Biologie der Nutzpflanzen, Zusammenfassung PDF

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Zusammenfassung des Moduls Biologie der Nutzpflanzen. WS 2014...

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Biologie der Nutzpflanzen 1. Einführung Assimilation: Pflanzl. Organismen wandeln mithilfe d. Photosynthesepigmente Sonnenlicht (Strahlungsenergie) in organische Stoffe (=chem. Energie) um. Dissimilation: bei d. Umsetzung d. organischen Stoffe durch die Pflanze selbst u. durch andere Organismen (Tiere, Pflanzen, Bakterien) wird Wärmeenergie frei.

Kennzeichen des Lebendig Lebendigen en Merkmal Stoffwechsel

Energiewechsel Wachstum Entwicklung Fortpflanzung Vererbung

Reizbarkeit

Bedeutung Chem. Stoffzusammensetzung, katalysiert durch Enzyme: Aufbau organischer aus anorganischen Verbindungen zur Energiegewinnung und Wachstum  Anabolismus: Stoffaufbau  Katabolismus: Stoffabbau Den Stoffwechsel begleitet der Energieumsatz Lebenslanges Wachstum (Zellteilung) Stammesgeschichtl. + individuelle Entwicklung Erhaltung d. Art bei Weitergabe v. genetischer Information, nicht selten mit einer Vermehrung d. Individuenzahl verbunden Identische Vermehrung, gleichmäßige Verteilung u. Weitergabe d. Informationen tragenden DNA-Moleküle aller Zellen zur Erzeugung von Nachkommen mit gleichartigen Merkmalen Lebende Organismen zeigen Reaktionen auf versch. Umwelteinflüsse:

Bewegung

- taktile Reizung, z.B. Berührungen - chemische Reizung, z.B. Wahrnehmung v. Stoffkonzentrationen - physikalische Reizung, z.B. Wärmestrahlung, Licht Mit gerichteten Bewegungen gezielt auf Reize reagierend

Unterschiede zwischen pflanz. und tier tier.. Organismen Pflanzliche u. tierische Organismen unterscheiden sich in den folgenden cytologischen, morphologischen und physiologischen Merkmalen: Pflanzliche Organismen Überwiegend autotroph = unmittelbare Nutz Nutzun un ung g d. Sonnenenergie, selten heterotroph Produzent Produzenten en

Tierische Organismen Nie autotroph, stets heterotroph = Energiegewinnung durch die Aufnahme organischer Stoffe Ko Ko Konsumenten/Destruenten nsumenten/Destruenten

Chlorophyll vorhanden

Kein Chlorophyll enthalten

Mit großer äußerer Oberfläche (Bäume haben große Oberfläche durch Baumkrone)

Mit großer innerer Oberfläche (wegen Nahrungsverarbeitung + Verdauung)

Lebenslang embryona embryonale le Ze Zellen llen unbegrenztes Wachstum

Begrenztes Wachstum  im Erwachsenenstadium nur ausdifferenzierte Zellen vorhanden

Meist Stärke bildend

Meist Glykogen (tierische Stärke) bildend

Zellen mit Zellwand

Zellen ohne Zellwand

Meist ortsfest (stehen immer an einem Ort, Samen sind aber beweglich, werden bspw. durch Wind versträut)

Meist ortsbeweglich

Unterschiede zwischen pflanzlichen und ttierischen ierischen Organismen Die Mehrzahl eukaryontischer Pflanzenzellen unterscheidet sich von den eukaryontischen Tierzellen. 1. Umhüllung d. Protoplasten durch eine vorwiegend aus Cellulose bestehende Z Zellwand ellwand ellwand, die d. osmotischen Innendruck d. Zelle (= Turgor) widersteht u. ihr dadurch eine hohe Festigkeit verleiht. 2. Besitz von Plastiden, im typischen Fall von Chloroplasten für die Photosynthese. 3. Auftreten einer Zellsaftv Zellsaftvakuole akuole als Orten d. Speicherung gelöster Stoffe, darunter Exkretstoffe.

