Pflanzenphysiologie (Fach) / Pflanzen (Lektion)

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• Definition Pflanzenphysiologie Die Wissenschaft von den Lebensvorgängen (der Physiologie) der Pflanze, besonders vonderen (bio)chemischen Grundlagen, liefert Analyse und kausale Erklärung dieserLebensvorgänge.
• Warum Pflanzen? 1)Basis der Nahrungskette2)Unterschiedliche Arten,Pflanzen können an verschiedenen Standorten gedeihen3)sehr große Organismen und können sehr alt werden4)produzieren Sauerstoff + größten Teil der chemisch gebundenen Energie, die wir als Nahrung nutzen => fixieren Kohlendioxid und synthetisieren daraus energiereiche Produkte, die wir als Nahrungsgrundlage nutzen5)für Photosynthese atmosphärischer CO2 in Zucker umgesetzt6)produzieren erstaunliche Vielfalt an wertvollen Verbindungen
• Wichtige Entdeckungen mithilfe von Pflanzen? 1) Zellen in Pflanzen entdeckt2) Viren erstmals aus Pflanzen isoliert (AIDS, Hepatitis)3) Mendel -> Vererbungslehre mit Erbsen (pisum sativum) Sichelzellenanämie
• Hauptziel der Pflanzenwissenschaften? Die Weltbevölkerung wächst und wächst…. Ein Hauptziel der angewandten Pflanzenwissenschaften ist die Steigerung der Nahrungsmittelproduktion. Es wirdangenommen, dass wir einen Anstieg um 70% in den nächsten 40 Jahren benötigen werden. Das Wachstum von Pflanzen wird oftmals durch Trockenheit beeinträchtigt. Trockenstresswird durch den Anstieg der globalen Temperatur verstärkt. Der Ernteertrag kann in warmenGebieten um ca. 3-5% pro 1°C Temperaturanstieg sinken. Sogar ein milder Trockenstressführt zu Ernte- Einbußen. Bereits ein milder Trockenstress führt zur Reduktion derPhotosynthese und des Wachstums, ein starker Trockenstress zum Absterben.
• Was können Pflanzenwissenschaftler tun? Sie entwickeln Pflanzen die trocken- oder stress-tolerant sind, die weniger Dünger oderWasser benötigen, die pathogen-resistent sind und nahrhafter sind.
• Düngemittel!? In Trockengebieten könnte ein Anbau von Pflanzen mit vergrößertem Wurzelsystem zuhöheren Ernteerträgen führen. Düngemittel sind limitiert und ihre Herstellung istenergieaufwändig. Nutzpflanzen brauchen Dünger – Kalium, Phosphat, Stickstoff und andereElemente. Kalium und Phosphat stammen aus nicht-erneuerbaren Quellen. Die Herstellungvon Stickstoff-Düngern verbraucht hohe Energiemengen. Das Auswaschen von Düngemittelnist umweltschädigend. Es führ zur Algenblüte; der damit verbundene Sauerstoffmangel imWasser zerstört die Grundlagen für jegliches Leben.Die Aufnahme von Nährstoffen in die Pflanzen kann auch verbessert werden. VerbesserteTransportsysteme in der Wurzel können den Einsatz von Düngemittel reduzieren.
• Alternative Nutzpflanzen? Pflanzen an Standorten mit erhöhtem abiotischen Stress (Trockenheit, versalzte Böden)haben sich im Laufe ihrer Evolution an diese Bedingungen angepasst und könnten vermehrtals Nahrungsmittel genützt werden.
• Phytophtora infestans? Kartoffelfäule. Resistenzgen identifizieret und in andere Kartoffelvarietäten eingeführt.
• Puccinia graminis tritici? Getreiderostpilz. Ein neuer, hochpathogener Stamm tauchte erstmals 1999 in Ugandaauf (Ug99). Meisten Weizenarten dagegen nicht resistent, deshalb ein globales Problem. Pilzsporen mit Wind übertragen.
