Pflanzenphysiologie (Subject) / Barthels (Lesson)

Wachstum und Entwicklung

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• Wachstum und Entwicklung von Pflanzen Pflanzen bestehen aus unzähligen Zellen, die sich in verschiedene Zelltypen gliedernJeder Zelltyp ist spezifisch und hat einen distinkten Metabolismus, der imwesentlichen durch Proteine wie z. Bsp. Enzyme, Membranproteine,Strukturproteine bestimmt wird.Alle Zelltypen haben einen Grundstoffwechsel wie Atmung, Proteinsynthese etc.Die Spezifität der Zellen wird durch spezifische Stoffwechselwege bestimmt wiez. Bsp. Enzyme, die für die Synthese von Blütenfarbstoffen verantwortlich sindkommen in Blütenblättern vor und nicht in Wurzeln oderChlorophyllsynthese oder Verholzung (Sklerenchymzellen etc.Die Information für alle Proteine ist in den Genen gespeichert und Spezifitätwird durch differentielle Genaktivierung erreicht
• Differntielle Genaktivierung Da ein Organismus durch Zellteilungen (Mitosen) wächst,hat jede Zelle ein identisches Genom, d.h. ein identisches Set von Genen.Exogene und endogene Faktoren führen zur differentiellen Genexpresssion
• Fluss der Genexpression Endogene oder exogene Faktoren müssen von der Pflanze wahrgenommen werdenRezeptor ↔ Verstärkung der Stimuli ↔ Signaltransduktionskette ↔ Zellkern Genexpression
• Beispiel für verschiedene Zelltypen Xyloem Phloem Fiber Cortey chlorenchyma Epidermis
• Beispiel für verschiedene Zelltypen Xyloem Phloem Fiber Cortey chlorenchyma Epidermis
• Wachstum Def Wachstum ist die irreversibele Volumenzunahme der Organe der Pflanze,wobei die Frischmasse proportional zur Organgröße ansteigt.Wachstum der Pflanzen erfolgt von den Meristemen ausMeristeme sind teilungsaktive, undifferenzierte Zellen, die verantwortlichsind für das Wachstum Spross- und Wurzelmeristem
• Sprossmeristem: Blatt,KnotenAchselknospeInternodien
• Wurzelmeristem SeitenwurzelWurzelhaubeZentralwurzel
• Phytomer Pflanzen sind modular aufgebautDie Einheit eines Moduls ist ein PhytomerSpross- und Wurzelmeristem erzeugen jeweils wiederkehrendeFunktionseinheiten Phytomere BlattNodiumInternodiumKnospe
• nicht determiniertes Wachstum Manche Pflanzen können unbegrenzt viele Jahre wachsen wie zum Beispieleinige Bäume andere Pflanzen wie einjährige Pflanzen hören nach Initierung der Blüte auf zu wachsenendständige BlütePosition des Sprossmeristemsverzweigte BlütenbildungÜbergang vom vegetativen Wachstum zum reproduktivem WachstumAusbildung der Zygote im Prozess der EmbryogeneseTrotz unbegrenztem Wachstum gibt es Seneszenz
• Mutanten waren entscheidend für die Analyse der verschiedenen Stadien der Embryogenese Durch Mutanten konnte die Rolle der verschiedenen Zellen beschrieben werden. Durch Mutanten wurden die Gene identifiziert, die für die Bildungverschiedener Gewebe und die korrekte Musterbildung in der Entwicklungverantwortlich sind.
• Farbstoffe der höheren Pflanzen haben verschiedene Funktionen: „Massenpigmente“:1. Absorption und Übertragung von Energie in derPhotosynthese2. Kommunikation Pflanze - Tier3. Absorption unerwünschter Strahlung zum Schutz gegenPhotooxidation (Molekülschutz)„Sensorpigmente“:4. Optimierung der pflanzlichen Entwicklung undReproduktion5. Modulation des pflanzlichen Verhaltens(Phototropismen, intrazelluläre Bewegung)
• Licht und Pflanzenentwicklung Höhere Pflanzen sind photoautotroph, und die Entwicklung der höherenPflanzen ist auf den Lichtfaktor hin optimiert.Lichtintensität und Lichtlänge bestimmen die Entwicklung→ PhotomorphogeneseLicht ist der Bereich des elektromagnetischen Spektrums, der beim Menscheneine „Lichtwahrnehmung“ hervorruft, d.h. ca. 390-760 nmFarbstoffe und/oder Pigmente absorbieren Photonen im sichtbaren Bereich