Tax axonomie onomie in der Botanik

Oben links: wird oft in d. Klausur abgefragt u. oft falsch gemacht

Der Artbegriff – Biologischer Artbegriff

Ernst Mayr (1969, 1975): „Arten sind Gruppen sich miteinander kreuzenden natürlicher Populationen, die hinsichtlich ihrer Fortpflanzung von anderen Gruppen isoliert sind.“

Wozu Botanik für mein Studium? Pflanzen sind die biologische Grundlage allen tierischen (und menschlichen) Lebens  liefern den atmosphärischen Sauerstoff  liefern Nahrungsgrundlage für heterotrophen Organismen Die landwirtschaftliche Pflanzenproduktion ist „Angewandte Botanik“. Wissenschaftliche Taxonomie und Nomenklatur dient der internationalen Verständigung. 



Abbildung d. verwandtschaftlichen Beziehungen d. Arten untereinander = Namen der Arten = Basisinformationen bei Einkreuzungen Abbildung der züchterischen Aktivität = Namen der Sorten bei Pflanzen = Namen der Rassen bei Tieren

Die landwirtschaftliche Nutzpflanzenzucht ist „Angewandte Genetik“.

2. Cytologie – Bau und Funkti Funktion on d. Z Zelle elle

Gestalt o o

Kugelige Zellen:sehr selten, z.B. bei Algen Pa Parenchymatische renchymatische renchymatischeZellen (parenchymatisch nicht auf Form bezogen) o Isodiametrische Zellen Mehr o. weniger kubische Zelen o Poly Polyedrische edrische Zellen: sehr häufig im Gewebsverband Prosenchymatische Zellen = langgestreckte Zellen, an d. Enden meist zugespitzt o

o

Protocyte und Prokary Prokaryoten oten o

Protocyten besitzen keinen umhüllten Zellkern

o

Protocyten besitzen keine v. einer Membran umgebenen Zellorganellen

o

Zu den Prokaryoten gehören: Bakterien, Cyanobakterien („Blaualgen“), Archaen

Protocyte - Darstellung einer Bakterienze Bakterienzelle lle

Die Strukturelemente d. P Protocyte rotocyte        

Ze Zellwand llwand aus Murein (=Makromolekül aus Zuckern + Proteinen) (teils mit aufgelagerter Schleimkapsel) Ze Zellmembr llmembr llmembra an umhüllt die Zelle Nucleoid (ringförmiges Bakterienchromosom) Träger d. Erbinformation Plasmide sind kleine extrachromosomale DNA-Ringe mit zusätzlicher Erbinformation Ribosomen sind d. Orte d. Proteinbiosynthese Re Reservestoffe servestoffe Flagellen dienen der Fortbewegung Pili dienen d. Anheftung an Oberflächen o. anderen Zellen

Unterschiede Protocyte vs. Eucyte  

   

Prokaryontenzellen kleiner und einfacher gebaut Kein echter Zellkern, sondern nur Ke Kernäquivalent rnäquivalent ( Name Prokaryonta) o Nucleoid: Bakterienchromosom, geknäultes, ringförmiges DNA-Molekül ohne dauerhafte Bindung an basische Histone zusätzliche DNA in Form kleiner ringförmiger DNA-Moleküle mit wenigen Genen  Plasmide permanente DNA-Reduplikation, kein Zellzyklus wie bei d. Eukaryota Vermehrung durch einfache Zellteilung mit zentripetaler Wandbildung Keine dauerhafte echte Kompartimentierung o Kein Plastiden, keine Mitochondrien, keine ER, keine Dictyosomen

