Zusammenfassung und Kurzfragen zur PFLANZENBIOLOGIE PDF

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ZUSAMMENFASSUNG und KURZFRAGEN zur

PFLANZENBIOLOGIE 2010

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Kapitel 0: usammen assung " Grundlage allen Lebens"

Stoffwechsel:

1. Chemie als wichtige Grundlage der Biologie: Ohne chemische Grundlagen kann die moderne Biologie und insbesondere die Physiologie nicht mehr adäquat verstanden werden. Obwohl Chemie (und Physik) zusammen mit der Biologie das Wesen des Menschen nicht vollständig erfassen und beschreiben können, sind die chemischen (und physikalischen) Vorgänge eine wesentliche Voraussetzung für das Phänomen Leben. Der Stoffwechsel gehorcht den Gesetzen der Chemie (und Physik) und spielt sich weitgehend in wässrigen Medien ab (Cytoplasma). Grundlegende Chemiekenntnisse sind deshalb unentbehrlich. Insbesondere sollten die folgenden Grundlagen "abrufbar" sein: chemische Elemente, Aufbau der Atome, chemische Bindungen (Ionenbindung, kovalente Bindung, Wasserstoffbrücken), chemische Reaktionen (Redoxprozesse, Protolysen [Ablauf, pH-Wert, Puffer, Kohlensäure-BikarbonatPuffer, Phosphatpuffer]), wichtige Verbindungen (Wasser, Säuren und Basen, ausgewählte biologisch relevante Salze [NaCl, KCl, CaCO3, NaHCO3, CaHPO4]).

Hinweis: zur Auffrischung grundlegender Chemiekenntnisse dient hervorragend das folgende kombinierte "Buch-CD-ROM-Internet"-Werk: Chemie. Basiswissen Schule. paetec/Bibliographisches Institut, Berlin/Mannheim (2001)

2. Grundprinzipien des Lebens: Leben als Wechselwirkung zwischen Materie, Energie (an Energieträger gebunden) und Information (an Informationsträger gebunden); die stoffliche Grundlage des Lebens sind anorganische Stoffe (Wasser, Salze) und organische Stoffe, die "Biomoleküle" (Elementarzusammensetzung C, H, O, P,K, N, S, Ca, Fe, Mg u.a.) der Kohlenhydrate, Fette, Proteine und Nukleinsäuren; Wesen des Fliessgleichgewichts

3. Stoffwechsel: Der Stoffwechsel (Metabolismus) umfasst letztlich den Stoff-, Energie- und Informationswechsel. Er ist die Gesamtheit der biologischen Vorgänge, die der Aufnahme, Umwandlung und Abbau jener Stoffe und Informationen (Umweltreize) dienen, die für die Existenz des Organismus und der Aufrechterhaltung seiner Lebensfunktionen notwendig sind. Im engeren Sinne, so wie er in vielen Lehrbüchern und Schulbüchern behandelt wird, umfasst er primär den Stoff- und Energiewechsel, den man plastisch als Baustoffwechsel (Synthesestoffwechsel) und Betriebsstoffwechsel (Energiestoffwechsel) unterteilen kann. Im Energiewechsel (Energiestoffwechsel, Betriebsstoffwechsel, Katabolismus) wird durch Abbau aufgenommener und körpereigener Substanz die für alle Lebensprozesse notwendige Energie gewonnen. Im Synthesestoffwechsel (Baustoffwechsel, Anabolismus) wird aus den ebenfalls aus der Nahrung gewonnenen

Grundbausteinen der Aminosäuren, Einfachzuckerarten und Fettsäuren körpereigene Substanzen zum Aufbau und Unterhalt von Zellen, Geweben und Organen gewonnen. Im engeren Sinne erfüllt der Stoffwechsel die vier Schlüsselfunktionen der ATP-Bereitstellung, der Bereitstellung von Wasserstoff + als Reduktionsmittel in Form von NADPH/H , der Bereitstellung aktivierter Vorstufen und schliesslich die Biosynthese der Makromoleküle.

