Agrarbiotechnologie (Fach) / Vorlesungen 11-... WS 15/16 (Lektion)

Diese Lektion wurde von bosni erstellt.

Lektion lernen

zurück  |  weiter 1 / 2

• Reaktionsgleichungen Photosynthese Photosynthese vs. Dissimilation Photosynthese/Assimilation von Glucose 6 CO2 + 12 H2O → Glucose (C6H12O6) + 6 H2O + 6 O2 Δ G°' = + 2872 kJ/mol Glucose → stark endergonisch Respiration/Dissimilation von Glucose Glucose (C6H12O6) + 6 H2O + 6 O2 → 6 CO2 + 12 H2O Δ G°' = - 2872 kJ/mol Glucose → stark exergonisch
• zentrale Abschnitte der Dissimilation 1. Freisetzung von Reduktionsäquivalenten - CxHyOz → ye- + yH+ + xCO2 2. Reduktion von O2 zu H2O (Atmung) - 2e- + 2H+ + 0,5 O2 → H2O
• Abschnitte der Dissimilation von Zuckern Glycolyse Pyruvat-Oxidation Citratzyklus Atmungskette Pentasephosphatweg
• Dissimilation von Zuckern - Glykolyse wesentliche Fakten zu einzelnen Abschnitten Embden-Meyerhof-Parnas-Weg Lokalisiert im Cytoplasma Umwandlung Glucose unter anaeroben Bedingungen Gesamtreaktion: Glucose + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ → 2 Pyruvat + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O Δ G°'= - 80 kJ/mol Glucose Funktionen: Abbau von Glucose zwecks ATP Gewinnung Bereitstellung von Bausteinen für Synthesereaktionen
• Dissimilation von Zuckern - Glykolyse Oxidative Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl- CoA Erfolgt in den Mitochondrien Verbindung zwischen Glycolyse und Citratzyklus Gesamtreaktion: C3 Körper wird Decarboxylisiert Pyruvat + CoA + NAD+ → Acetyl-CoA + CO2 + NADH → irreversibel Enzyme E1, E2, E3 es gibt 4 Teilreaktionen
• Citratzyklus - Zitronensäurezyklus = TCA Cycle = Krebs Zyklus Lokalisiert in den Mitochondrien Reaction summary Acetyl-CoA → 2 CO2 Energy yield: 1 ATP 3 NADH 1 FADH2 Funktionen: vollständige Oxidation von Acetyl-CoA zwecks ATP Gewinn Bereitstellung von Bausteinen für Synthesereaktion
• Dissimilation - Atmungskette Oxydative Phosphorylierung → Atmung oder Respiration → membrangebundenes Elektronentransportsystem oder Atmungskette → ATP erzeugender Prozess → in den Mitochondrien Reaktion: NADH + 0,5 O2 + H+ → H2O + NAD+ Δ G°' = - 220 kJ/mol Funktionen: Übertragung der Elektronen von Reduktionsäquivalenten auf O2 ATP-Synthese → 30 ATP pro Glukose
• Dissimilation - Atmungskette Regulation der Dissimilation von Glucose Fazit: Die Dissimilation von Glucose unterliegt einer komplexen Regulatuion Häufig sind des die Endprodukte, die vorhergehende Schritte inhibieren bottom-up Regulation → Anpassung an Biosynthesebedarf → Auswirkung auf Phloem-Transport
• Dissimilation - Atmungskette Lichtatmung und Dunkelatmung Lichtatmung Ist mehrfach stärker als Dunkelatmung Findet in assimilierenden Zellen statt Hat eine höhere Affinität zu O2 Wird durch CO2 gehemmt und durch O2 stimuliert Geht zurück auf Oxygenase-Reaktion der RubisCO und die Entgiftung des entstehenden Glycolats Dunkelatmung Setzt sich aus Glycolyse, Citratzyklus und Atmungskette zusammen