Eucyte und Eukaryont Eukaryonten en o

Eucyten (Zellen d. Eukaryonten) besitzen einen umhüllten Zellkern u. viele Zellorganellen

o

Zu den Eukaryonten gehören: Protisten, Pflanzen, Tiere, Pilze

Schematische Darstellung einer pflanzlichen Z Zelle elle

Eucyte: Protoplast – S Symplast ymplast – Apoplast Protoplast

o

Cytoplasma Große Organellen Organellen, umgeben v. doppelter Membr Membra an (=Hülle) Biomembranen (fluid-mosaic-model) - Nucleus (Zellkern) mit Nucleoli (Kernkörperchen) - Plastiden (Chloro-, Chromo-, Leukoplasten) - Mitochondrien (Sacculus-, Christae-, Tubulus-Typ) Kleine Organellen umgeben von einfacher Membr Membra an

o

- endoplasmatisches Retikulum - Dictyosomen mit Golgi-Vesikel Selfassembly Selfassembly-Systeme -Systeme

o o

- Cytoskelett (Mikrofilamente, Mikrotubuli) - Ribosomen

Sympla Symplast st

o

Zellverbund aller Zellen eines pflanzl. Organismus mittels dünner Plasmastränge durch Aussparungen in den Zellwänden (Plasmodesmen)

Apoplast o

Der außerhalb d. Plasmamembran (Plasmalemma), also außerhalb d. Zellen befindlichen Bereich pflanzl. Gewebe - Zellwand (Mittellamelle, Primärwand, Sekundärwand) - Interzellularen

Biomembr Biomembranen anen Merkmale o

Membra Membranen nen sind grundsätzlich geschlossene Gebilde mi mitt endlicher Fläche - aber unbegrenzt, da ohne seitliche Ränder - trotz Flächigkeit dreidimensionale Gebilde - aufgerissene Membranen schließen sich sofort wieder

o

Membra Membranen nen grenzen einen IInnenraum nnenraum lück lückenlos enlos gegen seine Umgebung ab

- Kompartimentierung = Abgrenzung v. Reaktionsräumen (Kompartimente = Zellorganellen) - Trennung v. plasmatischen u. extraplasmatischen Bereichen - innen und außen o

Membra Membranen nen kontrollieren IInflux nflux u. Eff Effux ux - selektive Permeabilität a.) Permeation durch Diffusion b.) katalysierte Permeation mithilfe v. Carriern (Translokatoren, z.T. als regulierbare Ionenkanäle) c.) aktiver Transport mithilfe energieliefernder Reaktionen (ATP  ADP)

o

Membra Membranen nen sind dynamische Membr Membransysteme ansysteme o Plasmalemma, ER, Kernhülle, Dictyosomen, Vakuole, kleinere Vesikel sowie die äußeren Membranen v. Mitochondrien u. Plastiden, nicht aber deren innere Membranen, stehen herkunftsmäßig in Verbindung u. tauschen molekulare Komponenten aus o beständige Fluktation zwischen d. Membranen dieser versch. Kompartimente = Membranfluss, besteht, z.B. ER  Vesikel Dictyosom Vesikel  Plasmalemma

o

Abgrenzung des Protop Protoplasten lasten nach außen zur Z Zellwand ellwand ( = Plasmalemma)

o

Abgrenzung d. Protop Protoplasten lasten nach innen zur V Vakuole akuole ( = T Tonoplast) onoplast)

o

Membra Membranen nen gehen aus Membr Membrane ane anen n hervor hervor,, sie entstehen nicht de novo

Biomembr Biomembranen anen Aufbau   

Aus 2 monomolekularen Schichten von Phospholipiden aufgebaut Nach außen weisender hydrophiler Bereich Nach innen weisender lipophiler Bereich

  

An einer Außenfläche sitzend: periphere Proteine Durch die gesamte Membran reichende integrale Translokatoren oder Tunnelproteine Biomembranen besitzen zähflüssige

eine

Konsistenz mit hoher Beweglichkeit d. Lipide u. Proteine innerhalb d. Membran (fluid-mosaicmodel)

