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Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 1 Ökophysiologie Biochemische und zellphysiologische Aspekte der Anpassung an Standortfaktoren Vorlesung im Blockkurs Pflanzenbiologie,

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Präsentation zum Thema: "Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 1 Ökophysiologie Biochemische und zellphysiologische Aspekte der Anpassung an Standortfaktoren Vorlesung im Blockkurs Pflanzenbiologie,"—  Präsentation transkript:

1 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 1 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, 19. Okt. 2012 - 2 5. Lichtklima Skript – p. 37 Titel Lichtklima

3 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 3 Strahlung global Skript – p. 38 Regionen mit intensivster Strahlung Strahlung global Relativ geringe "Spannweite"

4 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 4 Nettoprimärproduktion global Skript – p. 38 Regionen mit intensivster Strahlung Nettoprimärproduktion global 1 < 0.25 kg m -2 y -1 Auf dem Festland:

5 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 5 Nettoprimärproduktion global Skript – p. 38 Produktivste Zone: Tropen (Äquator) Auf dem Festland: Nettoprimärproduktion global 2 > 2 kg m -2 y -1

6 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 6 Nettoprimärproduktion global Skript – p. 38 Wenig produktiv: boreale Zone Auf dem Festland: Nettoprimärproduktion global 2 0.25-0.5 kg m -2 y -1

7 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 7 Nettoprimärproduktion global Skript – p. 38 Unproduktivste Zone: Tropen (Äquator) Auf dem Meer: Nettoprimärproduktion global 3 < 0.1 kg m -2 y -1

8 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 8 Nettoprimärproduktion global Skript – p. 38 Produktivste Zone: Arktis und Antarktis Auf dem Meer: Nettoprimärproduktion global 4 > 0.4 kg m -2 y -1

9 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 9 Die Wirkung von Pflanzenschatten (1) Skript – p. 39 PhAR gut ausgenutztDunkelrot nicht genutzt 730 nm660 nm Ein wenig Grün wird nicht genutzt! HR:DR-Verhältnis = Indikator für Pflanzenschatten! "Messinstrument" für HR:DR = Phytochrom! Wirkung von Pflanzenschatten 1

10 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 10 Die Wirkung von Pflanzenschatten (2) Skript – p. 39 730 nm660 nm HR:DR-Verhältnis = Indikator für Pflanzenschatten! Kein Schatten: HR:DR = 1.0 Heckenschatten: HR:DR = 0.5 Waldschatten: HR:DR = 0.1-0.2 Wirkung von Pflanzenschatten 2

11 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 11 Die Wirkung von Pflanzenschatten (3) Skript – p. 39 Exponentielle Abnahme mit zunehmendem Deckungsgrad m 2 Blattfläche pro m 2 Bodenfläche Dikotyledonen: Blätter horizontal, starker Lichtabfall Bäume: Mittlerer Lichtabfall Monotyledonen: Blätter vertikal, geringer Lichtabfall Wirkung von Pflanzenschatten 3

12 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 12 Die Wirkung von Pflanzenschatten (4) Skript – p. 39 laubfrei Laub Strahlung im Wald (am Boden des Bestandes) Globalstrahlung (ausserhalb des Bestandes) Möglichkeit für Escape! Strahlung im saisonalen Verlauf Wirkung von Pflanzenschatten 4

13 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 13 "Escape"-Strategie: Bärlauch Allium ursinum (Bärlauch), Liliaceen Escape-Strategie: Bärlauch nicht im Skript

14 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 14 "Escape"-Strategie: Buschwindröschen Anemone nemorosa (Buschwindröschen), Ranunculaceae Escape-Strategie: Waldmeister nicht im Skript

15 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 15 Sonnen- und Schattenblätter: Morphologie Skript – p. 40 Dickes Blatt; mehrschichtiges Palisadenparenchym; Chloroplasten stehen parallel zum einfallenden Licht Dünnes Blatt; einschichtiges Palisadenparenchym; Chloroplasten stehen senkrecht zum einfallenden Licht Sonnen- und Schattenblätter: Morphologie

