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Pflanzenernährung (Subject) / Grundlagen (Lesson)

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• Unterschied Humus - Mineralstoff Theorie Humustheorie von Aristoteles ging davon aus, dass sich die Pflanze von der organischen Substanz direkt ernähren. Sie nimmt mit den Wurzeln Stoffe auf und wir nach dem Absterben zur org. Substanz Mineralstofftheorie besagt, dass die abgestorbenen Pflanzen bzw. org Substanz zuerst mineralisiert werden und schließlich anorg Moleküle aufgenommen werden
• Liebigs Mineralstoff - Theorie Mineralstoffe sind nicht zufällig in der Pflanze, sondern essentielle Bestandteile Pfanzen benötigen zehn Elemente (C,O,H,N,P,K,S,Ca;Mg,Fe), die außer den ersten drei aus den Salzen des Bodens bestehen verschiedene Pflanzen brauchen unterschiedliche Nährstoffmengen manche Böden weisen Nährstoffmangel auf, die durch Düngung zu beseitigen sind Humus selbst hat keine Bedeutung für das Wachstum, wohl aber für die darin enthaltenen Nährstoffe
• Nährstoff, Nährelement, je 2 Beispiele Ein Nährelement ist für die Ernährung der Pflanze unter Normalbedingungen ein lebensnotwendiges Element: P, N Ein Nährstoff ist von der Pflanze aufnehmbar und dient der Ernährung. Es ist ein Molekül, welches ein Nährelement verbaut hat, da Nährelemente in der Natur nicht auftreten --> P2O5 für P ; NH4+ für N
• Nährelement nach Jens ( ARNON ) • In Abwesenheit des Elements ist normales Wachstum und Reproduktion der Pflanze nicht möglich• Das Element nimmt direkt oder indirekt an bestimmten Stoffwechselprozessen teil• In dieser Funktion kann das Element nicht durch andere Elemente ersetzt werden• Heute wird ergänzt → (Das Element wird von einer größeren Anzahl von Pflanzen benötigt)
• typischen Funktionen des Bodens für Pflanzen Standort      • DurchwurzelbarkeitVersorgung      • Speicher für Wasser und Nährstoffe      • Pufferung (Temperatur, Wasser, Nährstoffe, pH)      • Gaswechsel (Sauerstoffversorgung der Wurzeln)
• Welche physikalischen und chemischen Bodeneigenschaften werden durch die Bodentextur beeinflusst (nennen Sie jeweils 2 Beispiele)? (2 x 2 = 4P) Physikalische Eigenschaften• Bodenwasser- und Bodenlufthaushalt• Durchwurzelbarkeit• Verschlämmungsneigung• Bearbeitbarkeit Chemische Eigenschaften• Kationenaustauschkapazität• Nährstoffvorrat
• Was versteht man unter „isomorphen Ersatz“ und welche Bedeutung hat dies für die Pflanzenernährung? (4P) • Das Zentralatom des Tetraeders / Oktaeders wird durch ein niedriger wertiges Atom ersetzt (Bei unterschiedlichen Verhältnissen im Vorhandensein der Elemente) → Dadurch wird die gesamt Struktur negativ → negativ geladene Pakete entstehen → sie wollen die negative Ladung mit Hilfe von Kationen ausgleichen → Diese sind austauschbar und Pflanzenverfügbar --> Dadurch kann der Boden Nährstoffe Binden und „Speichern“
• Welche Nährstofffraktionen im Boden unterscheidet man üblicherweise? (3P) • Fest gebundene Fraktion in Tonmineralen und Oxiden• Nachlieferbare Fraktionen in Tonmineralen und Oxiden• Gelöste Nährstoffe in der Bodenlösung
• Interpretieren sie das Sprichwort „Kalk macht reiche Väter aber arme Söhne“. (2P) • Durch kalken wird der PH-Wert angehoben und Humus wird stärker abgebaut. Dadurch setzen sich in den Anfangsjahren der Kalkung viele Nährstoffe frei und die Pflanzen wachsen gut (Reiche Väter). Irgendwann ist der Humus jedoch abgebaut, wenn er nicht wieder aufgefüllt wurde und die Pflanzen wachsen sehr schlecht (Arme Söhne).• Infolge der nährstoffmobilisierenden Wirkung des Mergels (Kalk), bei sonst fehlender Ergänzungsdüngung ergab sich der aus heutiger Sicht irreführende Spruch, dass der Kalk über die Humusmobilisierung zuerst „Reiche Väter, dann aber arme Söhne mache“. Diese Gefahr des Ausbeutens oder Ausmergeln des Bodens ist heute bei entzugsorientierten Grunddüngung nicht mehr gegeben.
