Musterlösung pph2 - Struktur und Wachstum von Blütenpflanzen PDF

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Struktur und Wachstum von Blütenpflanzen...

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Lösungsschlüssel zu „Hausaufgaben Campbell/Pflanzenphysiologie 2" PFLANZENSTRUKTUR UND WACHSTUM Vorbemerkung: Die folgenden Lösungen stellen ausführliche „Maximalantworten“ dar, die sich grösstenteils aufgrund der Informationen aus dem Lehrbuch von Campbell ergeben. Zu jeder Antwort gäbe es natürlich noch weitergehende Informationen, die Sie aus weiterführenden Lehrbüchern der Pflanzenbiologie erschliessen könnten. Nur in Ausnahmefällen sind solche Zusatzinformationen angeführt, gekennzeichnet durch eine eckige Klammer. Diese Zusatzinformationen werden in Ihren Lösungsvorschlägen selbstverständlich nicht erwartet. Ihre Antworten werden natürlich wesentlich knapper formuliert sein als in diesem Lösungsschlüssel. Aber durch die detaillierte und strukturierte Antwortskizze können Sie selbst kontrollieren, welche Teilantworten bei Ihnen evtl. fehlen oder warum Sie nicht auf die Maximalpunktzahl gekommen sind. Zudem: aus Fragen und deren Beantwortung lernt man am meisten. Die üblichen Lösungsschlüssel mit meist Kürzestantworten taugen daher m.E. wenig. Kursiv gesetzte Schlüsselwörter bilden jeweils das Skelett der Antwort! Die angeführten Punktzahlen stellen eine mögliche Gewichtung der Teilantworten dar. Die Bewertung erfolgt aber nicht strikte nach der Teilpunktzahl, sondern beurteilt auch die Antwort als Ganzes. WICHTIG: Einige allgemeine Tipps zur Lösung von Aufgaben - Analysieren Sie zunächst sorgfältig die Frage: Was ist die eigentliche Fragestellung (Wie viele Teilaspekte werden darin angesprochen? Ist die Frage gegliedert (mehrteilig)? u.a.). Gehen sie nicht einfach auf irgendein Stichwort der Frage ein! - Geben Sie dann eine Art Einleitung, die notwendige/wichtige Definitionen, grundsätzliche Überlegungen u.a. enthält. - Strukturieren Sie die Antwort (wenn Frage gegliedert —> Antworten ebenfalls gegliedert), - Begründen Sie Ihre Antwort. - Geben Sie in der Regel keine abstrakten Antworten alleine, ohne immer ein/mehrere Beispiel/e anzuführen. - Achten Sie auf korrekte Begriffe (= Einüben der Fachsprache). - Kontrollieren Sie am Schluss, ob Sie tatsächlich auf alle Aspekte der Frage auch eingegangen sind. 1. Pflanzliche Zellstruktur (10 Punkte) Worin unterscheidet sich eine typische pflanzliche Zelle von einer typisch tierischen Zelle? Nennen und beschreiben Sie Unterschiede und Gemeinsamkeiten. 1.1 Vergleich pflanzliche und tierische Zellen bezüglich Strukturlemente: Gemeinsamkeiten: Mitochondrium, Zellkern, Ribosomen, Endoplasmatisches Reticulum, Plasmamembran, Golgi-Apparat, Cytoskelett (ausser: Intermediärfilamente Wichtigste Unterschiede: - nur pflanzlich: Zellwand, Plastiden (Chloroplast, Chromoplast, Amyloplast), Tonoplastmembran, Zentralsaftvakuole, Plasmodesmen; - nur tierisch: Intermediärfilamente, Lysosomen*, Centriolenpaar, Mikrovilli, Glycogen. (max. 3 Pkt.)