• Solanin? Wenn Kartoffeln falsch gelagert entsteht Solanin. Schädlich und in höheren Mengen toxisch.
• Pflanzen produzieren Stoffe, die in der Medizin und als Droge genutzt werden?! 1) Salix/Weide: Rinde enthält schmerzstillende Salicylate. (Aspirin=Acetylsalicylsäure)2) Fingerhut (Digitalis purpurea): Rohstoff für die Isolierung von Digitalis (Herzmittel) 3) Pazifische Eibe (Taxus bevifolia): Rohstoff für die Isolierung von Taxol (Krebsmittel)4) Kaffee (Coffea arabica) und Tee (Camellia sinensis): Rohstoff für die Isolierung vonKoffein
• Malaria? Plasmodium falciparum.Über Stechmücken übertragen.Rinde des Chinabaums enthält Chinin, das die Plasmodien abtötet. Plasmodium entwickeltjedoch Resistenz gegen Chinin, sodass andere Anti-Malaria Mittel gefunden werden müssen. Gin Tonic, britische Soldate: Chinin.Artemisin aus Artemisia annua. Komponente Artemisin isoliert: Sesquiterpen aus ätherischen Öldrüsen.
• Zellwände? Primäre: bestehen vor allem aus Kohlenhydraten und Proteinen.Sekundäre: Lignin eingelagert = quervernetzende Verbindung.
• Pflanzen - Erdöl Erdöl keine erneuerbare Energiequelle.Braucht viele Millionen Jahre, dass abgestorbenes organisches Material in Erdöl umgewandelt wird. Aber Pflanzen dienen als Rohstoffe für Bio-Kraftstoffe. Zucker, Stärke und Cellulose können zu Ethanol fermentiert werden. Mikroorganismen setzen Zucker in Alkohol um, der dann aus der Mischung von Alkohol, Wasser und Mikroorganismen abgetrennt und über Destillation gereinigt wird. Pflanzen Rohstoff für Biodiesel. Aus Raps, Sojabohnen und Algen produzierbar.Elefantengras Bsp für Bioenergiepflanze.Aus der Cellulose der Zellwand gewonnenes Ethanol ist eine Energiequelle.
• Definition Blätter? Seitliche Auswüchse an den Nodi der Sprossachse.Haben determiniertes Wachstum, Leitbündel und entstehen aus wenigen Zellen der äußeren Zellschicht (Tunica) des Sprossmeristems und sind meist photosynthetisch aktiv. Erste Landpflanzen noch keine Blätter.Echte Blätter nur in Gefäßpflanzen.Blattähnliche Strukturen (Phylloide) der Moose.Lycopodium (Bärlappe) und Selaginella haben Mikrophylle, die den ersten Blättern der Samenpflanzen ähneln. Blätter entwickeln sich aus Verzweigungen.Vergrößerte Oberfläche dient dem Lichtsammeln und der Co2-Aufnahme. Blätter = erneuerbare Ressourcen.
• Entstehung erste Landpflanzen usw. 1) Erste Landpflanzen vor 425 Mio Jahren2) Erste Blätter im Devon, vor 360-400 Mio Jahren3) Blüten in der Kreidezeit, vor 130 Mio Jahren
• Pflanzen und Tiere entwickeln sich nach dem gleichen Prinzip Am Ende der Entwicklung sind Menschen klein, aber vollkommen ausgeformt. Pflanzenproduzieren kontinuierlich neue Organe- Blätter, Wurzeln, Blüten.Post-embryogenetische Organbildung beruht auf Meristemen. Das Sprossapikalmeristem(SAM) produziert den Spross, die Blätter, Blüten, Früchte und die Samen. DasWurzelmeristem produziert die Wurzel und die Seitenwurzeln. Phytomere: repetitive Einheiten der Sprossachsen. Bestehen aus Blatt, Nodus, Internodium und Achselmeristem.
