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Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 1 Ökophysiologie Biochemische und zellphysiologische Aspekte der Anpassung an Standortfaktoren Vorlesung im Blockkurs Pflanzenbiologie,

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Präsentation zum Thema: "Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 1 Ökophysiologie Biochemische und zellphysiologische Aspekte der Anpassung an Standortfaktoren Vorlesung im Blockkurs Pflanzenbiologie,"—  Präsentation transkript:

1 Vorlesung, 17. Okt Ökophysiologie Biochemische und zellphysiologische Aspekte der Anpassung an Standortfaktoren Vorlesung im Blockkurs Pflanzenbiologie, Teil Ökophysiologie, Symbiose Thomas Boller Botanisches Institut der Universität Basel Hebelstrasse 1, 4056 Basel Gesamttitel

2 Vorlesung, 17. Okt Ionenklima: Nährstoffmangel, Salzstress Skript – p. 14 Titel Ionenklima

3 Vorlesung, 17. Okt Essentielle Nährstoffe Oxidierende Bedingungen: Im Boden NO 3 -, muss assimiliert werden! Im Boden SO 4 2- : muss assimiliert werden! Phosphat kaum löslich: Problem Verfügbarkeit! Oxidierende Bedingungen: Fe 3+, Mn 4+ kaum löslich: Problem Verfügbarkeit! Reduzierende Bedingungen: Fe 2+, Mn 2+ leicht löslich: Problem Bodentoxine! Essentielle Nährstoffe Skript – p. 15

4 Vorlesung, 17. Okt Mineralstoffe im Boden und in der Pflanze Rang 1: Si (Silizium) nicht essentiell (?) Rang 2: Al (Aluminium) nicht essentiell, eher toxisch Rang 3: Fe (Eisen) essentiell, oft limitierend (!!!) Mineralstoffe im Boden und in der Pflanze Skript – p. 15

5 Vorlesung, 17. Okt Nährstoff-Angebot und Bedarf Vorrat ausreichend: Problem = Verfügbarkeit Problem = Absoluter Mangel Skript – p. 15 Nährstoff-Angebot und Bedarf

6 Vorlesung, 17. Okt Verfügbarkeit von Stickstoff für die Pflanze 1 m = 10 dm 0.3 m = 3 dm Typische Biomasse- Produktion pro m 2 pro y: N-Gehalt = ca 20 g /kg TS >> Typischer N-Bedarf pro m 2 pro y: Vorrat im Boden pro L (>99% organisches N): N-Vorrat pro m 2 : Verfügbar als mineral. N (NH 4 + oder NO 3 - ) pro L: N verfügbar pro m 2 : 1000 g Agronomisch: 10 t pro ha 20 g 1 g 300 g Bodenvolumen pro m 2 : ca. 300 L g 0.3 g Reicht für 3 Tage!! Entscheidend: Mineralisation aus organischem N!! Reicht für 15 Jahre!! 1 m 2 Boden Verfügbarkeit von Stickstoff nicht im Skript

7 Vorlesung, 17. Okt Verfügbarkeit von Phosphor für die Pflanze 1 m = 10 dm 0.3 m = 3 dm Typische Biomasse- Produktion pro m 2 pro y: P-Gehalt = ca 2 g /kg TS >> Typischer P-Bedarf pro m 2 pro y: Vorrat im Boden pro L: P-Vorrat pro m 2 : Verfügbar als Phosphat in der Bodenlösung pro L: P verfügbar pro m 2 : 1000 g 2 g 0.7 g 210 g Bodenvolumen pro m 2 : ca. 300 L g g Reicht für 8 Stunden!! Entscheidend: Mobilisation von Phosphat aus Mineralien Reicht für 105 Jahre!! Agronomisch: 10 t pro ha 1 m 2 Boden Verfügbarkeit von Phosphor nicht im Skript

8 Vorlesung, 17. Okt Mineralstoff-Angebot und Pflanzen-Ertrag Mineralstoffe im Boden und in der Pflanze Mineralstoff-Angebot (g pro L Bodenlösung) Ertrag (kg pro m 2 ) Makro-Nährstoff (z.B. N, P, K) Toxisches Element (z.B. Cd, As, Co) Mikro-Nährstoff (z.B. Cu, Fe, Mn) Skript – p. 15