4. Kurzcharakterisierung der Enzyme als "Realisatoren des Stoffwechels": Enzyme steuern als Biokatalysatoren alle Umsetzungen im Körper. Dabei wirken sie reaktions- und substratspezifisch, setzen die Aktivierungsenergie herab und beschleunigen so die zellulären Umsetzungen, ohne aber die Lage der Gleichgewichte zu verschieben. Sie spielen eine zunehmend wichtige Rolle in der Medizin (z.B. zur Diagnose - Blutzucker) und Technik (Stoffproduktion - Glukose aus Stärke).

5. Enzyme, eine ausführlichere Zusammenfassung: Wesen der Enzyme: Enzyme zählen zu den wichtigsten "Wirkstoffen" der belebten Natur. Man findet sie in allen Organismen (Bakterien, Pilzen, Pflanzen, Tieren und Mensch). Weil Enzyme Stoffwechselreaktionen beschleunigen, werden sie auch als Biokatalysatoren bezeichnet. Wie anorganische Katalysatoren setzen sie die Aktivierungsenergie eines Reaktionssystems deutlich herab, sodass die Reaktionen bei Körpertemperatur optimal ablaufen. Jeder Teilschritt benötigt so wenig Aktivierungsenergie, dass die Körpertemperatur ausreicht und die Reaktionsgeschwindigkeit stark erhöht wird. Sie beschleunigen so die zellulären Umsetzungen, ohne aber die Lage der Gleichgewichte zu verschieben. Enzyme gehören zur Stoffklasse der Proteine. Die grosse Vielfalt der Enzyme ist vor allem in ihrer Tertiär- und Quartärstruktur begründet. Ablauf einer Enzymreaktion: Den vom Enzym erkannten und umgesetzten Stoff nennt man Substrat. Er bildet während der Reaktion zusammen mit dem Enzym einen Enzym-Substrat-Komplex, geht also vorübergehend eine Bindung mit dem Enzym ein. Wie ein Schlüssel nur in das zugehörige Schloss, so passt auch nur ein bestimmtes Substrat in das aktive Zentrum eines Enzyms und wird umgesetzt: Enzyme sind dadurch "molekulare Präzisionssonden". Die Aktivität eines Enzyms hängt stark vom Reaktionsmilieu ab: pH-Wert, Temperatur und Substratkonzentration. Bezeichnung der Enzyme: Die Enzymnamen enden in der Regel auf -ase (Substrat-ase, z.B. Amylase [Amylum, lat.: Stärke], Lipase). Für das Verständnis grundlegender physiologischer Reaktionen sind drei Enzymgruppen bedeutungsvoll: 1. Hydrolasen - katalysieren hydrolytische Spaltungen, d.h. Spaltung durch Wasser (z.B. Verdauungsenzyme); 2. Oxidoreduktasen katalysieren Redoxprozesse, d.h. Oxidations- und Reduktionsvorgänge (z.B. Enzyme der Atmungskette); 3. Transferasen katalysieren die Übertragung von Stoffgruppen (z.B. Aminogruppen). Coenzyme: Für manche Enzymkatalysen sind unbedingt Coenzyme (= Cosubtrate) notwendig. Dies sind niedermolekulare Stoffe (also keine Eiweisse), die im Gegensatz zum Enzym bei der Reaktion verändert und wieder regeneriert werden müssen (es handelt sich also nicht um Enzyme). Als Bausteine oder Vorstufen für Coenzyme dienen verschiedene Vitamine. ATP ist das

"Coenzym des Energiestoffwechsels": siehe Abb. ATP, Begriff Coenzym: siehe hier.

6. Bedeutung der Enzyme: Enzyme sind die Grundlage aller Stoffwechselprozesse und damit aller Lebensvorgänge ("ohne Enzyme kein Leben"). Sie werden zudem heute in vielen Bereichen wie Medizin (Diagnostik [z.B. Blutzuckerbestimmung], Therapie [z.B. in Verdauungstabletten]) und Biotechnik (z.B. in Waschmitteln [Proteasen, Lipasen], in Lebensmittelindustrie [z.B. zur Herstellung von Glukosesirup aus Stärke]) in grossem Masstab produziert und eingesetzt.