Vakuole

Aufgaben u. Lei Leisstungen 

Speicherung vv.. Re Reservestoffe servestoffe servestoffen n (z.B. K Kohlenhydraten) ohlenhydraten) o Glucose (Traubenzucker) u. Fructose (Fruchtzucker) in Früchten o Saccharose (Rohrzucker) in Zuckerrüben u. Zuckerrohr



Speicherung nutzloser o. sc schädlicher hädlicher Extrakte (innere Exkretio Exkretion) n) o Colchicin Colchicin(Colchicum autumnale)



Aufbewahrung spezifischer Inhaltsstoff Inhaltsstoffe e o Anthocyne: rote bzw. blaue Blütenfarbstoffe o Flavone: gelbe Farbstoffe o Alkaloide: Atropin, Cocain, Morphin u. Codein, Coffein, Nikotin o Organische Säuren und deren Salze: Zitronensäure (Citrat), Äpfelsäure (Malat), Oxalsäure (Oxalat)

o o

Glycoside: herzwirksame Digitalis-Glykoside, Blausäureverbindungen d. Steinobstkerne, Bitterstoffe d. Enziane, Senfölglykoside Gerbstoffe: Tee, Eichenborke



Wasserreservoir zur K Konstanthaltung onstanthaltung d. cytoplasmatischen W Wassergehalts assergehalts



Wasseraufnahme/abgabe b bei ei osmotischen V Vorgängen orgängen  Osmose  Plasmolyse = Wasserabgabe aus d. Vakuole Deplasmolyse Deplasmolyse= Wasseraufnahme in d. Vakuole Der aus dem Vakuolendruck resultierende Turgor verleiht d. Zelle Festigkeit!

Osmose - Plasmolyse, Deplasmolyse V Verlauf erlauf  

Stark konzentriert = hypertonische Lösung Konzentration d. Lösung größer als Konzentration d. Zellsaftes Schwach kkonzentriert onzentriert = hy hyp potonische Lösung Konzentration d. Lösung kleiner als Konzentration d. Zellsaftes

Abb.: Plasmolyse u. Depla Deplassmolyse  

Plasmolyse erfolgt nach Zugabe stark konzentrierter, hypertonischer Lösungen Deplasmolyse erfolgt nach Zugabe schwach konzentrierter, hypotonischer Lösung.

Plasmolyse u. Deplasmolyse – Aquaporine o o

Plasmolyse als freie Diffusion v. Wasser durch die Biomembranen entspricht nicht d. Kenntnisstand der Forschung Der Durchgang v. Wasser durch Membranen erfolgt durch Wasserporen = Aquaporine Aquaporine= komplexe Kanäle, die die Permeation v. Wasser durch die Biomembranen in beide Richtungen ermöglichen

Protoplast o o

= lebender Zellleib mit seinen internen Strukturen Von d. Zell- o. Plasmamembran, dem Plasmalemma lückenlos umgeben

o

Besteht aus o

Cytoplasma

o

Großorganellen (umgeben v. doppelten Membranen)

o

Kleinorganellen (umgeben v. einfachen Membranen)

o o

Selfassembly-Strukturen Ergastische Gebilde

Ze Zellkern llkern Merkmale  

Größtes Zellorganell Enthält die genetische Information =Genom o Weitergabe d. Erbinformation



Umgeben v. einer Doppelmembran (Kernhülle) o Kernhülle von Poren durchsetzt: keine einfachen Öffnungen, sondern komplizierte

o

Steuerung d. Proteinbiosynthese

Gebilde zur Steuerung des Stoffflusses zwischen Zellkern u. Cytoplasma Kernhülle mit dem ER verbunden Innerhalb d. Kernhülle Karyopla Karyoplasma sma = Kary Karyolymphe olymphe o Grundsubstanz ähnlich dem Cytoplasma, Chromatin = Chromosomen o



o o  

Kern-DNA und Proteine (Histone) – Proteinfilamente Kernskelett (auch Kernmatrix) = spezieller Teil des Cytoskeletts, mit diesem auch

durch die Kernporen verbunden Durch Kernteilung (Mitose) aus sich selbst hervorgehend Zellen ohne Zellkern sind nicht dauerhaft lebensfähig u. haben eine begrenzte Lebenszeit, z.B. Siebröhren des Phloems oder Thrombozyten u. Erythrozyten d. menschlichen Blutes