• Dissimilation - Gärung Gärung(anerobe Dissimilation) Gärung findet in Abwesenheit von Sauerstoff statt (z.B in überfluteten Wurzeln oder Samen) Die Gärung ist ein ATP-erzeugender Prozess, in dem organische Verbindungen sowohl Elektronendonoren als auch – akzeptoren sind. Milchsäuregärung: Glucose + 2 ADP + 2 Pi → 2 Lactat + 2 ATP + 2 H2O Δ G°'= -197 kJ/mol Glucose Alkoholische Gärung: Glucose + 2 ADP + 2 Pi + 2 H+ → 2 Ethanol + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2O Δ G°' = - 234 kJ/mol Glucose alkoholische Gärung ist von größerer Bedeutung für Pflanzen
• Anzeige
• Dissimilation - Der oxidative Pentosephosphatweg = Hexosemonophosphatweg = oxidativer Gluconatphosphatstoffwechsel Lokalisiert im Cytoplasma und in Plastiden Gesamtreaktion: Glucose-6-P + 2 NADP+ + H2O  Ribose-5-P + 2 NADPH + 2 H+ + 2 CO2 Bilanz:aus 3 C5-Körpern werden 2C6-Körper  und 1 C3-Körper Funktionen: Bereitstellung von NADPH Bereitstellung von Ribose für Biosynthesen (DNA, RNA, Coenzyme)
• Dissimilation - Chomiosmotische Hypothese → Peter Mitchell 1961: Durch Aufbau eines Protonengradienten werden Oxidation und Phosphorylierung über die innere Mitochondrienmembran miteinander gekoppelt Protonenpotential: - 250 mV
• Phytohormone - wesentliche Merkmale Extrazelluläre Botenstoffe Syntheseort u Wirkungsort können unterschiedlich sein kontrollieren Pflanzen Wachstum und Entwicklung sehr niedrige Wirkstoffkonzentration Anwendung als Biopharmazeutika
• Phytohormone - Auxin Ausgansmolekül: Tryptophen oder Indol Syntheseort: in schnell teilenden, wachsenden Gewebe Apikalmeristem der Sprossspitze und auch der Wurzel, in jungen Blättern Transport: lange Strecken im Phloem (über Gradienten) kurze Strecken (Zelle zu Zelle) polarer Transport (lokale Konzentrationsgradienten) Funktion/Wirkung: Regulation Wachstum und Entwicklung (Zellen, Embryonalentw, Organanlagen) Einfluss auf Morphologie (Blattanlagen, Blattstellung, Wurzelachitektur) Hormonanaloga: NAA(Napthalen Essigsäure): Frucht ohne Bestäubung, Wurzelentw. Zierpflanztriebe
• Phytohormon - Gibberellin Ausgangsmolekül: Diterpenen Syntheserort: Wurzel-, Sprossmeristem, unreife Samen/Früchte, junge Blätter Wirkung Stimulierung Spross-Längenwachstum, Samenkeimung Auslösung Blütenentwicklung Pflanzenbau: Wachstumsverkürzer - Einsatz inhibitoren Gibberellin Synthese Halmverkürzung, Halmverdickung, Wurzelwuchs -> Standfestigkeit Wirkstoffe: Prohexadion-Calcium, Mepiquatchlorid Einsatz Fruchtentwicklung
• Phytohormon - Cytokinine Ausgangsmolekül: ADP Biosyntheseort: Wurzelspitzen, Gewebe mit sich teilenden Zellen (jungeBlätter, Stängel, Blütenknospen, entw. Samen) Transport: von Wurzelspitze über Xylem Wirkung: Zellteilungshormon, Regulation Wachstum/Knospenbildung, Anti-Seneszens Hormonanalog: Kinetin
• Phytohormon - Abscisinsäure Ausgangsmolekül: Phytoen Syntheseort: Blätter, Wurzeln, reife Früchte Transport: Xylem Wirkung: inhibiert Blütenbildung (Antagonist Gibberellin), inhibiert Seitenwurzelwuchs (Antagonist Auxin) Bedeutung Samenentw./Samenruhe Stresshormon (Trocken-,Salz,Kältestress,Phatogene) Stomataschluss bei Wassermangel
• Phytohormon - Brassinosteroide Ausgangsmolekül: Squalen Syntheseort: stark wachsendes Gewebe wie Spross und Wurzel Knospen, Pollen, unreife Samen Synthese lichtreguliert, hemmt sich selbst (Autoregulation) Funktion: Zellwachstum/Zellteilung (synergistisch mit Auxin) längswachstum bei etiolierter Keimlingen Antagonist des Auxin bei Photo-/Gravitropismus Transport: nicht viel bekannt - Wirkung eng an Syntheseort