7. Stoffwechselkrankheiten: - Zuckerkrankheit ist die häufigste Stoffwechselkrankheit heute. Jugenddiabetes (10%): Virusinfektion zerstört die Inselzellen in der Bauchspeicheldrüse --> Autoimmunreaktion --> absoluter Insulinmangel. Alterdiabetes (90%): Überernährung, Erschöpfung der Insulinproduktion --> Übergewicht --> Insulinresistenz --> relativer Insulinmangel. - Enzymdefekte bewirken einen Stau des vom Enzym umzusetzenden Substrats und zu einem Mangel an dem von diesem Stoffwechselweg gebildeten Stoff. Bsp. für Stau: Phenylketonurie (Störung im Aminosäurestoffwechsel); Bsp. für Mangel: Mangel an Glucose und ATP im Muskel.

8. Versuche zum Stoffwechsel allgemein: Grundlegende Versuche zum Stoffwechsel: - Elementaranalyse von Elementen durch Erhitzen/Verbrennen/Verglühen, Flammenfärbung ( --> C, H, O, N, Ca u.a.), 2+ - Nachweis von Ionen mittels Teststäbchennachweis bzw. Testsets [z.B. von MERCK oder MachereyNagel (Calcium Ca , + 3Kalium K , Nitrat NO3 , Phosphat PO4 u.a.), - Enzymversuche: Katalasewirkung: 2H2O2 [Wasserstoffperoxid] --> O2 + 2H2O (Nachweis optisch [Schaumbildung] und mit Glimmspan); Ureasewirkung: H2N-CO-NH2 [Harnstoff] + H2O --> CO2 + NH3 (Nachweis der alkalischen Reaktion der NH 3-Bildung mit Bromthymolblau). Zusammenfassende Tab. und Abb.: Zentrale Rolle Stoffwechsel...Enzymwirkung...Enzyme = Proteine... 3D-Struktur...Enzyme: Bedeutung...Enzyme: Praxisbedeutung

Facts (oder: nochmals Kurzfragen zur Repetition) 0.1. Stoffwechsel: Was versteht man unter dem "Stoff- und Energiewechsel"? 0.2. Grundbegriffe Chemie: Wie sind Atome aufgebaut? Was sind Ionen? Nennen Sie den Unterschied zwischen anorganischen und organischen Substanzen! Nennen Sie drei wichtige Klassen anorganischer Substanzen Wie ist der pH-Wert definiert? 0.3. Definitionen I: Was versteht man unter "Anabolismus", was unter "Katabolismus"?

0.4. Definitionen II: Was versteht man unter "Substratspezifität", "Reaktionsspezifität", was unter "Substrat", "Coenzym" und "aktives Zentrum"? 0.5. Enzyme: Verfassen Sie einen Merksatz zu den Enzymen, der die wichtigsten Enzymeigenschaften enthält! 0.6. Einflussfaktoren: Welche Faktoren beeinflussen die Enzymaktivität? 0.7. Enzymbeeinflussende Faktoren: Verfassen Sie einen Merksatz, der die beeinflussenden Faktoren der Enzymaktivität zusammenfasst. 0.8. MindMap "Stoffwechsel": Entwickeln Sie ein MindMap zum Thema "Stoffwechsel"! www-eZusatzübungen in führenden Lehrbüchern: aufs Bild klicken !!

Stern, Introductory Plant Biology, McGrawHill (2003)

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Kapitel 1:

ZusammenFassung

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" inführung: Wesen und Bedeutung der Pflanzen"

1. Bedeutung der Pflanzen: Biologisch/Ökologisch: Pflanzen sind als Produzenten in einer einmaligen Stellung: Als einzige Lebewesen, von ganz wenigen Bakterien abgesehen, sind sie in der Lage, selbstständig aus sonst nicht speicherbarer Sonnenenergie stabile energiereiche Biomoleküle herzustellen (autotrophe Lebensweise). Alle Organismen, Tiere, Pilze, Einzeller, Bakterien und Mensch sind vollkommen abhängig von pflanzlichen Rohstoffen für ihren Energie- und Baustoffwechsel. Lebensräume (Ökosysteme) funktionieren nur mit Hilfe der Pflanzen, die entscheidend für das lebenserhaltende "ökologische Gleichgewicht" sind! Kurz: Ohne Pflanzen kein Leben!