• Welche 3 Mechanismen tragen zur Nährstoffanlieferung an die Wurzel bei? (3P) • Interzeption• Massenfluss• Diffusion
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• Was versteht man im Zusammenhang mit der Nährstoffbewegung im Boden unter „Massenfluss“ und wie hoch ist prozentuale Anteil den dieser Prozess für die Anlieferung der Nährstoffe N, P und K bei Getreide beiträgt? (4P) Massenfluss• Transpiration der Pflanzen erzeugt einen Wasserfluss zur Wurzel. Die Nährstoffmenge, die in diesem Wasser gelöst ist, gelangt (als Strömung) zur Wurzel Bedeutung am Getreide• N →80%• P →20%• K →30%
• Was versteht man im Zusammenhang mit der Nährstoffbewegung im Boden unter „Diffusion“ und für welche Nährstoffe ist dieser Prozess besonders wichtig? (1+2 = 3P) Diffusion• Übersteigt die Aufnahme von Nährstoffen den Antransport an die Wurzel, dann bildet sich im wurzelnahen Bereich ein Konzentrationsgradient aus, der bedingt durch die Braun‘sche Molekularbewegung einen Diffusionsfluss bewirkt --> Dieser Prozess ist besonders für Kalium und Phosphor wichtig (mittelmäßig auch Stickstoff)
• Welche „Bodenfaktoren“ beeinflussen den Nährstoffantransport über Diffusion? (4P) • Nährstoffart und –konzentration• Pufferkapazität• Wassergehalt• Temperatur
• Welche „Pflanzenfaktoren“ beeinflussen den Nährstoffantransport über Diffusion? (4P) • Wurzellänge• Wurzelhaarlänge• Mykorrhiza• Wurzelexudation → Ausschwitzen der Wurzel
• Welche methodischen Ansätze zur Erfassung des Wurzelsystems kennen Sie? (4P) Auswaschung von Wurzeln• Bestimmung der FM/TM• Bestimmung der Wurzellänge• Quantifizierung der Oberfläche durch Farbstoffablagerung Wurzelbeobachtung am Standort• Rhizotubes (Glasröhre im Boden)• Profilwandmethode • Tracer Methode (z.B. 32P-Markierung)• Wurzelkasten (Rhizotrone)
• ‚apparent free space‘ (AFS)? (2P) • „scheinbar freier Raum“• Zellwände und wassergefüllter Interzellularräume• Austauschadsorption von Kationen an R-COO—Gruppen (K3+ > K2+ > K1+)• Abstoßung von Anion (A3- > A2- > A1-)
• 3 wichtige membrangebundene Transportmechanismen entsprechend der Reihenfolge ihrer Transportleistung (von „gering“ nach „hoch“ geordnet). (3P) • Pumpen (gering)• Transporter (mittel)• Kanäle (Hoch)
• Nennen Sie 4 Beispielspaare für echte Ionenkonkurrenz. (4x 0,5 = 2P) • K+ / Rb+• Ca 2+ / Sr 2+• SO4 2- / SeO4 2-• PO4 3- / AsO4 3-
• Beschreiben und erklären sie den Einfluss einer Chlorid-Düngung auf die Nitrat-Gehalte in Gemüsepflanzen. (4P) • Chlorid-Zufuhr erhöht die Frischmasse bei Kopfsalat, weil mehr Ionen aufgenommen werden und dadurch mehr Wasser aufgenommen wird • Nitrat-Gehalte sind niedriger bei Chlorid-Zufuhr• Scheinbare Konkurrenz zwischen Chlorid und Nitrat
