetische Information = Genom  Weitergabe der Erbinformation  Steuerung der Proteinbiosynthese

Endoplasmatische Retikulum -

Netzwerk aus membranumgrenzten Tubuli oder flachen Zisternen (einfache Membran), reicht durch die gesamte Zelle

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ER benachbarter Zellen stehen über Plasmodesmen in Kontakt

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Rauer ER: trägt Ribosomen auf der Zytoplasmatischen Seite

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Glattes ER Katalysiert wirksame Enzyme in der Membran, Aufbau der Kernhülle

Plastide -

Eigenes Genom Chloroplasten, Chromoplasten, Leukoplasten Reproduzieren sich selbst Proplastiden: undifferenzierte Vorstufe aller Plastidentypen, Differenzierung durch Licht reguliert Doppelmembran, innere Membran Mit Ausstülpungen zur Vergrößerung der reaktiven Oberfläche

Chloroplasten  Funktion: Order Photosynthese (=PS)  Matrix = Stroma: farbloser Innenraum

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Biologie der Nutzpflanzen  Thylakoide = Membransysteme in denen Photosynthese stattfindet  Stärke

Chromoplasten  Entstehen aus Proplastiden oder Chloroplasten  Keine Thylakoide, photosynthetisch inaktiv -> keine Bedeutung für Stoffwechsel  Färben Blüten, Früchte und Wurzeln -> Für Bestäubung und Ausbreitung durch Tiere hilfreich

Leukoplasten    

Kommen besonders in speichernden Zellorganellen vor Keine Thylakoide, photosynthetisch inaktiv Können bei Belichtung ergrünen Erfüllen den Zweck als Speichermittel:  Proteinplasten -> Eiweißspeicherung  Elaioplasten -> Fettspeicherung  Amyloplasten -> Stärkebildung und -speicherung  Gestalt & Größe arttypisch

Mitochondrien -

Kugel- bis Walzenförmig Eigene DNA, durch Teilung aus sich selbst hervorgehend Umgeben von einer Doppelmembran, innere Membran weißt starke Oberflächen Vergrößerung auf (Kammerartig = Cristae-Typ ; Röhrenartig = Tubulus-Typ) Transformation chemischer Energie (energiereiche Substrate) in energiereichere Phosphat Verbindungen (besonders ATP)

Ribosomen S. 9

Bildung in den Nucleoli Ort der Proteinbiosynthese Im Cytoplasma oft als Ribosomen anzutreffen Außerhalb des Kerns an die Oberfläche des Endoplasmatisches Retikulum gebunden

Biologie der Nutzpflanzen  rauer ER

Microbodies -

Sammelbegriff für die kleinsten vom ER gebildeten Strukturen, von einfacher Membran umgeben  Peroxisomen; Wasserstoffperoxid (Zellgift!), kann mittels Katalase abgebaut werden  Glyoxysomen; Mobilisierung gespeicherte Lipide, Umbau zu Kohlenhydraten  Lysosomen; Verdauungsorganellen  Oleosomen; Ölttröpfchen

Dictyosomen (Golgi-Apparat) -

Scheibenförmig, gestapelter Membran Umgeben von einfacher Membran Konzentrierung von Sekretstoffen Glykosilierung (Anhängen von Zuckerresten) Transport- und Verteilersystem Aufbau von Biomembranen // Beteiligung an Zellwandbildung

Zellwand -

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Starre Zellwand nur bei Pflanzen und Pilzen, umschließt gesamten Protoplast Verleiht Festigkeit und Form (=Exoskelett) Besteht aus drei Schichten Mittellamelle (gallertige Schicht zwischen benachbarten Zellwänden (=Verkettung)), Primärwand (elastischer Widerstand gegen Turgordruck, auftreten primärer Tüpfelfelder), Sekundärwand (dickste Schicht, verleiht Stabilität (90% Cellulose))

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Mitose = Kernteilung & Cytokinese =Zellteilung -

Chromosomen stellen Transportform des Chromatins dar Im Zentrum Verengungsstelle, Centromer  Hier sitzt der Kinetochor, verankerungspunkt der Spindelfaser während der Mitose

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Gesamtheit aller Chromosomen = Chromosomensatz

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Unterbleibt Zellteilung -> Zellen werden polyenergid = vielkernig

Mitose in 4 willkürliche Phasen unterteilbar Unterbleibt die Kernteilung -> Kerne werden polyploid = mehrfacher Chromosomensatz (zahlreiche Nutzpflanzen)  Wird angewandt um kräftigere, robustere und ertragreichere Pflanzenarten zu züchten