(*In einigen Lehrbüchern ist auch von Lysosomen in pflanzlichen Zellen die Rede. Das ist jedoch nicht korrekt, in Pflanzen übernehmen Vakuolen die Aufgaben, die in tierischen Zellen von Lysosomen durchgeführt werden. So findet man in Vakuolen viele der Lysosomentypischen Enzyme, etwa Proteasen, RNasen und auch saure Phosphatasen. Deshalb werden Vakuolen manchmal als auch als „Lysosomenersatz“ der Pflanzenzelle bezeichnet. Aber es gibt wesentliche Unterschiede; so ist der Tonoplast, die umhüllende Membran der Vakuole, ganz anders aufgebaut als die Lysosomen-Membran.) [Typische Merkmale eines Pflanzenkörpers: Gliederung in stoffsuchendes und stoffaufnehmendes Wurzelsystem, stützende und transportierende Sprossachse, assimilierendes „sonnenkollektorenartiges“ Blattsystem; zudem: festsitzend, unbeschränkt wachstumsfähig, photoautotrophe Ernährung. Daraus lassen sich wichtige Merkmale pflanzlicher Zellen ableiten:] 1.2 Unterschiede pflanzliche und tierische Zelle: Nur in den Unterschieden der Pflanzenzelle zur tierischen Zelle ist der Bau des Pflanzenkörpers zu verstehen. Das wären: Zellwand (Hauptbestandteile: Cuticula, Cellulose, „Holzstoff“ Lignin; Struktureigenheiten), Vakuolen, Chloroplasten, allg. Plastiden, meristematische Zellen (3 Pkt.) 1.3 Zellwand (mit Plasmamembran) und Vakuole: verantwortlich für Festigung, Vakuole mit gelösten Substanzen: osmotische Wirksamkeit —> Turgor: fundamentale Bedeutung für Wasserhaushalt und für die Erhaltung der äusseren Gestalt (Aussteifung Pflanzenzelle, im Wechselspiel zwischen osmotisch bedingtem Turgordruck und Gegendruck der elastischen Zellwand (—> turgeszente Zelle, besonders bei einjährigen krautigen Pflanzen wichtig) (Turgormechanismen sind auch verantwortlich für das Streckungswachstum (Zellstreckung) und das Öffnen/Schliessen der Stomata: vgl. Campbell Kap. 36 Transport und Kap. 39 Phytohormone). Als ortsgebundene Organismen sind Pflanzen auch auf reversible Speicherung von Produkten und Substraten des Stoffwechsels angewiesen, ebenfalls eine der Funktionen der grossen zentralen Vakuolen. (4 Pkt.) [Die Hauptbaustoff der Zellwand, Cellulose, ermöglicht die Konstruktion von primären Zellwänden, die dünn und flexibel (Bsp. Parenchymzellen) oder dick, festigend und wachstumsfähig sind (Bsp. Collenchymzellen), oder aber mit dem Härtemittel Lignin dicke Sekundärwände, die unelastisch stützend, tragend und reissfest sind (Bsp. Sclerenchymzellen als Fasern und Steinzellen sowie Xylemelemente). Diese Eigenschaften ermöglichen z.B. lange Sprossachsen, die biegeelastisch und gleichzeitig reissfest sind sowie Transportzellen (Xylemgefässe, Tracheen), die nicht kollabieren oder aber weitauslandende Blattflächen.] 1.4. Chloroplast/Plastiden: ortsgebundene Lebensweise in nährstoffarmer Umgebung ist nur durch Photosynthese längerfristig möglich. Photosynthese bedingt flächige Blattstrukturen, die wiederum nur dank turgeszenten Zellen und Cellulose-verstärkten Zellwänden möglich sind. Plastiden übernehmen auch Speicherungsfunktionen (2 Pkt) [Wachstum: die sich prinzipiell ständig teilenden und wachsenden (= meristematischen) Zellen ermöglichen z.B. das ausgedehnte Wasser- und Nährstoff-suchende Wurzelsystem und das unbeschränkte pflanzliche Wachstum, das z.B. bei einjährigen krautigen Pflanzen, aber auch bei mehrjährigen verholzten Sträuchern und Bäumen

ganz augenfällig ist.]

2.

Pflanzliche Gewebesysteme: Anpassung ans Festland (10 Punkte)

Die typische Pflanzengestalt ist dem Leben auf dem Festland optimal angepasst. Zeigen Sie dies anhand des Baus und der Funktion der pflanzlichen Gewebesysteme auf. 2.1.

-

2.2.