• Welchen Einfluss hat die Außenkonzentration auf die Selektivität der Ionenaufnahme? Erklären Sie anhand des Beispiels K-/Na-Aufnahme! (3P) • Mit steigenden Angebot geht die Selektivität zurück• Effekt abhängig von Nährstoff bzw. Pflanzenart• Wenn K und Na im Mangel sind, wird K bevorzugt aufgenommen
• Wie verändert sich die Kalium-Aufnahme bei Applikation unterschiedlicher K-Verbindungen (Vergleich K-Chlorid zu K-Sulfat)? Erklären Sie in Stichworten! (4P) • Bei niedriger Aufnahmerate hochaffine Aufnahme -> Begleition ohne Einfluss• Bei hohem Angebot -> hohe Aufnahmerate möglich, aber dann Ladungsausgleich limitierend ( Cl- schneller aufnehmbar• Bei geringer K-Konzentration gleiche Aufnahme• Bei hoher K-Konzentration unterschiedliche Aufnahmerate; KCl wird dann mehr aufgenommen
• Wie können Pflanzen eine unausgewogene Aufnahme von Kationen und Anionen ausgleichen? (3P) • Durch organische Anionen• Durch die Abgabe von H+ Ionen in den Apoplast und RCOO- Ionen in die Vakuole ausgehend vom Cytoplasma (=Stöchiometrie des Ladungsausgleichs)
• Wie Verändert sich der Gehalt an Kationen in der Pflanze bei Ammonium- im Vergleich zu Nitrat-Ernährung? (3P) • Bei Nitrat höhere Summe an Kationen asl bei Ammonium• Gehalt an K+ und Ca2+ bei Nitrat mehr als doppelt so hoch als bei Ammonium• Gehalt an Mg2+ und Na+ nur etwas höher
• Nennen Sie die beiden treibenden Kräfte des Xylem-Transports.(2P) • Transpiration• Wurzeldruck• Austauschabsorption• Xylemparenchym (Abgabe, Aufnahme)• Abgabe in die Blätter
• Welche Auswirkungen haben eine niedrige bzw. hohe Transpirationsrate auf die Verlagerung von Kalium bzw. Natrium? (4P) • Verlagerung von K: abhängig von der Außenkonzentration; unabhängig von Transpiration• Verlagerung von Na: großer Einfluss von Angebotskonz. Und Transpiration; nur nützliches Element -> osmotische Funktion
• Vergleichen sie die Ca- und K- Gehalte in Kartoffel-Blättern und Kartoffel-Knollen. Wie lässt sich dies erklären? (4P) • Ca-Gehalt in Knollen niedriger als in Blätter• K-Gehalt in Knollen geringfügig höher als in Blätter• Ca wird bevorzugt mit dem Transpirationsstrom verlagert• Niedrige Gehalte in Organen, die wenig oder gar nicht transpirieren
• Erklären Sie die Begriffe ‚Source‘ und ‚Sink‘. (2P) • Source= Quelle der Assimilatversorgung (Bsp. Blatt)• Sink= Ort an dem Assimilate verbraucht werden.(Bsp. Frucht, Vegetationskegel)• Im Laufe des Wachstums kann es zu einer Verschiebung der sources/sinks kommen. Z.B. ist die Kartoffel während des Wachstums sink, während der Keimung aber source. Sinks können sein Vegetationskegel, Knolle, Frucht.