• Phytohormon - Ethylen Ausgangsmolekül: Methionin Wirkung: Reifungshormon -> Samenreifung, Fruchtbildung, Fruchtreifung, Fruchtfall, induziert Seneszens Stresshormon -> Sauerstoffmangel, Wassermangel,Hitzestress inhibiert Auxin-induziertes Spross-,Wurzellängenwachstum stimuliert Blütenentwicklung Kommerzielle Anwendung: Ernte unreife Früchte, Lagerung kühl in CO2 Atmosphäre, Ethylbegasung induziert Fruchtreife Wirkstoff: Etaphon zur chemischen Freisetzung Ethylen im Lager Etaphon zur induktion Blütenbildung Etaphon als Wachstumshemmer bei Gerste und Roggen AVG - EthylenHemmstoff - Haltbarmachung Schnittblumen MCP - EthylenHemmstoff - Unterdrückung Alterung
• Phytohormon - Jasmonsäure Ausgangsmolekül: ausgehend von Fettsäure -> Linolensäure Syntheseort: junge Blääter, in sich entwicklenden Organen (Blüten,Samen,Wurzeln) Wirkung: Entwicklungshormon: Blüten-,Samen-,Wurzel-,Blattentwicklung involviert in Blattalterung (Synthese Proteine für Abbauprozess) involviert in Stressantwort nach Verletzung, Pathogenbefall Reaktion erfolgen reguliert mit Ethylen Induktion Synthese zur Reperatur und Fraßschutz
• Transgene Pflanzen - Herbizidtoleranz - Definiton Herbizide Chemische Verbindungen zum Abtöten von Unkräutern, bestehen aus Inhibitoren mit unterschiedlichen Zielorten (Photosynthese, Zellteilung,...)
• Transgene Pflanzen - Herbizidtoleranz Beschreibe ein Breitbandherbizid und die Herbizidtoleranz der Kulturpflanzen Glufosinat-Phosphinothricin Hemmung der Glutaminsynthase Entstehung/ Ansammlung von Ammoniak Herbizidtoleranz: Expression des Gens für PAT (Enzym) PAT überträgt seine Acetylgruppe auf Phosphinothricin und bewirkt seine Inaktivierung
• Transgene Pflanzen - Herbizidtoleranz Beschreibe ein Totalherbizid und die Herbizidtoleranz der Kulturpflanze Glyphosat ("Roundup") verteilt sich bis in Wurzel Hemmung der Biosynthese von aromatischen AS (alle essentiell!) durch Inhibierung der EPSPS komplette Pflanze stirbt ab bekanntestes Mittel auf der Welt Herbizidtoleranz: Expression von EPSPS aus Agrobakterium mit Punktmutation (Austausch einer AS) Glyphosat kann nicht mehr an EPSPS binden uns ist wirkungslos
• Transgene Pflanzen - Herbizidtoleranz Welche Hintergründe haben die Entwicklung und der Einsatz herbizidtoleranter Pflanzen? Minimierung der Bodenbearbeitung Energie- und Kostenersparnis Bodenschonung, steigende Humusanereicherung Verminderte Freisetzung von CO2 Verminderter Herbizidaufwand
• Transgene Pflanzen - Schädlingsresistenz Nenne einen häufig genutzten Gegenspieler von Insekten (Mais, Baumwolle) Bacillus thuringiensis (B.t.) insektenpathogenes Bakterium gram positive Stäbchen ca. 200.000 Endotoxine einfache Vermehrung insektenpathogene Substanzen: cry Proteine: (cytolytisch) treffen auf spezifische Rezeptoren im Mitteldarm (der Insekten) Aktivierung durch Proteasen (des Insektes) Bildung von Poren in Epithelzellen Lyse (Auflösung) der Zelle, Tod des Insektes cyt-Toxine (kristallin) direkte Interaktion mit Membranlipiden Lyse der Zelle, Tod des Insektes soganannte pore forming toxins