Festlandfaktoren und Anpassungen sind u.a.: festsitzende Lebensweise —> flächige Autotrophie-ermöglichende Strukturen: Photosynthese-betreibende Blätter räumliche Trennung der Photosynthese-Substrate (Boden: Wasser, mineralische Nährstoffe, Luftraum: Kohlendioxid, Licht) —> ausgedehntes Wurzelsystem zur Stoffaufnahme und Verankerung, Sprossachsensystem zum Transport und zur Stütze (2 Pkt.) Umweltbedingungen (geringer Wassergehalt der Atmosphäre, Wind, geringe CO2-Konzentration, geringe Energiedichte) —> Verdunstungsschutz, stabil-elastische und stützende Pflanzenkörper, flächige Sonnenenergieeinfangende „Sonnenkollektorstrukturen“ = Blätter) Anpassung pflanzlicher Gewebesysteme

Gewebe-system

Bau

Abschlussgewebesyste m

1: einzellige, dicht gepackte, verzahnte Epidermis 2: wachsiger Überzug: Cuticula 3: Spaltöffnungen an Blattunterseite

Leitgewebesystem

1: lange, z.T. durchgängig röhrenartige, tote verfestigte Wasserleitungselemente (Xylem: Tracheiden und Xylemgefässe [Tracheen]) in Strängen zusammengefasst 2: röhrenförmige lebende Leitbahnen (Phloem: Siebröhrenglieder mit

Funktion/Anpassung an 1: rel. trockene Atmosphäre, 2: geringer CO2-Gehalt, 3: Trennung der Photosynthesesubstrate Boden (H2O, Nährsalzionen) - Luft (CO2, O2), 4: mechanische Erfordernisse (Schwerkraft, Wind), 5: „dünne“ Energieeinstrahlung bzw. geringe Energiedichte (5 Pkt.)

1: Abschlussu. Schutzfunktion (mechanisch, Transpiration, Infektionen) (1,4) 2: Transpirationsschutz, Infektionsschutz (1) 4: Sonderausbildungen (wie 3: kontrollierter Gasaustausch für Wurzelhaare, andere Haare, Photosynthese und WasserStacheln) /Mineralstoffhaushalt (1,2) 5: bei sekundärem Pflanzenkörper: 4: Spezialfunktionen (wie Wasser- und Periderm Mineralsalzaufnahme, Schutzfunktionen (1,3) 5: Verdunstungsschutz, mechanischer Schutz (1,4) (2 Pkt.) 1: Ferntransportfunktion zwischen Bodenund Luftraum (Wasser, Mineralsalzen, Hormonen u.a.) und Festigungsfunktionen (3,4) 2: gesteuertes Nah- und Ferntransport- und Feinverteilsystem der Assimilate zwischen Produktionsund Speicherbzw. Verbrauchsort (3)

Geleitzelle) Grundgewebesystem

3.

1. zarte isodiametrische Zellen mit dünnen Zellwänden: Parenchym 2: ungleichmässig verdickte Zellwände in Zellkanten oder Seitenwänden (nur Primärwand): Collenchym 3: allseitig verdickte, tote Zellen mit Sekundärwand

(2 Pkt.) 1: vielseitige variable Funktionen je nach Pflanzenorgan (z.B. Photosynthese, Speicherzellen, allg. Stoffwechselfunktionen) (2,5) 2: Stützfunktionen in wachsenden Pflanzenorganen (4) 3: Stütz- und Festigungsfunktionen (4) (2 Pkt.)

Pflanzliches Wachstum (10 Punkte)

Wachstum ist ein vielschichtiges Phänomen. Wie äußert sich pflanzliches Wachstum und wie würden Sie es "messen"? 3.1.

Definition von Wachstum: Wachstum wird bei höheren Pflanzen oft als irreversible quantitative Veränderung durch Vermehrung lebender Substanz und Volumenzunahme bezeichnet. Dies kann auf ein Teilungswachstum (Mitosen) und auf ein nachfolgendes Streckungswachstum zurückzuführen sein. Wachstum ist in der Regel mit einer qualitativen Veränderung (Differenzierung) der Zellen, Gewebe und Organe verbunden. Wachstum im engeren Sinne ist von Differenzierung nicht scharf trennbar. (2 Pkt.) Wachstum äußert sich in der ganzen Pflanze als Primärwachstum, das den primären Pflanzenkörper aus den drei Gewebesystem bildet und nach außen als Längenwachstum in Erscheinung tritt; Grundlage dieses Wachstums sind Apikalmeristeme. Laterale Meristeme führen zum sekundären Dickenwachstum, das zu einem erweiterten Umfang der Sprossachsen und Wurzeln führt. (2 Pkt.) 3.2.