• Nennen sie je 2 Mineralstoffe mit hoher bzw. geringer Phloem-Mobilität. (4P) • Hohe Phloem-Mobilität: K; Na• Geringe Phloem-Mobilität: Ca; Mn
• Warum treten K-Mangelsymptome vorwiegend an älteren Blättern auf? (2P) • K ist gut umverlagerbar. Daher wird es wie alle gut verlagerbaren bevorzugt in die generativen Organe (Samen) transprotiert• K hat eine gute Retranslozierbarkeit
• Erklären Sie warum N-Mangel an alten Blättern und S-Mangel bevorzugt an jungen Blättern auftritt. (4P) • N ist gut retransloszierbar, das heißt N wird für junge Blätter und Frucht benötigt → daher aus älteren Blättern umgelagert • S ist mäßig retransloszierbar, daher in älteren und jüngeren Blättern Mangel sichtbar
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• Nennen sie 2 Nährstoffe (!!), die gasförmig über die Stomata aufgenommen werden. (2P) • SO2• NH3
• Benennen Sie die Funktionen von 3 verschiedenen Formulierungshilfsstoffen, die bei Blattdüngern eingesetzt werden. (3P) Dispergiermittel• Halten Nährstoffe gleichmäßig in Suspension (d.h. Absetzen oder Ausflocken wird verhindert) Netzmittel• Verbessern Verteilung des Spritztropfens auf der Blattoberfläche Haftmittel• Verhindern nach Antrocknen des Flüssigkeitsfilms das Abwaschen durch Regen oder Tauwirkung Absorptionsmittel• Fördern Aufnahme des Nährstoffs übers Blatt
• Für welche Nährelemente (!!) ist die Blattdüngung von besonderer Bedeutung? (2P) • Mikronährstoffe: Cu, Mo, Zn, B, Mn
• Welche Vor- und Nachteile der Blattdüngung kennen Sie (jeweils 3 Stichworte)? (6P) • Vorteile:• Aufnahme erfolgt sehr schnell• Rasche Behebung von Mangelsituationen möglich (insbesondere bei Mikronährstoffen)• Ermöglicht Versorgung bei schwierigen Bodenbedingungen (Trockenheit/pH)• Hohe Nährstoffausnutzung• Deutlich niedrigere Aufwandmengen möglich• Kombinierte Ausbringung mit PSM möglich• Nachteile: • Aufnahme wird durch Cuticula und Wachsschicht erschwert• Wirksamkeit stark abhängig von Umweltfaktoren (Licht, Luftfeuchte, Temperatur)• Gefahr von Verätzungen• Umfassende Versorgung bei Mikronährstoffe nicht möglich• Umverlagerung abhängig vom Nährstoff
• In welchen Formen wird Stickstoff in die Pflanze aufgenommen? Bewerten Sie jeweils (!) auch die Bedeutung für die Gesamt-N-Aufnahme! (4P) • NO3- ; NH4+ ; NH3 ; (N2) ; R-NH2 (→abnehmende Bedeutung)• Nitrat i.d.R. dominierende Form in der Bodenlösung und daher meist überwiegend bei der Aufnahme. • Einige Pflanzen bevorzugen allerdings NH4+ bei der Aufnahme (Bsp. Reis), andere dagegen Nitrat (Bsp. Spinat)
• Beschreiben sie den Mechanismus der Nitratreduktion in der Pflanze (inkl. Reaktionsgleichung). (5P) • Gleichung: NO3- + 8 H+ + 8 e- → NH3 + 2 H2O + OH-• 1. Schritt: Nitratreduktase (im Cytoplasma)• 2. Schritt: Nitritreduktase (im Chloroplast)• wichtig sind Fe und Mo
• Benennen Sie 4 Faktoren, die die Nitrat-Reduktion in der Pflanze beeinflussen. (4P) • NO3- Angebot• Reduzierte N-Verbindungen• Eisen-/ Molybdän-Angebot• Blattalter• Pflanzenorgan
• Welches Enzym ist für die biologische N2-Fixierung entscheidend und welche 2 Mikronährstoffe sind für den Aufbau des Enzyms von Bedeutung? (1+2 = 3P) •       Enzym: Nitrogenase •       Mikronährstoffe: Fe und Mo → (warum ?)