16 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 16 Sonnen- und Schattenblätter: Chloroplasten Skript – p. 40 Schattenblatt: Funktionen der "Lichtreaktion" dominieren! Sonnenblatt: Funktionen der "Dunkelreaktion" dominieren! Grana: Photosysteme! Transitorische Stärke Sonnen- und Schattenblätter: Chloroplasten

17 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 17 Sonnen- und Schattenblätter: Physiologie Skript – p. 40 Licht-Kompensationspunkt Sättigung Steigung: Effizienz der Photosynthese (Quantenausbeute, ) Dunkel-Atmung (negativer Wert!)Reduktion des Licht-Kompensationspunkts! Sonnen- und Schattenblätter: Physiologie Entscheidend: Minimierung der Dunkel- Atmung

18 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 18 Minimierung der Dunkel-Atmung Skript – p. 41 Wachstumsrate (über Wochen!) Strahlungsintensität im Experiment "Dunkel-Schlaf" von Deschampsia Agrostis "verbraucht sich" im Dunkeln (negatives Wachstum!) Minimierung der Atmung

19 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 19 Skript – p. 41 Maximierung der Blattfläche (1) SLA ("specific leaf area") = Blattfläche pro investierter Biomasse > > < Zur Erinnerung: Volles Sonnenlicht = ca. 500 W m -2 bzw. 2000 E m -2 s -1 Maximierung der Blattfläche 1

20 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 20 Skript – p. 41 Maximierung der Blattfläche (2) LL = "low light" HL = "high light" > > Maximierung der Blattfläche 2

21 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 21 Skript – p. 41 Maximierung der Blattfläche (3) Sättigung "Kosten" der Maximierung der SLA: Sättigung wird früher erreicht! Maximierung der Blattfläche 3

22 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 22 Skript – p. 42 Maximierung der Lichtnutzung (1) Steigung: Effizienz der Photosynthese (Quanten- ausbeute, ) Die Effizienz der Lichtnutzung bei limitierendem Licht ist auch bei "Lichtpflanzen" sehr hoch! ----> keine weitere Steigerung möglich! Maximierung der Lichtnutzung 1

23 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 23 Skript – p. 42 Maximierung der Lichtnutzung (2) Aber: Klassisches Klimakammer-Experiment von Björkman - Ökotypen von Solidago von Sonnen- und Schattenstandorten, unter Sonnen- oder Schattenbedingungen gezogen Unter Sonnen- Bedingungen: Sättigung höher Unter Schatten- Bedingungen: Dunkelatmung geringer Entspricht den Erwartungen Unter Sonnen- Bedingungen: Sättigung tiefer Unter Sonnen- Bedingungen: Quantenausbeute geringer Entspricht nicht den Erwartungen! Maximierung der Lichtnutzung 2

24 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 24 Skript – p. 42 Maximierung der Lichtnutzung (3) Schattenpflanzen Sonnenpflanzen Pro Biomasse: mehr Investition in Chlorophyll! Pro Biomasse: weniger Investition in lösliches Protein! (d.h. z.B. RuBPC) Maximierung der Lichtnutzung 3

25 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 25 Skript – p. 43 Starklichtpflanzen: Das C4-Syndrom "Normale" Sonnenpflanze: Sättigung bei ca. 1/2 des vollen Sonnenlichts Spezialfall: Sättigung bei vollem Sonnenlicht nicht erreicht! C4-Syndrom Zur Erinnerung: Volles Sonnenlicht = ca. 500 W m -2 bzw. 2000 mE m -2 s -1 bzw. 200 nmol cm -2 s -1

26 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 26 Skript – p. 43 Kurzzeitmarkierung mit [ 14 C]CO 2 Nach 2 sec: 90 % der Radioaktivität in Glycerat-3-Phosphat (C3)! Nach 4 sec: 85 % der Radioaktivität in Malat/Aspartat (C4)! Kurzzeitmarkierung mit 14C-CO2