3.3.

Wachstumsparameter: Wachstum wird häufig an den folgenden Parametern gemessen: 1. Zellzahl, 2. Längenzunahme, 3. Volumenzunahme, 4. Biomassezunahme (Gewichtszunahme), 5. Substanzzunahme und 6. biochemische/genetische Aktivitäten (3 Pkt.) Messtechnische Erfassung des Wachstums: Zunahme der Zellzahl (Einzellzellen, im Organ, im Organismus) Zunahme irgend einer mit der Zellteilung korrelierten Größe (Bsp. DNAGehalt, Aminosäuren-Bedarf) Zunahme des Protein-Gehaltes (Bsp. Plasmazunahme) Bestimmung der Zellgrößen (Bestimmung der Länge und Breite entlang der Organachse) Zunahme der Länge bzw. Fläche (Bsp. Wurzelspitze, Gesamtlänge Keimling, Sprossachsenabschnitt, Blattfläche) Zunahme des Umfangs bzw. Volumen (Bsp. Dickenwachstum) Anzahl Jahresringe bei Bäumen Zunahme der Frisch- oder Trockenmasse Bestimmung einer charakteristischen Stoffwechselgröße (z.B. Atmungsrate, Wärmeproduktion) - indirekt auch durch Zunahme der Anzahl Zelltypen bzw. Gewebedifferenzierung (Differenzierungswachstum) (je 1 Pkt., jedoch max. 5 Pkt.)

4.

Pflanzliches Wachstum (10 Punkte)

Ihr Großvater habe als Kind einen dicken Nagel auf einer Höhe 1.5 m in einen Buchenstamm getrieben. Der Baum ist seit dieser Zeit natürlich wesentlich größer geworden. Wo befindet sich etwa heute dieser Nagel? 4.1.

Meristeme Meristeme sind fortdauernd embryonale Gewebe, die permanent teilungsfähig sind und Zellen für das Pflanzenwachstum liefern. Die Apikalmeristeme des Sprosses befinden sich in den Knospen und sind verantwortlich für das Primärwachstum, also das Längenwachstum (und das primäre Dickenwachstum). Die für Holzpflanzen typischen lateralen Meristeme sind für das sekundäre Dickenwachstum verantwortlich, d.h. für die Umfangzunahme des Sprosses und der Wurzel. (2 Pkt.) 4.2. Wachstum der Sprossachse: Primärwachstum Primärwachstum erfolgt bei der Keimpflanze, bei der krautigen (einjährigen) Pflanze und dem jüngsten (diesjährigen) Teil einer Holzpflanze (oder anders formuliert: diese Pflanzenformen stellen den jungen primären Pflanzenkörper dar). Durch die modulare Konstruktion bedingt (Modul bzw. Segment: aus Knoten (Blattansatzstelle) und Internodium (dazwischen liegender Sprossachsenabschnitt) bestehend) wird einerseits durch das Apikalmeristem Segment an Segment gebildet, was zu einem primären Längenwachstum führt. Bei der Keimpflanze strecken sich noch die „gestauchten“ Internodien bis zu den vollständig gestreckten Internodien (= Sprossachsenstreckung). Kurz: der Längenzuwachs erfolgt immer an der Spitze, im Vegetationskegel mit dem Apikalmeristem, von schützenden Blättchen eingehüllt (= Endknospe). (2 Pkt.) Dieses eigentliche Streckungswachstum ist aber auf der Höhe von 1,5 m, als der Großvater noch Kind war, bereits abgeschlossen, denn sonst hätte das Kind kaum einen Nagel in den Buchenstamm treiben können ! (1 Pkt.) 4.3. Mehrjährige Strauch- und baumförmige Pflanzen: Sekundäres Dickenwachstum Aus dem Lateralmeristem (Cambium in und zwischen den Leitbündeln) und dem Korkcambium werden nach innen sekundäre Xylemzellen ( —> Holzbildung) und nach außen sekundäres Phloem (—> Bast: aktives Phloem) und Kork (zusammen sekundäre Rinde) gebildet. Dies führt zur sichtbaren Dickenzunahme der Sprossachse, dem sekundären Dickenwachstum. Eine Längsstreckung erfolgt kaum mehr. Der Nagel bleibt also auch noch nach 50 Jahren auf Augenhöhe! Falls der Nagel kräftig in das Holz eingetrieben wurde, kann er gar vom Splintholz und der sekundären Rinde umwachsen und nicht mehr sichtbar sein. [Beim Zersägen eines Baumstammes gibt das dann teure Schäden an den Sägeblättern!] (5 Pkt.) 5.