• Welche 3 Lebensformen der N2-Fixierer sind ihnen bekannt und wie viel N wird jeweils schätzungsweise jährlich je Hektar gebunden (Angabe in kg N/ha und Jahr)? (6P) Lebensformen: Symbiose, Assoziation, frei lebend Symbiose: 20 - 400kg N/ha Assoziation: 10 - 200 kg N/ha frei lebend: heterotroph: Pflanzenrückstände 1 - 2 kg N/ha ; autotroph: Photosynthese 10 - 80 kg N/ha
• 4 essentielle Aminosäuren Lysin, Alanin, Methionin, Leucin
• Erklären Sie wie man anhand der Bestimmung des N-Gehaltes den Protein-Gehalt ableiten kann! (2P) •       Weil der N Gehalt des Proteins bei ca. 16% liegt, kann man mit dem Faktor 6,25 (100/16) den Proteingehalt errechnen 
• Erklären sie den Begriff „biologische Wertigkeit“. (3P) •       Maß für die Eignung von Nahrungseiweiß zum Aufbau von Körpereiweiß •       Gramm Körpereiweiß/100 Gramm Nahrungseiweiß •       Begrenzender Faktor sind essentielle AS
• Nennen Sie 4 Faktoren, die den Nitrat-Gehalt in pflanzlichen Nahrungsmitteln beeinflussen. (4x0,5 = 2P) genetische Varianz Erntezeitpunkt Pflanzenteil/Organ Umweltfaktoren
• Beschreiben und erklären Sie die Unterschiede im Nitrat-Gehalt in verschiedenen Pflanzenorganen. (3P) • Gehalt in Blattstiel und Stengel am höchsten, in trockenen Früchten und Samen am niedrigsten--> Ursache ist Transport im Xylem (Transpiration) und Speicherung im Xylemparenchym• Stiel und Blattgemüse die wichtigsten Nitrat-Quellen in der menschlichen Aufnahme
• Wie (und warum) verändert sich der Nitrat-Gehalt im Spinat im Tagesverlauf? (4P) • Nitratgehalt sinkt im Verlauf des Tages, also während Licht da ist• Sobald das Licht weg ist steigt der Gehalt wieder, also Nachts• Licht wird zur Umsetzung von Nitrat benötigt • Stomata sind über Tag geschlossen, daher keine Transpiration und daher kein Antransport von Nitrat mit Wasser
• Wie (und warum) verändert sich der Nitrat-Gehalt im Spinat im Jahresverlauf? (4P) • Nitrat-Gehalt ist in den Wintermonaten höher als in den Sommermonaten• Gehalt ist am höchsten in den Monaten Dezember und Januar• Gehalt ist am niedrigsten in den Monaten Juni, Juli, August• Grund: Im Sommer mehr Tageslicht→ mehr Nitrat Umsetzung in der Pflanze →daher geringere Gehalte
• Wie und warum (!) wirkt sich eine Düngung mit Nitrat oder Ammonium auf die P-Aufnahme aus? (4P) • Niedrigere pH-Werte in der Rhizosphäre bei Ammonium-Ernährung führen zu höheren p-Gehalten im Spross• Ammonium wirkt im pH-Bereich der Rhizosphäre von 4,5 bis 6• Nitrat wirkt dagegen im Bereich von 6 bis 7.5• Bei der Aufnahme von Ammonium werden H+ Ionen aus der Wurzel gepumpt → Die Rhizosphäre wird saurer → Phosphor wird besser gelöst • Nitrat hat diese Eigenschaft nicht
• Nenne sie 4 Bindungsformen des Phosphats in Pflanzen und geben Sie jeweils 1 Beispiel! (4P) • Anorganisches Ion; H2PO4-• Anorganisches Salz; Ca3(PO4)2• Esterbindung; Phytinsäure• Di-Esterbindung; Phospholipide• Pyrophosphatbindung; ATP
• Nennen Sie 4 wichtige P-Fraktionen (Stoffgruppen), die in Pflanzen vorkommen. (2P) • Phospholipide• Nukleinsäuren• Zuckerphosphate• Phytinsäuren
• Nennen Sie 4 wichtige Funktionen, die P in der Pflanze hat? (4 x 0,5 = 2P) • Energietransfer• Photosynthese• Wasserhaushalt• Strukturelement

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