Mitoseablauf: Interphase (vor der Mitose)  DNA-Synthese (Verdopplung des Chromatins, Ein-Chromatid-Chromosomen werden zu Zwei-Chromatid-Chromosomen)  Proteinbiosynthese  Erreichen der endgültigen Zellgröße

Mitoseablauf: Prophase  Kondensation des Chromatins, Chromosomen erkennbar  Zerfall der Kernhülle in einzelne kleine Zisternen S. 11

Biologie der Nutzpflanzen  Zerfall der Nucleoli  Aufbau des Spindelapparates (aus Mikrotubuli) an den Polkappen der Zellen

Mitoseablauf: Metaphase  Maximale Kondensation  Verlagerung der Chromosomen zur Äquatorialebene  Mikrotubuli des Spindelapparates setzt an Kinetochoren an

Mitoseablauf: Anaphase  Teilung der Centromere  Chromatiden nun vollständig voneinander getrennt (-> Ein-ChromatidChromosomen)  Durch Verkürzung der Mikrotubuli Transport der Chromatiden zu den Spindelpolen

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Mitoseablauf: Telophase      

Vollzähliges Vorliegen der Tochterchromosomen an den Spindelpolen Bildung der neuen Kernhülle aus dem ER Dekondensation der Chromosomen Auflösung des Spindelapparates Bildung neuer Nucleoli Bei anschließender Zellteilung -> zentrifugale Bildung der Mittellamelle

Mitoseablauf: Interphase (nach der Mitose)  Tochterzellen haben die halbe Größe der Mutterzelle  DNA-Synthese (Ein-Chromatid-Chromosomen werden zu Zwei-ChromatidChromosomen)  Proteinbiosynthese

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Wozu Cytologie im Studium Zellen sind die Struktur sämtlicher Organismen Alle landwirtschaftlichen Eingriffe wirken sich auf Zellen aus, Verständnis zellulärer Vorgänge hilft bei Folgen Abschätzung landwirtschaftlicher Eingriffe (z.B. Produktqualität und -menge, Düngung, Bewässerung, Versalzung) Cytologisches Wissen ist wichtig bei Ernährungsberatung (z.B. Ballaststoffe, Kohlenhydrate, Proteine, Fette)

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Histologie Definition und Entwicklung von Gewebe o o

Histologie ist die Wissenschaft von den Strukturen und den Funktionen (pflanzlicher Gewebe) Entwicklung von Geweben geht aus Einzellern hervor  Zusammenschluss zu losen Zellverbänden  Arbeitsteilung innerhalb von Zellverbänden  Differenzierung von Geweben als Arbeitsteilung zwischen Zellen innerhalb von Zellverbänden

Merkmale von Geweben -

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Durch Entstehung aus einer Ursprungs Zelle, dauerhaft miteinander verbunden = congenital wachsend Unterschiedliche Gestalt Unterschiedliche Wandbeschaffenheit/Zellinhalte Zellen mit gleicher Aufgabe o Gewebe  Bildungsgewebe (Meristeme)  Dauergewebe (ausdifferenzierte, nicht mehr Teilungsfähige Zellen) Einzelne, andersartige Zellen innerhalb eines Gewebes werden als Idioblasten bezeichnet

Grund-bzw. Dauergewebe Funktionstypen o

o

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Grundgewebe (Parenchyme)  Assimilationsparenchym  Speicherparenchym  Wasserspeichergewebe  Durchlüftungsgewebe weitere Dauergewebe  Abschlussgewebe  Absorptionsgewebe  Leitgewebe  Festigungsgewebe  Ausscheidungs- oder Sekretionsgewebe

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Organisationsformen eukaryotischer Pflanzen -

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Protophyten o Vorwiegend bei Algen o Einzeller o Kolonien o Bis zu drei verschiedenen, jedoch nacheinander auftretenden Zelltypen Thallophyten o Vorwiegend bei Algen und Moosen (überwiegend im Wasser lebende Zelltypen) o Nicht selbsttragend, nahezu kein Festigungsgewebe = Aufgrund Wasserdichte o Bis zu zehn verschiedenen Zelltypen gleichzeitig im Organismus auftretend Kormophyten o Bei Farn-/Samenpflanzen, überwiegend landlebende Vielzeller o Differenzierung in drei Grundorgane: Wurzel), Spross und Blatt o Differenzierung zahlreicher unterschiedlicher Gewebe o Bei Farnpflanzen bis zu 25 verschieden Zelltypen, bei Samenpflanzen bis zu 60 verschiedene

Anpassung an das Landleben

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Grundorgane der Pflanze – Wurzel Rolle der Wurzel