Ze Zellkern: llkern: Nucleoli = K Kernkörperchen ernkörperchen   

Ein Nucleolus o. mehrere Nucleoli pro Kern Nucleoli treten ausschließlich im Inneren d. Kerns auf Ort d. Synthese v. Vorstufen d. cytoplasmatischen Ribosomen (RNP) = 1. Synthese v. Vorstufen d. ribosomalen RNA 2. Bindung d. ribosomalen RNA an Proteine 3. Vorliegen von Ribonucleinpartikeln (RNP) Abb.: links: Zellkern, rechts: Schema – Kernhülle mit ER verbunden

Ze Zellkern llkern – Chromo Chromossomen 

Für die Kernteilung (Mitose) ist eine kompakte Transportform d. Chromatins notwendig: o Chromosomen stellen die Transportform d. Chromatins dar o

  

sie sind somit kontrahierte, stabförmige, meist geknickte Chromatin-Moleküle, die sich

gut anfärben lassen (Name!) Die Chromosomen besitzen im Längsverlauf eine Verengungsstelle = Centromer Am Centromer ist d. Sitz des Kinetochor(Anheftungsort d. Spindelfasern während d. Mitose) Gesamtheit aller Chromosomen = Chromosomensatz (spezifisch)

Modell der Feinstruktur d. Chromatide: die perlschnurartig aufgebaute Chromatide besteht aus einem DNA-Faden, der regelmäßig mit linsenförmigen Nucleosomen verknüpft ist. Ein Nucleosom wird aus 8 Molekülen von Histon-Proteinen gebildet.

Ze Zellkern llkern – Cytokinese/Z Cytokinese/Zellteilung ellteilung o

In d. Äquatorialebene d. sich teilenden Zelle: Bildung eines tonnenförmigen Phragmoplasten

o

aus Mikrotubuli Möglicherweise Reste der postanaphasischen Spindel

o

Ansammlung v. Golgi-Vesikeln benachbarter Dictyosomen in d. Mitte des Phragmoplasten

o

Heranbringen v. Zellwandmaterial zur Bildung d. Zellplatte

o

Die Mikrotubuli leiten die Golgi-Vesikel zur Zellplatte

o o

Vesikel-Membranen verschmelzen zum neuen Plasmalemma Inhalt d. Vesikel baut die Mittellamelle auf

o

Wo das endoplasmatische Retikulum (ER) die Äquatorialebene durchzieht, unterbleibt die vollständige Trennung d. beiden Tochterzellen – hier entstehen Plasmodesmen, später Tüpfel

Mitose Mitose =K =Kernteilung, ernteilung, Cytose = Zell Zellteilung teilung o

Unterbleibt die Kernteilung, werden Kerne polyploid (=mehrfacher Chromosomensatz)

o

Unterbleibt die Zellteilung, werden Zellen polyenergid (=vielkernig)

Chromosomensätze können unterschiedlich ausgebildet sein:

o

Haploid (einfach)  verschiedene Algen Diploid (doppelt)  alle höheren Pflanzen

o o

Triploid (dreifach)  sekundäres Endosperm Polyp Polyploid loid (vielfach)  zahlreiche Nutzpflanzen

o

Plastiden   

Ausschließlich pflanzl. Zellkompartimente, nie in tierischen Zellen Stets v. einer Doppelmembran umgeben Innere Membran zur Vergrößerung d. reaktiven Oberfläche ins Innere d. Plastiden ausgeformt