„Skelett“ einer Pflanze (10 Punkte)

Der Mensch hat ein Skelett. Was sind analoge Strukturen der Pflanze? Zum Skelett einer Pflanze darf man sämtliche festigenden Zell- und Gewebselemente zählen. Dazu gehören je nach Alter: Primärkörper der einjährigen Pflanze: 

eigentliches Festigungsgewebe mit

Collenchymzellen: Kantencollenchym

lebend, mit verdickter Primärzellwand an den Zellkanten

-

Plattencollenchym

Sclerenchymzellen: Faserzellen: im Xylem als Holzfasern außerhalb Xylem als Bastfasern

einige Seitenwände verdickt tot,

allseitig verdickte Sekundärwände, länglich: tote spindelförmige, lang gestreckte Zellen mit dicken, verholzten Zellwänden, ausschließlich der Festigung dienend

-

Steinzellen (Sclereide)



Leitgewebe mit Xylemelementen

unregelmäßige, rundliche Gestalt, mit sehr dicken geschichteten Zellwänden

Tracheiden

spindelförmige Einzelzellen, mit verholzten Zellwänden (Cellulose mit Lignin), bei Gymnospermen übernehmen sie die Funktion der Holzfasern

Tracheen: z.B. Ring-, Spiraltrachee

röhrenförmige Zellen mit Aussteifungen mittels netzartiger, spiraliger oder ringförmiger Leisten



Zellwand mit Membranen (Plasmamembran, Tonoplastmembran)

Turgor

Turgeszenz der Zellen und resultierende Gewebespannung (Hydroskelett)

Mehrjährige Pflanzen mit sekundärem Dickenwachstum (verholzte Pflanzen): Holz: Kernholz Splintholz

aus Zellelementen des sekundären Xylems

(pro Reihe 2 Pkt., max. 8 Pkt.) Sichtbare Elemente des „Skeletts“ sind die Leitbündel, sichtbar z.B. als Blattadern (auch: Blattnervatur) der Blattspreite und als ringförmige Anordnung der Leitbündel im Sprossachsenquerschnitt (Dikotyledonen), das eigentliche Festigungsgewebe und der Holzteil bei mehrjährigen Pflanzen). (2 Pkt.) 6.

Morphologische Orientierung (10 Punkte)

Man gibt Ihnen ein Pflanzenblatt und bittet Sie, die Oberseite zu identifizieren. Erklären Sie, wie Sie aus dem Vergleich 1. nur der Epidermen, 2. nur des Mesophylls, und 3. nur der Blattadern eine Schlussfolgerung ziehen könnten. Grundsätzlich ist das Pflanzenblatt aus oberer Epidermis, Mesophyll mit Palisaden- und Schwammparenchym und unterer Epidermis aufgebaut. Die Blattoberseite ist festgelegt durch: 1. Epidermisstrukturen: obere Epidermis aus dicker, derber Einzelzellschicht, fugenlos miteinander verzahnt (d.h. ohne Interzellularräume), chloroplastenfrei (Ausnahme: Schließzellen) mit einem dickeren aufgelagertem, aus Cutin bestehenden Häutchen, der wachsartigen Cuticula (—> Blattglanz), selten mit Spaltöffnungsapparat. Untere Epidermis weist meist viel mehr Spaltöffnungen auf, und ist oft matt(er). Bei einigen Pflanzen bildet die