• Blätter sind Lateralorgane. 1. Zellen der peripheren Zone des Sam spezialisieren sich undunterscheiden sich von den umgebenen Zellen.2. Dadurch entstehen Blattinitialzellen, die zuerst morphologisch nichtunterscheidbar sind.3. Durch die Aktivierung dieser Zellen und die nachfolgende Zellteilungentsteht ein Blattprimordium, aus dem ein Blatt entsteht.
• Hauptaufgabe Blätter Photosynthese und Gaswechsel.Gibt aber auch andere Blätter -> Kron-, Staub- und Kelchblätter zB.
• Makronährelemente C, O, H, N, K, Ca, Mg, P, S, Si
• Mikronährelemente Cl, Fe, Mn, B, Zn, Na, Cu, Ni, Mo
• Ammonium Assimilation 1) Glutamat-Synthase-Zyklus:Glutamin-Synthetase und Glutamat-Synthetase 2) Glutamat-Dehydrogenase 3) TransaminierungAspartat-Aminotransferase und Asparagin-Synthetase
• Sulfit-Reduktase? Sulfit zu Sulfid.
• Strategien, um Wasserressourcen zu nutzen? 1) Austrocknungstolerante Pflanzen stehen mit der Umgebungsfeuchtigkeit im Gleichgewicht.2) Die meisten Tracheophyten überleben Austrocknung nicht.3) Manche Wüstenpflanzen überdauern Trockenperioden als Samen und keimen, wachsen und blühen während kurzer Regenzeit.4) C4-Photosynthese, Sukkulenz (Wasserspeicherung) oder winzige Blätter.
• Wassertransport unterliegt den Gesetzen der Physik Der Wasserfluss in einer Pflanze – nach oben – wird durch Evaporation verursacht.Wasser ist sehr kohäsiv, d.h., die Moleküle hängen aneinander, sodass eine Wassersäule nach oben gezogen werden kann.  Ungewöhnliche und wichtige Eigenschaften von Wasser. Die Atome des Wassermolekülssind so angeordnet, dass die Ladungen asymmetrisch verteilt sind. Wasser ist polar und hat eine hohe dielektrische Konstante. Wasser hat im Vergleich zu ähnlichen Molekülen einen hohen Siedepunkt und einen hohen Schmelzpunkt. Dadurch ist Wasser ein gutes Lösungsmittel für polare Substanzen.
• Fick'sches Gesetz dm/dt = -D*A* dc/dx Formel für Bewegung von Wasser mittels Diffusion. Diffusion umso schneller, je:Steiger der Konzentrationsgradient dc/dcgrößer die Fläche Akleiner der Weg xgrößer D Diffusion von Eigenschaften eines Stoffes abhängig:Molekülform und -größeLadungViskosität des LösungsmittelspH-Wert, Salzkonz usw
• Osmotische Kräfte Beeinflussen, ob Wasser in eine Zelle eindringt oder hinaus geht.Zellen mit Proteinen und Salzen haben niedrigeres osmotisches Potenzial und Wasser fließt hinein.Tierische Zellen können platzen, pflanzliche aber nicht wegen Zellwand. Salzwasser hat niedrigeres osmotisches Potenzial als Zellen, daher fließt Wasser hinaus. Osmotisches Potenzial in MegaPascal ausgedrückt, MPa. Zellen ca -0,8MPa.
• Turgordruck Der Turgordruck trägt zur Festigkeit von Pflanzenzellen und – Geweben bei. Junge krautige Gewebe bekommen Festigkeit durch den Turgordruck. Wassermangel erniedrigt den Turgordruck, was zum Welken führt.
• Wasserpotenzial Summe von Druckpotenzial (Turgordruck) und osmotischem Potenzial
• Arten der Wasserbewegung in Pflanzen 1) durch Diffusion: zufällige Bewegung von Molekülen2) durch Massenströmung: Wasser in Bächen, Rohren.. Für Langstreckentransport Strömung, geht viel schneller, braucht dafür aber Energie.