27 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 27 Skript – p. 44 Morphologie: Kranz-Anatomie bei C4-Pflanzen C3 C4 Kranz-Anatomie

28 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 28 Kranz-Anatomie bei Panicum bulbosum Dünnschnitt Kranz-Anatomie 1 nicht im Skript

29 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 29 Kranz-Anatomie bei Panicum effusum Dünnschnitt Kranz-Anatomie 2 nicht im Skript

30 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 30 Skript – p. 44 Chloroplasten-Dimorphismus bei C4-Pflanzen Mesophyll: Grana dominieren Bündelscheide: Stroma dominiert Chloroplasten-Dimorphismus

31 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 31 Skript – p. 44 C4-Pflanzen und CO 2 -Kompensationspunkt Entscheidend für C4: CO 2 -Kompensationspunkt ca. 1ppm!! T. oblongifolia bei "Kälte" (16°C) geschädigt! C4 und CO2-Kompensationspunkt

32 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 32 Ein "Stress Tolerator" aus dem "Death Valley" Arizona honeysweet, Tidestromia oblongifolia (Amaranthaceae) Tidestromia oblongifolia nicht im Skript

33 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 33 C3 und C4 bei Atriplex (Chenopodiaceae) Atriplex glabriuscula (C3)Atriplex sabulosa (C4) C3 und C4 bei Atriplex nicht im Skript

34 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 34 Wichtige C4-Kulturpflanzen Zuckerrohr (Saccharum officinarum), Poaceae Zuckerrohr (1) nicht im Skript

35 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 35 Wichtige C4-Kulturpflanzen Zuckerrohr (Saccharum officinarum), Poaceae Zuckerrohr (2) nicht im Skript

36 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 36 Wichtige C4-Kulturpflanzen Mais (Zea mays), Poaceae Mais nicht im Skript

37 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 37 Wichtige C4-Kulturpflanzen Mohrenhirse (Sorghum vulgare), Poaceae Sorghum nicht im Skript

38 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 38 Skript – p. 45 Biochemie des C4-Metabolismus Fixation von CO 2 (genauer: HCO 3 - ) Räumliche Trennung von Fixation und Assimilation Assimilation von CO 2 Wieder-Freisetzung von CO 2 Malat-Dehydrogenase PEP-Carboxylase Malat-Enzym Pyruvat-Phosphat-Dikinase Biochemie des C4-Metabolismus

39 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 39 Skript – p. 45 Varianten des C4-Metabolismus Interessant: drei verschiedene Wege in der Gattung Panicum! "Normalfall" gemäss Lehrbuch Varianten des C4-Metabolismus

40 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 40 Wichtige C4-Nutzpflanze/"Unkraut" Wilde Hirse (Panicum miliaceum), Poaceae Panicum miliaceum nicht im Skript

41 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 41 Wichtiges C4-Futtergras/"Unkraut" Guinea-Gras (Panicum maximum), Poaceae Panicum maximum nicht im Skript

42 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 42 Skript – p. 45 Pyruvat-Phosphat-Dikinase Komplexe Regulation! Am Tag: Enzym aktiv (Thr nicht phosphoryliert) Schritt 1: Phosphorylierung des aktiven Zentrums (Phosphat-Kinase) Schritt 2: Übertragung von P von His auf Pyruvat (Pyruvat-Kinase) In der Nacht: Enzym inaktiv (Thr phosphoryliert) (Enzym hat immer noch Phosphatkinase- Aktivität) PD-Regulator-Protein Pyruvat-Phosphat-Dikinase

43 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 43 Skript – p. 46 Vergleich C3-Pflanzen / C4-Pflanzen Vergleich C3/C4

44 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 44 Skript – p. 46 Wassernutzungskoeffizient Doppelt so gute Wasssernutzung wie C3! Zehnmal so gute Wasssernutzung wie C3! Wassernutzungskoeffizient

45 Vorlesung, 19. Okt. 2012 - 45 Skript – p. 46 Transpirationskoeffizient


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