Epidermis Haare aus. (4 Pkt.) 2. Das Mesophyll besteht aus dem charakteristischen oberseitigen Palisadenparenchym mit säulenförmigen, chloroplastenreichen, dicht gepackten (meist) einschichtigen, zur Blattoberfläche senkrecht stehenden Zellen. Das darunter liegende Schwammparenchym besteht aus unregelmäßigen Zellen mit großlumigen Interzellularräumen und Atemhöhlen, was den typischen schwammartigen Charakter ergibt. (4 Pkt.) 3. Die Leitbündel (=Blattadern) verlaufen im Grenzbereich zwischen Palisaden- und Schwammparenchym, die Hauptadern häufig mehr im Schwammparenchym. Der großlumigere Xylem-Teil liegt der Blattoberseite, der englumigere Phloem-Teil der Blattunterseite zugewandt. Blattadern treten an der Blattunterseite häufig ganz deutlich hervor. (3 Pkt.)

7.

Identifizieren einer Pflanzenstruktur (10 Punkte)

Jemand gibt Ihnen ein Stück eines Pflanzenteils, das in der Erde wuchs und bittet Sie zu bestimmen, ob es sich um eine Wurzel oder um eine unterirdische Sprossachse handelt. Wie könnten Sie eine eindeutige Bestimmung ohne mikroskopische Hilfe durchführen? Wie mit Hilfe eines Mikroskops? Kennzeichen sind: Wurzelteil, ohne Mikroskop: Äußerliche Beobachtung: Wurzelhaare und/oder Seitenwurzeln. Schneidet oder bricht man eine Wurzel, um einen Wurzelquerschnitt zu erhalten, so ist im Zentrum ein Zentralzylinder als von bloßem Auge sichtbare Einheit zu beobachten (Annahme: Wurzelteil ohne sekundäres Dickenwachstum, der relativ leicht aus dem Boden entfernt werden kann). Evtl. Seitenwurzel tief aus Hauptwurzeln kommend (beim Brechen der Wurzel sichtbar: Bsp. Karotte). (2 Pkt.) Unterirdische Sprossachse, ohne Mikroskop: Äußerliche Beobachtung: Eine normale Sprossachse zeigt Nodien (bzw. Knoten, Sprossachsenknoten, auch Blattansatzstellen oder Blattanlagen) (oder im Herbst am Zweigende Blattnarben und Sprossnarben) und dazwischen liegende Sprossabschnitte = Internodien. Eine unterirdische Sprossachse (z.B. Rhizome, siehe Campbell Abb. 31.6/742) zeigt auch noch die Gliederung in Internodien und verdickte Knoten und manchmal auffällige Narben, die abgestorbene Blütentriebe darstellen. (3 Pkt.) Evtl. ist das Ende verdickt: dann handelt es sich um eine Sprossknolle (z.B. Kartoffel) und trägt Augen, also Bündel von Achselknospen als sichtbare Marken der Knoten (Sprossachsenknoten). Ist das Gebilde zwiebelförmig, so handelt es sich um Zwiebel, die im Längsschnitt an einer kurzen Sprossachse ansetzenden verdickten Blattbasen bestehen. Eine Sprossachse zeigt im Querschnitt immer mehrere Leitbündel, die man in der Regel noch knapp von bloßem Auge erkennen kann. (1 Pkt.) Wurzelteil, im Mikroskop: im Querschnitt deutlich einen Zentralzylinder (Stele) mit weitlumigen Xylemgefäßen. Die Parenchymzellen der Rinde sind häufig mit körnigen Nährstoffen (Stärke) angefüllt. Die Epidermis hat keine Spaltöffnungen. Zellen ohne Chloroplasten und damit chlorophylfrei, d.h. farblos. Laterale Organe: Seitenwurzel sind Auswüchse des Perizykles, die tief in der Hauptwurzel liegen. (2 Pkt.)

Unterirdische Sprossachse, im Mikroskop: deutlich sichtbare zahlreiche Leitbündel, entweder zerstreute Verteilung (bei Monocotyldeonen) oder ringförmig verteilt (bei Dicotyledonen). Hauptmasse des Sprossachsenquerschnittes eher mit lockerem Grundgewebe angefüllt. Die Epidermis weist Spaltöffnungen auf. Laterale Organe: die Zweige des Sprosses stammen aus Achselknospen, die auf der Oberfläche des Hauptsprosses angesiedelt sind. (2 Pkt.) 8.