9 Vorlesung, 17. Okt Transport vom Boden zur Pflanze Symplastischer Weg Kontrollierte Aufnahme in den Symplasten Kontrollierte Abgabe ins Xylem Kontrollierte Aufnahme in den Symplasten Kontrollierte Abgabe ins Xylem Apoplastischer Weg Der Caspary-Streifen blockiert den apoplastischen Weg und erzwingt den symplastischen Weg! Apoplastischer Xylem-Fluss Transport vom Boden zur Pflanze 1 Skript – p. 16

10 Vorlesung, 17. Okt Transport vom Boden zur Pflanze Vorrat ausreichend - Problem = Verfügbarkeit Lösungsmöglichkeit: Mobilisierung von Nährstoffen Wurzel-Exudate Transport vom Boden zur Pflanze 2 Skript – p. 16

11 Vorlesung, 17. Okt Ausscheidung von H + bei Eisenmangel Auscheidung von Säure, nachgewiesen mit Farb-Indikator (Bromkresolpurpur) Ausscheidung Protonen / Eisenmangel Skript – p. 16

12 Vorlesung, 17. Okt Beispiele für die Nährstoff-Mobilisierung Auscheidung von Säuren Auscheidung von Chelat- Bildnern: Phytosiderophoren Beispiele Nährstoff-Mobilisierung Skript – p. 16

13 Vorlesung, 17. Okt Biphasische Kinetik des Nährstofftransports Hochaffines Transportsystem: K m = 0.03 mM V max V max /2 V max V max /2 Niedrigaffines Transportsystem: K m = 10 mM Biphasischer Nährstofftransport Skript – p. 16

14 Vorlesung, 17. Okt Problem der Verfügbarkeit von Ionen Saure BödenBasische Böden Problem Verfügbarkeit von Ionen 1 Skript – p. 17

15 Vorlesung, 17. Okt Problem der Verfügbarkeit von Ionen Problem Verfügbarkeit von Ionen 2 Skript – p. 17

16 Vorlesung, 17. Okt Kalk- und Silikatpflanzen Bewimperte Alpenrose, Rhododendron hirsutum Kalkzeiger Rostblättrige Alpenrose, Rhododendron ferrugineum Säurezeiger Alpenrosen / Kalk- und Silikat nicht im Skript

17 Vorlesung, 17. Okt Kalk- und Silikatpflanzen Clusius' Enzian Gentiana clusii Kalkzeiger Koch'scher Enzian Gentiana acaulis Säurezeiger Enziane / Kalk- und Silikat nicht im Skript

18 Vorlesung, 17. Okt Kalk- und Silikatpflanzen Alpensoldanelle Soldanella alpina Kalkzeiger Zwerg-Soldanelle Soldanella pusilla Säurezeiger Enziane / Kalk- und Silikat nicht im Skript

19 Vorlesung, 17. Okt Kalk- und Silikatpflanzen Weisse Alpenanemone Pulsatilla alpina Kalkzeiger Schwefel-Anemone Pulsatilla apiifolia Säurezeiger Anemonen / Kalk- und Silikat nicht im Skript

20 Vorlesung, 17. Okt Depletionszone bei der Phosphataufnahme Wurzel-Querschnitt Wurzelhaar-Bereich: Ausdehnung der Depletionszone Mit Mykorrhiza: Weitere Ausdehnung der Depletionszone Depletionszone Skript – p. 17 Ohne Wurzelhaare: Ausnützung von P nur ca. 0.5 mm um Wurzel herum!

21 Vorlesung, 17. Okt Symbiontische Stickstoff-Fixation Symbiontische Stickstoff-Fixation 1 Skript – p. 18

22 Vorlesung, 17. Okt Symbiontische Stickstoff-Fixation Aufnahme von Dicarbonsäuren (z.B. Succinat, Malat) Sauerstoff-Zufuhr und Sauerstoff-Schutz! Nitrogenase Abgabe von reduziertem N Symbiontische Stickstoff-Fixation 2 Skript – p. 19

23 Vorlesung, 17. Okt Bedeutung der Mykorrhiza Ohne Mykorrhiza: schlechterer Start Ohne Mykorrhiza: frühere Wachstumsreduktion Bedeutung der Mykorrhiza Skript – p. 18

24 Vorlesung, 17. Okt Mykorrhizierung und Phosphat-Düngung Bei hohem Phosphatangebot ist Mykorrhiza negativ Optimaler Bereich der Förderung Mykorrhizierung und Phosphat-Düngung Skript – p. 19