• Transgene Pflanzen - Schädlingsresitenz Auf welche Art werden Gegenspieler in transgenen Pflanzen genutzt? (z.B. B.t.) Fusion eines Cry-Gens mit konsitutivem Promotor Expression des Gens in der gesamten Pflanze Biosynthese des Cry-Proteins verwendet: erstmals/ hautpsächlich bei Baumwolle "Bollgard Baumwolle...." (in Indien, USA, China..) B.t. Mais (v.a.gegen Maiszünsler und Maiswurzelbohrer) (USA) B.t. Kartoffel Pappel
• Transgene Pflanzen - Schädlingstoleranz Was resultiert (negativ) aus den Insektenresistenzen der Pflanzen? Lösung? Insektizidresistenz (bei Insekten) hoher Selektionsdruck (bewirkt Resistenzbildung bei Schaderregern) direkte Resistenz (Mutation des Targets) Shifting: Anpassung- Katabolismus (Giftabbau) Lösungsansatz: Refugienstrategie - etwa 10% nicht resistente transgene Pflanzen im Bestand, nimmt Selektionsdruck, unterstützt Paarung mit nicht Resistenten Schädlingen
• Transgene Pflanzen - Pathogenresistenz Resistenz gegen welche Pathogene? Viren Bakterien (Prokaryoten) Pilze (Oomyceten)
• Transgene Pflanzen - Pathogenresitenz Prinzipien/ Ansätze zur Erzeugung von Resistenzen gegen Viren Übertragung von Resistenzgenen (aus widerstandsfähigen Wildarten) Pathogen-basierte Resistenz (Übertragung eines Gens aus dem Virus, besserer Schutz bei zukünfitger Infektion; "Immunisierung" Plantibodies (Expression tierischer Antikötpergene in Pflanzen) Post-transcriptional gene silencing (PTGS) (Posttranskriptionelle Genstilllegung)
• Transgene Pflanzen - Pathogenresitenz Pathogen-basierte Resistenz (Bsp. gegen Ringspot Virus der Papaya) Bspw. gegen Ringspot Virus der Papaya Pathogen basierte Resistenz durch Expression des Virus-Hüllproteins Ursache ist gestörtes Virus-diassembly (Abbau des Hüllproteins und Entfaltung des RNA-Strangs) Übertragung eines Gens aus dem Virus -> besserer Schutz bei zukünftiger Infektion Ähnlichkeit zur Kreuzresistenz wird durch milde Viren induziert (Präimunisierung) Infektion mit geringem krankheitserregenden Stamm führt zur Resistenz gegenüber weiterem heftigen Virenbefall zur ersten Infektion sind nicht komplette Viren nötig (es reichen ihre Hüllproteine, die dessen Erbinformation tragen) Klonierte Hüllprotein-DNA wird in pflanze eingebaut -> Virusresistenz
• Anzeige
• Transgene Pflanzen - Pathoghenresistenz Transgene Resistenz mittel PTGS (Bsp. gegen Bean Golfen Mosaic Virus(BGMV) Krankhiet Buschbohnen in Brasilien) pw. gegen Bean Golfen Mosaic Virus (BGMV) (Krankheit Buschbohne in Brasilien) Post-transcriptional gene silencing = porsttranskriptionelle Genstilllegung Abwehrmechanismus, welcher den Abbau viraler RNA bewirkt und so den Vermehrungszyklus des Virus unterbricht Expression virusspezifischer doppelssträngiger RNA Doppelstrang RNA wird in Pflanzenzelle von spez Enzymen in kleine Fragmente zerlegt Fragmente induzieren Hemmung der Genexpression (RNA-Interferenz) nach Bildung eines Enzymkomplexes (RISC) RISC degradiert mRNA und verhindert ihre Translation
• Transgene Pflanzen - Pathogenresistenz Übertragung natürlicher Resistenzgene (Bsp. Resistenzgen Apfelschorf) Bspw. Resistenzgen für Apfelschorf Resistenzgen und Promotor werden aus Wildapfel kloniert und in kommerzielle Sorte übertragen