• Strömung Schneller als Diffusion, dafür aber Energie benötigt. Strömung durch ein Rohr hängt vom Rohrdurchmesser ab.
• Wasserfluss - wovon abhängig + Ohm'sches Gesetz Die Flussrate hängt von der Leitfähigkeit der Wurzel, des Sprosses und der Blätter ab. Wenn die Leitfähigkeit hoher ist, ist der Fluss höher. Widerstand und Leitfähigkeit stehen in reziprokem Verhältnis, und die Flussrate hängt vonbeiden ab. Stomatäre Leitfähigkeit kann über den Wasserdampf, der das Blatt verlässt,gemessen werden. Sind die Spaltöffnungen offen, ist der Widerstand kleiner und der Flussgrößer. Die Spaltöffnungen beeinflussen die Flussrate über den Widerstand.
• Durchfluss in den einzelnen Kompartimenten - Wurzel, Xylem, Blatt 1) Radialer Wasserfluss in der Wurzel: Vom Boden zum Xylem, hauptsächlich durch Diffusion und abhängig von der Permeabilität der Membran und Zellwände.2) Axialer Wasserfluss: Strömung durch das Xylem der Wurzel und des Sprosses in die Blätter.3) Radialer Wasserfluss im Blatt: Vom Xylem durch das Mesophyll, Umwandlung in Wasserdampf und Entlassen in die Atmosphäre, reguliert durch Spaltöffnungen.
• Durchfluss in den einzelnen Kompartimenten - Wurzel, Xylem, Blatt 1) Radialer Wasserfluss in der Wurzel: Vom Boden zum Xylem, hauptsächlich durch Diffusion und abhängig von der Permeabilität der Membran und Zellwände.2) Axialer Wasserfluss: Strömung durch das Xylem der Wurzel und des Sprosses in die Blätter.3) Radialer Wasserfluss im Blatt: Vom Xylem durch das Mesophyll, Umwandlung in Wasserdampf und Entlassen in die Atmosphäre, reguliert durch Spaltöffnungen.
• Aquaporine Aquaporine haben 6 membran-überspannende Domänen und bilden typischerweiseTetramere.Aquaporinaktivität wird auf vielen Ebenen reguliert, aber auch transkriptional. Sie wird auchposttranskriptional reguliert. Aquaporine haben Öffnungen und können geöffnet und geschlossen werden. Aquasporinesind Tetramere, aber jedes Monomer ist ein Kanal. Die Kanalaktivität wird durchPhosphorylierung und pH moduliert. Aquaporine ermöglichen schnelle Bewegungen vonPflanzen. Zellen, die viel Wasser schnell bewegen sollen, haben mehr Aquaporine.
• SPAC soil plant atmosphere continuum 1)Aufnahme durch die Wurzel2)Transport ins Xylem3)Transport durch die Blätter und in die Umgebungsluft Der Wasserfluss wird durch Evaporation bedingt, angetrieben von der Sonnenenergie. DasWasserpotential der Luft ist viel kleiner als das des Bodens, sodass Wasser stetig evaporiert.Die Pflanze nutzt diese Energie, um Wasser herein, hinauf und hinaus zu transportieren. Interaktionen zwischen Wasser- und Bodenmolekülen beeinflussen Wasseraufnahmen.
• Welkpunkt Jener Punkt, bei dem (die meisten) Pflanzen welken und irreversibel geschädigtwerden.
• Feldkapazität Niveau, bei dem Wasser abrinnt.
• Wurzel(wachstum) Von Wasser beeinflusst und beeinflusst wiederum die Wasserbewegung. Hängt von Verfügbarkeit von Wasser ab:Flache Wurzelsysteme sind bei weniger Niederschlag effizienter. Nicht bewässerteSojabohnen produzieren mehr Wurzelmasse und tiefer in der Erde. Aber: bei fehlenderBewässerung können tiefer wachsende Wurzeln Wasser in tieferen Bodenschichten nutzen.