Ökonomisch: Aber nicht nur aus rein biologischer Sicht sind Pflanzen unentbehrlich, auch aus rein ökonomischer Sicht: Praktisch alle Produkte des menschlichen Alltags stammen direkt oder indirekt aus pflanzlichen Rohstoffen ab (vgl. Abb. Grundlage des Lebens). Kurz: Pflanzen beeinflussen praktisch jeden Aspekt des Lebens des Menschen (Ernährung, Wirtschaft, Gesundheit, Freizeit). Auch der Mensch im kommenden Informationszeitalter, der "virtuellen Realitäten" und der Cyperspacefantasien wird komplett von Pflanzen abhängig sein!.

2. Kennzeichen des Lebens: Pflanzen erfüllen sämtliche Kriterien des Lebens wie abgegrenzte Einheiten, zellulär aufgebaut, Stoffwechsel, Fortpflanzung und Vermehrung, Vererbung sowie weitere Lebensphänomene (Bewegung, Reaktionsfähigkeit, Wachstum, Stoffaustausch).

3. Typisch pflanzliche Merkmale Das typischste pflanzliche Merkmal ist der durch die Fotosynthese ermöglichte autotrophe Stoffwechsel. Um die relativ "verdünnt" anfallende Sonnenenergie aufzufangen, muss die Pflanze riesige Oberflächen aufbauen, um die Lichtenergie einzufangen, zu konzentrieren und in stabile chemische Verbindungen der Kohlenhydrate wie Zucker und Stärke und der daraus abgeleiteten Verbindungen der Biomoleküle (Proteine, Fette, u.v.a.) festzulegen. Die typisch pflanzliche Gestalt der Gliederung in Wurzel, Sprossachse (Stängel) und Blätter ermöglicht erst die Fotosynthese effizient zu betreiben.

4. Mensch und Pflanze: Schon seit Urzeiten nutzt der Mensch die Pflanzen in ihrer Vielfalt, sei es aus Notwendigkeit (Nahrung, Kleider, Energieträger, Baustoff, Medizin), Freizeit (Erholung, Instrumentenbau) oder Ästhetik. Die Bedeutung geht über den Nutzungsaspekt hinaus, sind sie doch notwendig für alle Konsumenten (z.B. Tiere Mikroorganismen [mit wenigen autotrophen Ausnahmen]), aber auch zur Erhaltung einer funktionierenden Biosphäre (Gas- bzw. Stoffkreisläufe). Die Nutzung der Pflanzen lässt sich grob in 5 Phasen einteilen: 1. Landwirtschaft (10'000 v.Chr.), 2. Globaler Austausch von Kulturpflanzen (Ende Mittelalter/Beginn Neuzeit); 3. Technisch-chemische Landwirtschaft (18./19. Jh.), 4. Grüne Revolution (Hochleistungspflanzen, klassische Züchtungsverfahren, 1960), 5. Gentechnische Revolution (gentechnisch modifizierte Pflanzen, ab 1990).

5. Erforschung der Pflanze: Eine Vielzahl von Disziplinen ist heute an der Erforschung der Pflanzen beteiligt, so u.a. die Physiologie, Anatomie, Biochemie, Molekularbiologie und Molekulargenetik, Bio- und Gentechnologie. Sie hat sich von einer primär-beschreibenden (Botanik, Pflanzenanatomie, Pflanzensystematik) zu einer experimentierenden Wissenschaft (Pflanzenphysiologie, Pflanzenbiochemie) bis hin zu einer verändernden Wissenschaft (Pflanzengentechnik, Pflanzenbiotechnologie) entwickelt.

6. Pflanzen als "Energie-Sammler und -Konzentrierer": Das "pflanzlichste" Merkmal ist ihre Autotrophie ("Selbst-Ernährer"). Ihre Lebensweise ist als Sammler von Lichtenergie und Konzentrierer dieser flüchtigen Energieform in stabile chemische Verbindungen wie Kohlenhydrate, Proteine und Fette zu 2 kennzeichnen. Pflanzenbilden dazu riesige äussere Oberflächen (Bsp. 100-jährige Buche, ca. 200'000 - 600'000 Blätter , 1'200 m