• Transgene Pflanzen - Pathogenresistenz Welche agronomische Relevanz haben die Pathogenresistenten Pflanzen aus den Beispielen? Ringspotvirus der Papaya (pathogen-basierte Virenresistenz) Pflanzen/Produkte zum Verkauf zugelassen ohne besondere Kennzeichnung (nur in Japan gekennzeichnet Bean Golfen Mosaic Virus (PTGS - post-transcriptional gene silencing) Sicherheitszulassung erteilt - Sortenzulassung beantragt Apfelschorf (natürliche Resistenzgene) Konzepte in Entwicklung und für Grundlagenforschung Zitrusvergrünung (Plantbodies) Konzepte in Entwicklung und für Grundlagenforschung
• Transgene Pflanzen - Pathogenresistenz Plantibodies (Bsp. gegen bakterielle Zitrusvergrünung) Bspw. gegen bakterielle Zitrusvergrünung Überexpression pflanzlicher Abwehrgene: PR-Proteine Plantibodies- Expression tierischer Antikörper in Pflanzen (Kombi aus plant und antibodies, Herstellung von Säugetier-Antikörpern in genetisch veränderten Pflanzen)
• Transgene Pflanzen - Stresstoleranz Stress: Definition, Typen, Faktoren = jede ungünstige Bedingung oder Substanz die den Metabolismus, das Wachstum oder die Entwicklung der Pflanze beeinträchtigt 2 Typen von Stress Eustress, führt zu Abhärtung Distress, führt zu Krankheit bis Tod Stressfaktoren Faktoren von außen oder durch Organismus selbst ausgelöst biotische oder abiotische Faktoren
• Transgene Pflanzen - Stresstoleranz Allgemein: wovon ist Stressbewältigungsfähigkeit einer Pflanze abhängig? Toleranz/Sensitivität bestimmt ob positive(Eustress) oder negative(Distress) Auswirkungen abhängig von Alter/Phase, Vorbelastung, Anzahl Stressfaktoren gleichzeitig Dauer der Einwirkung ausschlaggebend
• Transgene Pflanzen - Stresstoleranz Wie reagiert Pflanze allgemein auf Stress? Pflanzen sind an Stress (eher mehrere Stressfaktoren auf einmal) gewöhnt (->Evolution) Spezifische Mechanismen detektieren und reagieren auf Umweltbedingungen Aktivierung Stressbewältigung Schädigungen minimieren, Ressourcen für Wachstum und Reproduktion schonen
• Transgene Pflanzen - Stresstoleranz Reaktion durch Stress auf molekularer Ebene Überproduktion reaktiver Sauerstoff (ROS)/ -Stickstoffspezies (RNS) (->hochgradig toxisch) ROS: H2O2 (Wasserstoffperoxid) RNS: N2O3 (Distickstofftrioxid)
• Transgene Pflanzen - Stresstoleranz Warum kommen ROS auch so in Pflanze vor? Wie werden Sie abgefangen? ROS werden auch ohne Stress gebildet, in Mitochondrien, Zellwand, ER, Chloroplastals Zwischenprodukte von Reaktionen oder Botenstoffe) komplexe anti-oxidative Verteidiegung enzymatischer/nicht enzymatischer Natur um ROS abzufangen (Scavenger-Mechanismus) in Chloroplasten, Mitochondrien, Peroxisomen (enge koordination) Konzentration toxischer Stoffe niedrig halten (außer Botenstoffe)
• Transgene Pflanzen - Stresstoleranz Bedeutung nicht-enzymatische Komponenten antiox. Verteidigungssysteme Ascorbat, Glutathion, Caratinoid, Phenolische Verbindungen reagieren mit zahlreichen zellulären Komponenten herausragende Bedeutung in Stressresistenz Co-Faktoren für Enzyme essentiell für Pflanzenwachstum und Entwicklung Mutanten mit reduzierten Gehalten sind stressanfälliger