• Hypotropismus Wurzeln passen ihr Wachstum an Wassergradienten an.
• Radiale Leitfähigkeit Vom Boden zur Stele. Radikale Leitfähigkeit ist von Anatomie,Morphologie, Zellwand-Permeabilität, Aktivität von Wasserkanälen etc. abhängig
• Axiale Leitfähigkeit Im Xylem entlang der Achse. Axiale Leitfähigkeit hängt von derAnzahl, dem Durchmesser und der Struktur der Xylemgefäße ab und wird auch durchEmbolien beeinflusst.
• Verschiedene Wege des Wassers zur Stele 1) Apoplastischer Weg: extrazellulär, kein Durchqueren der Plasmamembran2) Symplastischer Weg: über Plasmodesmen, Membran einmal durchquert3) Transzellulärer Weg: Plasmamembran vielfach durchquert
• Wasserbewegung durch die Rinde, Beeinflussungsfaktoren 1) Anatomie der Endodermis und Exodermis: sind Zellschichten mit Casparischen Streifen (wasserundurchlässig), welche die Leitfähigkeit von Wasser und gelösten Stoffen einschränken2) Aquaporine: regulierende Wasserkanäle in Membranen3) Plasmodesmen: ein Plasmodesma ist ein dünner, von einer Plasmamembran umgebener Plasmastrang, der eine Verbindung zwischen Zellen schafft. 
• Casparischer Streifen zwingt Wasser dazu, die Plasmamembran zu durchqueren. Wasser tritt apoplastisch (extrazellulär) in die Wurzel ein, bis es den Casparischen Streifen erreicht, der den apoplastischen Fluss stoppt.
• Fluss des Wassers in Wurzel beeinflusst durch... der Wasserpotentialdifferenz zwischen dem Boden-Wurzel-Interface und dem Wurzelxylem sowie vom Widerstand des Wurzelgewebes.
• SPAC2: Weg des Wassers im Xylem Wenn das Wasser im Transpirationsstrom des Xylems angelangt, bewegt es sich durchStrömung, welche durch die Evaporation an den Blattoberflächen angetrieben wird(Transpirationssog).
• Sekundäres Xylem Die meisten Samenpflanzen (und ein paar andere) können ein sekundäres Xylem bilden.Bärlappe, Farn und Farnverwandte haben kein sekundäres Xylem (mit wenigen Ausnahmen). Durch sekundäres Dickenwachstum wird neues Xylem gebildet und Pflanzen können ihrenUmfang erweitern.
• Tracheiden und Gefäße Tracheiden - GymnospermenGefäße - Angiospermen Tracheiden und Gefäße unterscheiden sich stark in ihrer Größe. Die Tracheiden derKoniferen sind signifikant kürzer und enger (mit Überlappungen) als die Gefäße derAngiospermen.Poiseuille´sche Gesetz: Die Strömung von Flüssigkeit durch ein Rohr erhöht sich mit demRadius.
• Emobolien + Kavitation Das Xylem ist eine störungsanfällige Leitung, die zu Embolien neigt. Wenn Wasserhochgezogen werden soll (Transpirationssog), wird eine durchgängige Wassersäule benötigt. Luft kann in ein Rohr eindringen, sich ausdehnen und eine Blockade bilden, die dieWassersäule unterbricht, eine sogenannte Embolie. Eine Kavitation beschreibt den Prozess, bei dem eine Luftblase in ein Gefäß eindringt. Embolien können sich zwischen trachealen Elementen ausbreiten. Wasser kann durchTüpfelmembranen zwischen Gefäßen fließen, aber auch Embolien breiten sich über Tüpfelaus. Manche Tüpfel sind resistenter gegen Embolien als andere.

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