• Was bewirkt Licht? Im Dunkeln angezogene Keimlinge (etioliert):Elongation der Internodienkeine Blattexpansionkeine Chloroplastenentwicklung (hellgelbe Pflanze)Hypokotyl: Hakenbildung
• Photomorphogenese verschiedene LichtrezeptorenProtochlorophyllid (650 nm)Protochlorophyllid über Licht → Chlrorophyll Blaulichtrezeptor (450 nm)Blaulicht regulierte Prozesse: Hemmung der ElongationÖffnung der StomataChloroplastenentwicklung Rezeptor: 1. Phototropin: Blaulicht aktivierte Kinase2. Cryptochrom: assoziiert mit Riboflavin, b-KarotinTeil des Proteins hat Homologie zu bakteriellen Photolyasen(Flavoproteine, die in Blaulicht abhängige DAN Reparaturprozesseinvolviert sind)
• UVA / UVB Effekte: Expansion der KeimblätterHypokotylverkürzungPhytochromPhytochrom reguliert Prozesse:ElongationInitiation der ChloroplastenentwicklungHypokotylhakenBlattabfallSamenkeimungDormanzprozesseInitiation der Entwicklung reproduktiver OrganeEntwicklung der Primärblätter
• Absorbtionsspektrum rot, fernes Dunkelrot rot: 660nm fernes Dunkelrot 730nm
• Eigenschaften von Phytochrom Phytochrome sind lösliche dimere Proteine (Mw. 120-130 kDa); mittels einesCysteinrestes (Schwefelgruppe) wird ein offenkettiges Tetrapyrrol alsChromophor verknüpft →Absorption von hellem Licht führt zu Umwandlung im Tetrapyrrolring(Umlagerungsreaktion):Pr = inaktives Phytochrom wird zum aktiven Phytochrom Pfr →Die Lichtabsorption von Pr und Pfr überlappt sich →es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen beiden Formen einz.B. 660 nm 88% als Pfr (= Sonnenlicht)720 nm 3% als PfrPhytochrom ist eine Genfamilie; in Arabidopsis gibt es wenigstens fünfverschiedene PhytochromeExpression der verschiedenen Phytochrome ist gewebespezifisch,entwicklungsspezifisc
• Phytochrom gesteuerte Entwicklungsprozesse im Lebenszyklus einer Pflanze Induktion der SamenkeimungLicht- und DunkelkeimerKeimlingsentwicklungPhotomorphogenese: kurzes Hypokotylgeöffneter Hypokotylhakenexpandierte Kotyledonendifferenzierte Zelltypen im Blattfunktionsfähige ChloroplastenSchattenvermeidung und Wahrnehmung der NachbarpflanzenInduktion der BlütenbildungPhotoperiodismus
• Zwei Klassen von Phytochrom können unterschieden werden: Typ I (PhyA): labile Form: Hell-rot /Dunkel-rot Reaktion geht schnellverloren (z.B. Keimlinge im Dunkeln, Halbwertzeit 30-60 min. Abbau über Ubiquitin)Typ II (PhyB): stabile Form: Hell-rot / Dunkel-rot Reaktion bleibt übereinen längeren Zeitraum erhalten (z.B. Reaktionen in grünen Geweben)Die Rolle verschiedener Phytochrome in verschiedenen Entwicklungsstadien:Samen PhyB Keimung im DunkelnBewässerte Samen PhyA PhyB Photoinduktion der KeimungKeimlinge (etioliert) PhyA PhyB De-EtiolierungInduktion der cab GeneKeimlinge (Licht) PhyB PhyA Längenwachstum (Stängel)Fortpflanzung PhyB PhyX Photoperiodische Blüteninduktion
• etioliert Merkmale, die Pflanzen aufweisen, wenn sie bei Mangel an photosynthetisch nutzbarem Licht wachsen.
• Photoperiodismus: Abhängigkeit der Entwicklung (Blühinduktion) von der Tageslänge Tageslänge - Blühinduktion - PflanzeKurztagspflanzen - Obligatorisch - Kaffee--Weihnachtsstern--Erdbeere--Fakultativ Baumwolle--Reis--ZuckerrohrLangtagspflanzen Obligatorisch Nelke--Hafer--Senf--Fakultativ Gerste--Erbse--SalatTagneutral Bohne(unabhängig von Tageslänge) Rose--Tomate

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