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Blattoberfläche, 15'000 m innere Oberfläche des Schwammparenchyms, 360'000-1'000'000 m Thylakoidmembranen der Chloroplasten). Die irreversible Umwandlung von arbeitsfähiger Energie (z.B. Energie in Nahrungsmitteln) in Entropie (= Wärme bzw. Unordnung im molekularen Bereich) ist der Motor des Lebens. Pflanzen vermögen mittels Chloroplasten durch die Fixierung der Strahlungsenergie in die chemische Energie der Biomoleküle diese arbeitsfähige Energie liefern, die den Aufbau von Strukturen (= Ordnung) ermöglichen und so temporär der Entropie (= Unordnung) entgegenwirken. Mensch und Tier sind dank der Mitochondrien in der Lage, ihrer Entropiezunahme durch aus pflanzlichen Energieträgern wie Kohlenhydrate, Fette und Proteine (= Grundnahrungsmoleküle) gewonnenem Atmungs-ATP entgegenzuwirken und so mindestens temporär dem "allgemeinen Zerfall" zu entkommen.

7. Rolle der Pflanzen in Stoffkreisläufen und Energieflüssen: In der Biosphäre vollzieht sich ein ständiger Auf- und Abbau von Stoffen, bei dem die Pflanzen mit ihrer Fähigkeit zur Fotosynthese die treibende Kraft sind. Die Fotosynthese der Pflanzen und die Atmung aller übrigen Organismen (Mensch, Tier, Pilze, Mikroorganismen) sind gegenläufige Fundamentalprozesse, welche in die komplementären Kreisläufe des Kohlenstoffs und des Sauerstoffs eingeschaltet sind. Diese Materiekreisläufe sind untrennbar verbunden mit einem Strom der Energie, der mit der Lichtabsorption beginnt. Die Arbeitsfähigkeit, der thermodynamische Wert der von den Fotosynthesepigmenten absorbierten Energie, nimmt beim Durchgang durch die lebenden Systeme beständig ab (im Einzelorganismus: chemische Energie der Kohlenhydrate, Proteine, Fette u.a. ----> in der Atmung zu biologisch verwertbarer Energie (= ATP) umgewandelt ----> ATP ermöglicht biologische Arbeiten + Wärme; im "Organismenverbund" (Nahrungskette): Pflanze ----> Konsument 1 [Tier] ---- > Konsument 2 [Raubtier]: pro Stufe geht 90% der Energie als Wärme verloren, nur 10% als Biomasse gespeichert). Schliesslich wird alle Energie, die von den biologischen Systemen aufgenommen wurde, als Wärme, als nicht mehr arbeitsfähige, entwertete Energie in die unbelebte Umwelt abgegeben. Quantitativ übersteigen die biologischen Energie- und Stoffumsetzungen die Gesamtheit aller technologischen Vorgänge auf der Erde (die Fotosynthese übertrifft den "industriellen Stoffwechsel" um das 50-fache).

8. Pflanzengestalt: Die Organisationsform der höheren Pflanzen besteht aus den drei Grundorganen Sprossachse, Blatt und Wurzel, eine Organisationsform, die perfekt dem stationären Landleben angepasst ist. Die nicht-bewegliche Lebensweise verlangt nach riesigen "Sonnenenergiekollektoren" (= Blätter), elastischem Halt, optimaler Blattausrichtung und Transportsystemen (= Sprossachse mit Leitbündelsystem) sowie fester Verankerung und riesiger unterirdischer Wasser- und Nährsalzaufnahme (= Wurzel).

9. Pflanzen als Nutzpflanzen: Nutzung der Primärproduktion: Die Pflanzen (= Produzenten) sind die universellen Nahrungsmittelproduzenten, ob für Mensch, Tiere inkl. Raubtiere (= primäre oder sekundäre Konsumenten) und grösstenteils auch für Mikroorganismen (= Zersetzer). Sie liefern die notwendigen Makronährstoffe Kohlenhydrate, Proteine und Fette.