25 Vorlesung, 17. Okt Mykorrhizierung und Phosphataufnahme Mykorrhizierung und Phosphat-Aufnahme Skript – p. 18

26 Vorlesung, 17. Okt Wurzelwachstum und ungleiche Ressourcen Im Boden: Bereich von erhöhtem Nitrat Angebot (1 mM) Fragen: Perzeption Transduktion Response Wahrnehmung der Nitrat-Gefälles Meldung an Meristeme Vermehrte Seitenwurzel Bildung Wurzelwachstum und ungleiche Ressourcen Skript – p. 19

27 Vorlesung, 17. Okt Salzstress: Glykophyten und Halophyten Beispiel: Suaeda maritima Halophyt: wächst bei Versalzung besser! Toleranter Glykophyt Beispiel: Zuckerrübe Sensitive Glykophyten Beispiele: Baumwolle, Bohne Salzstress: Glykophyten und Halophyten Skript – p. 20

28 Vorlesung, 17. Okt Suaeda maritima (Strand-Sode) Suaeda maritima Bild aus dem Internet

29 Vorlesung, 17. Okt Suaeda maritima (Strand-Sode) Suaeda maritima Bild aus dem Internet

30 Vorlesung, 17. Okt Anpassungen an Salzstress "Avoidance": inneres Milieu bleibt salzfrei "Tolerance": Salz wird aufgenommen Problem: WassermangelProblem: Ionentoxizität Anpassungen an Salzstress Skript – p. 20

31 Vorlesung, 17. Okt Anpassung an Salzstress: Wasserpotential bar bar bar bar bar Pro memoria: 1 M osmotisch aktive Stoffe = 1 osM = 22.4 bar x100 = 220 mosM = 5 bar Falls das Blatt kein Salz enthalten darf, braucht es andere Osmotika! Wasserpotential-Situation bei Salzstress Skript – p. 21

32 Vorlesung, 17. Okt "Kompatible" Osmotika Skript – p. 21

33 Vorlesung, 17. Okt Bedeutung von kompatiblen Osmotika Analyse von cytoplasmatischen Enzymen eines Halophyten mit NaCl mit Prolin Schlussfolgerung: Auch Halophyten brauchen im Cytoplasma kompatible Osmotika Bedeutung von kompatiblen Osmotika Skript – p. 21

34 Vorlesung, 17. Okt Salzdrüsen Skript – p. 22

35 Vorlesung, 17. Okt Tamariske mit Salzdrüsen Tamariske: Salzdrüsen nicht im Skript

36 Vorlesung, 17. Okt Atriplex halimus mit Blasenhaaren Atriplex: Habitus nicht im Skript

37 Vorlesung, 17. Okt REM-Aufnahme von Blasenhaaren Atriplex: Blasenhaare nicht im Skript

38 Vorlesung, 17. Okt Ionenstress: Toxizität von Ionen Skript – p. 22

39 Vorlesung, 17. Okt Skript – p. 23 Phytochelatine

40 Vorlesung, 17. Okt Skript – p. 23 Vorläufer der Phytochelatine: Glutathion Glycin Cystein Glutamin- säure Glutathion

41 Vorlesung, 17. Okt Metallophyten Skript – p. 24

42 Vorlesung, 17. Okt Beispiele von Metallophyten Viola calaminare (Violaceae) und Thlaspi calaminare (Brassicaceae), zwei "Galmei-Pflanzen" in Deutschland Viola calaminare, Thlaspi calaminare (Zink-Hyperakkumulatoren) nicht im Skript

43 Vorlesung, 17. Okt Beispiele von Metallophyten Minuartia verna (Caryophyllaceae), Blei-Hyperakkumulator in Rumänien Minuartia verna (Blei-Hyperakkumulator) nicht im Skript

44 Vorlesung, 17. Okt Beispiele von Metallophyten Jasione montana (Campanulaceae) auf Arsen-Böden in England Jasione montana (Arsen-Hyperakkumulator) nicht im Skript

45 Vorlesung, 17. Okt Beispiele von Metallophyten Psychotria douarrei (Rubiaceae) auf Nickel-Böden in Neukaledonien Jasione montana / Arsen nicht im Skript

46 Vorlesung, 17. Okt Beispiele von Metallophyten Pearsonia metallifera (Fabaceae), Chrom-Hyperakkumulator in Zimbabwe Pearsonia metallifera (Chrom-Hyperakkumulator) nicht im Skript

47 Vorlesung, 17. Okt Beispiele von Metallophyten Astragalus racemosus (Fabaceae), Selen-Akkumulator in den U.S.A. Astragalus racemosus (Selen-Hyperakkumulator) nicht im Skript


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