Links: Chloroplastenentwicklu Chloroplastenentwicklun n g,

rechts: Bau d. Chloroplasten

Plastiden – Chromoplasten u. Leukopla Leukoplasten sten 



Chromoplasten o Photosynthetisch inaktive Plastiden zur Färbung v. Pflanzenorganen o Gelbe, rote Kronblätter  Bestäubung o Gelbe, rote Früchte u. in Wurzeln (Katotte)  Verbreitung Leukoplasten o V.a. in Speicherorganen o

Bildung v. Reservestärke Amyloplasten

o

Eiweißspeicher Proteinoplasten

o

Speicher für fette Öle Elaioplasten

Amyloplasten der Kartoffelknolle (in großen Mengen im Parenchym d. Kartoffelknolle)

Endoplasmatisches R Retikulum etikulum (weiter oben, bei „Zellkern: Nucleoli = Kernkörperchen“ Abbildung der ER

  

Netzwerk membranumgrenzter, sackartiger, röhrenförmiger Zisternen Einfache Membran als Begrenzung An plasmatischer Seite d. Membran Synthese v. Phospholipidmolekülen o Vergrößerung d. Membran = Membransynthese

o  

Membranfluss

Katalytisch wirksame Enzyme in der Membran Aufbau d. Kernhülle d. Mitose

Ribosomen        

Selfassembly-Systeme aus einer festgelegten Anzahl v. Proteinen u. Nucleinsäuren Bildung in den Nucleoli Größerer Ribosomentyp im Cytoplasma, kleinerer Typ in Mitochondrien u. Plastiden Orte der Proteinbiosynthese zwei versch. große Untereinheiten, die nur zur Proteinsynthese zs-treten u. sich dann wieder separieren außerhalb d. Kerns sind sie häufig auch an die Oberfläche des rauhen ER gebunden die Proteine der ER-gebundenen Ribosomen werden in die ER-Membran eingebunden o. in das ER-Lumen eingeschleust im Cytoplasma oft zu „Polysomen“ zusammentretend

Dictyosom Dictyosomen en (Golgi-App (Golgi-Appar ar arat) at) Merkmale    

scheibenförmige,membran-umgebene Hohlräume (Zisternen) = Dictyosomen alle Dictyosomen einer Zelle = Golgiapparat umgeben v. einfacher Membran, nicht v. einer Doppelmembran in engem Kontakt mit dem Endoplasmatischen Retikulum

Aufgaben:         

die dem ER zugewandte Seite ((cis) cis) erhält Transitvesikel des ER die dem ER abgewandte Sei Seite te (trans) löst sich netzförmig auf, es entstehen schließlich blasenartige Sekretvakuolen (Golgi-Vesikel) Konzentrierung v. Sekretstoffen bei unterschiedl. Enzym-ausstattung Glykolisierung (= Anhängen v. Zuckerresten) Transportsystem Extrusion, Exocytose Aufbau v. Biomembranen Beteiligung an d. Zellwandbildung Neubildung aus dem ER

Abbildung: Zisternen mit abgeschnürten Vesikeln, Querschnitt mit B = Bildungs- und S = Sekretionsseite

Mitochondrien Merkmale:      

Kugel- bis walzenförmig Bei d. Zellteilung durch Teilung aus sich selbst hervorgehend Eigene, extrachromosomale, ringförmige mitochondriale DANN Umgeben v. einer Doppelmembran Innere Membran weist starke Oberflächenvergrößerung auf Christae-Typ  kammartige Vergrößerung d. Innenmembran Tubulus Typ  röhrenartige Vergrößerung d. Innenmembran

Aufgaben: o o o o o

Äußere Membr Membran an  Enzyme d. Fettstoffwechsels Intermembr Intermembranraum anraum  von Matrix gefüllt, hohe Protonenkonzentration Innere Membr Membran an  Enzyme d. Atmungskette, Enzyme d. oxidativen Phosphorylierung, A...