• Transgene Pflanzen - Stresstoleranz wann nutzt Pflanze ROS: H2O2 als Botenstoff Regulation Photosynthese Verteidigung gegen Pathogene Kontrolle Genexpression Messenger Pflanze mit Bakterien oder Pilzen zur Bildung Stickstofffixierender Knöllchen oder Mycorrhizen
• Transgene Pflanzen - Stresstoleranz Auswirkungen Oxidativer Stress auf Pflanze Ungleichgewicht ROS und Mechanismen zur Entgiftung und Reperatur von ROS Schäden Weitere Peroxide/Radikale bildung führt zur Zerstörung aller Zell-Kompartimenten (auch Proteine, Lipide, DNA)
• Transgene Pflanzen - Stresstoleranz Schritte des Signal-transduktions-Wegs, der durch kombinierte Stressfaktoren aktiviert wird Kombination aus abiotischem- und biotischem Stress Wahrnehmungsvorgönge (Osmorezeptoren, Pathogen-erkennende Rezeptoren) Signalübermittler (MAP-Kinase-Weg, ROS-Bildung, Hormone) Induktion stressbedingter Transkriptionsfaktoren (posttranskriptionale Regulation) Expression funktioneller downstream response genes; Schutzmechanismen (Posttranskriptionale Regulation) Stresstoleranz, -resistenz
• Transgene Pflanzen - Stresstoleranz Ansätze zur Herstellung transgener Pflanzen mit verbesserter Stresstoleranz Nutzung von Potentialen - Landrassen, teilweise z.B. höhere Wassernutzungseffiziens Antioxidatives Verteidigungssystem  nutzen zur erhöhung Stresstoleranz Vermeidung Nährstoffstress - Aufnahme und Nutzung verbessern (z.B. bei von Stickstoff und Eisen) [moderner] microRNAs: wichtig bei Nährstofftransport, Auxin Hoeostasis [moderner] Epigenetik: Regulation der Expression von Stress-Genen könnte vererbt werden - Vererbbares Stressgedächtnis
• Rhizosphäre - Definition Bereich des Bodens, um die Wurzel, der physikalisch, chemisch, biologisch von der Pflanze beeinflusst wird.
• Rhizosphäre - Definition Rhizoplane Wurzeloberfläche als Lebensraum für Mikroorganismen
• Rhizosphäre - Was sind Epiphyten, was sind Endophyten? Epiphyten - Mikroorganismen, die die Oberfläche der Pflanze besiedeln Endophyten - Mikroorganismen, die das Innere der Pflanze besiedeln
• Rhizosphäre - Rhizosphäreneffekt Merkmale Rhizosphäre im Vergleich zu nicht durchwurzelten Boden: sehr hohe Anzahl an Mikroorganismen (10-10000x höher als im Rest des Bodens) Andere Arten zusammensetzung der Mikroorganismengemeinschaft als im Rst des Bodens geringere Diversität der Arten an der Wurzel - bestimmte Arten werden angelockt komplexe Wechselwirkung zwischen Pflanze und Mikroorganismen in Rhizosphäre mit einer positiven Gesamtwirkung für die Pflanze
• Rhizosphäre - Rhizodeposition Abgabe organischer und anorganischer Verbindungen von der Wurzel in den Boden Mikroorganismen anlocken, Symbionten versorgen mit Photosynthese Produkten Arten: u.a. Schleimsekretion, Sekretion löslicher Wurzelexsudate, C-Verbindungen aus absterbenden Zellen (aus Rinde/Epidermis)
• Rhizosphäre - Wurzelexsudate 2 Klassen und ihren wichtigsten Substanzen Hochmolekulare Substanzen: Polysaccharide und Proteine, als Bestandteil der Schleime (Mengenmäßig größerer Anteil) Niedermolekulare Substanzen: AS, org. Säuren, Zucker, Vitamine, Pheole nidermolekulare Substanzen werden bevorzugt von Mikroorganismen metabolisiert.

zurück  |  weiter 1 / 2