Aufgabe der Wurzel -

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Wasseraufnahme Nährsalzaufnahme Verankerung -> im Boden, an Gestein, auf Pflanzen Nährstoffspeicherung Wasserspeicherung Stoffwechsel Wurzelknöllchen -> symbiontische Stickstoff-Fixierung o Knöchelbakterien

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Primärwurzel – Aufbau

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Wurzelrinde = aus dem Periblem hervorgehend Rhizodermis = aus dem Dermatogen hervorgehend

Rhizodermis – primäres Abschlussgewebe -

Äußerste Schicht der primären Wurzel, besteht nur aus einer Zelllage Ohne Cuticula, Spaltöffnungsapparate Einschichtiges Absorptionsgewebe -> später Ersatz durch Exodermis Charakteristisch sind einzellige Haare (Wurzelhaare), Bildung erfolgt durch Rhizodermis Zellen o Dienen der Nährstoffaufnahme o Zarte schleimige Zellwände und große Vakuolen sind üblich o Sind sehr kurzlebig o Treten nicht bei Wasser-, Sumpflanzen, sowie bei Luftwurzeln auf

Exodermis – sekundäres Abschlussgewebe -

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Aus Hypodermis hervorgehend Ein- oder mehrschichtiges interzellulare freies Gewebe des äußeren Rindenparenchyms Aufgrund nur schwacher Verkorkung bleiben Zellen am Leben Vereinzelt unverkorkte Durchlasszellen -> Wasseraufnahme auch oberhalb der der Wurzelhaarzone

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Rindenparenchym -

Speichergewebe, mit schizogenem (=durch abgerundete Zellen entstehend) Interzellularen Chloroplasten frei (außer Luftwurzeln) Ggfs. Auch Verstärkungsgewebe

Endodermis -

Innerste Rindenschicht, besteht nur aus einer Zelllage Trennt Rinde vom Zentralzylinder (Mantel aus sich lückenlos schließender Zellen) Verhindert unkontrollierten Durchfluss in den Zentralzylinder durch Durchlasszellen

Zentralzylinder -

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Perzykel=Perikambium; Bildung der Seitenwurzeln (Restmeristem), eine Zelllage Leitbündel: In Wurzeln immer radial o Xylem:  Transport von Wasser und Mineralsalzen  Bei Dikotylen, diarch (triarch, etc.) (Zweikeimblättrigen) Monokotylen polyarch (Einkeimblättrigen) unterschiedlich o Phloem  Liegt zwischen dem Xylem  Transportiert Wasser und Assimilate (von Pflanze gebildete Stoffe) o Markparenchym (Wurzelzentrum)  Unverholzt = Speichergewebe (Speicherparenchym)  Verholzt = Festigungsgewebe (Marksklerenchym)

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Sekundärwurzel Wurzeltypen

Metamorphosen -

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Änderung im inneren und äußeren des Grundorgans Stets mit Übernahme spezifischer Aufgaben verbunden

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Grundorgane - Sprossachse Merkmale & Analogien -

Oberirdisch & unterirdisch wachsendes Grundorgan Trägt Blatter und (Sprossbürtige) Wurzeln Aufgebaut aus Festigungs-, Leit- und Speichergewebe Bei Algen = Gewebethallus; Bei Pilzen z.B. Hutstiel = Plectenchyme

Allgemeine Entwicklung -

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Bereits im Embryo vorhanden, Teilungsaktivität beginnt mit Keimung o Sprossvegetationskegel (SVK) als Plumula Determinationszone = oberste Spitze SVK ist zu unterscheiden in: o Protoderm  Dermatogen -> Bildung der Epidermis o Tunica  Periphere Zone 1-5 Zellreihen an der Oberfläche gelegen  Anlage der Blattprimodien (exogene)  Bildung der periphere Urrinde o Prokambium(-stränge)  Stets zur Bildung der Leitbündel  Bei Monokotylen dispers über gesamten Sprossquerschnitt verteilt  Bei Dikotylen zylinderartig zwischen Corpus und Tunica o Corpus  Zentrale Zone -> Entstehung des Zentralen Urmarks Blattanlagen (Blattprimodien) entstehen seitlich am SVK, akropetal gebildet d.h. stets zum SVK hin (von oben nach unten) In Blattachseln verbleiben stehts Restmeristeme o Daraus entstehen Seitensprosse  Prinzip der axilären Verkettung SVK ist durch junge Blätter geschützt, bilden zusammen Terminalknospe & Seitenknospe

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Geschlossen kollaterales Leitbündel

Merkmale und Aufgaben -

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Aus langgestreckten Zellen aufgebaut, schr...