Nutzung der Sekundärstoffwechselprodukte: 1. Nutzholz [1. Brennholz (45%), 2. Chemische Verwertung (Zellstoff, Papier, Zucker, Ethanol), 3. Holz direkt verwertet (Schnittholz, Furnierholz, Spanholz), 4. trockene Destillation (Holzgas, Holzteer ---> zahlreiche Chemikalien)]; 2. Faserpflanzen; 3. Gerbstoffe (zur Haltbarmachung der Häute); 4. Farbstoffe; 5. Gummi, Wachse, Harze, Balsame, Kautschuk; 6. Drogenpflanzen (Arzneipflanzen, Heilpflanzen); 7. Gewürzpflanzen. Weitere Nutzungsarten von Pflanzen: 1. Landschaftsbildner und -erhalter (z.B. Erosionsschutz); 2. Erholungs- und Verschönerungseffekt (z.B. Wald, Zimmerpflanzen); 3. Sauerstoffproduktion (zentrale Voraussetzung für Entstehung und Erhaltung des Lebens [Atmer]); 4. Klimafaktor durch Transpiration; 5. Pflanzenkleid als globaler Faktor (Klimaänderungen, Verlust der Artenvielfalt; Stabilität von Ökosystemen) Zusammenfassende Tab. und Abb.: Grundlage des Lebens...Pflanzen als H-Speicher....Biologische Kraftwerke.... Organisationsform Pflanze (3 Abb.) autotroph (Pflanze) vs. heterotroph (Tier/Mensch)...Bedeutung der Pflanzen www-eZusatzübungen in führenden Lehrbüchern: aufs Bild klicken !!

Buch: Stern, Introductory Plant Biology, McGrawHill (2003)

Facts (oder: nochmals Kurzfragen zur Repetition) 1.1. Pflanzeneigenschaften: Welche Eigenschaften besitzen Pflanzen im engeren Sinne? 1.2. Pflanzliche Organisationsform: Warum ist eine Pflanze zwangsläufig in Wurzel, Sprossachse und Blätter gegliedert? 1.3. Pflanzenbau: Beschriften Sie die nummerierten Teile der beiden Pflanzentypen: für Bild hier klicken !! 1.4. Pflanze vs. Tier: Wie könnte man experimentell eine Pflanze von einem Tier (rasch) unterscheiden? 1.5. Mensch und Pflanze: Kommentieren Sie die folgende Aussage: "Der hochtechnisierte Mensch ist dank seines technischen Knowhows nur noch bedingt von Pflanzen abhängig". 1.6. Synthetische Nahrungsmittel: Stimmt die folgende Aussage: "In Zukunft werden synthetisch hergestellte Nahrungsmittel die heute konventionellen Nahrungsmittel ablösen können!" zurück zum Anfang.....................................................................zurück zur Pflanzenbiologie

Kapitel 2:

ZusammenFassung "Keimung: Vom Samen zum Keimling"

1. Struktur des Samens und Embryo: Samen: Während der Embryonalentwicklung und der Ausbildung des Endosperms (Nährgewebe) bilden sich die Integumente (den Nucellus umgebende Hülle der Samenanlage) zur Samenschale aus. Dieses Gebilde, das aus der Samenschale, dem Endosperm und dem ruhenden Embryo besteht, ist der Same. Er ist die charakteristische Verbreitungseinheit der Samenpflanzen [Spermatophyten]. Erst bei der Samenkeimung setzt der Embryo, zunächst auf Kosten des Nährgewebes, seine Entwicklung fort und wächst zu einer neuen Pflanze heran. In manchen Fälle wird allerdings kein besonderes Nährgewebe ausgebildet, sondern die Speicherung der Nährstoffe von den Keimblättern (= Speicherkeimblättern [Speicherkotyledonen]) übernommen. Embryo: Der Embryo (Entstehung: siehe hier) ist zunächst ein kugeliges Gebilde, aus dem durch Differenzierung an dem der Mikropyle zugekehrten Pol die Keimwurzel [Radicula], an dem entgegengesetzten Pol das Sprossscheitelmeristem (Bildungsgewebe) und die Keimblätter [Kotyledonen] angelegt werden. Bei den Zweikeimblättrigen Pflanzen [Dikotyledonen] liegt der Sprossscheitel zwischen den beiden seitlich stehenden Kotyledonen, bei den Einkeimblättrigen Pflanzen [Monokotyledonen] befindet er sich seitlich an dem einzigen Keimblatt.

2. Keimruhe (Samenruhe): Samen können ab dem Zeitpunkt der Verbreitung keimfähig oder erst nach einer Keimruhe [Dormanz] keimfähig sein. Wichtigste Ursachen der inneren (endogenen) Keimruhe s...