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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 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 Lichtklima Skript – p. 37 Titel Lichtklima

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

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

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

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

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

15 Vorlesung, 19. Okt 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 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 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 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 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 E m -2 s -1 Maximierung der Blattfläche 1

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

21 Vorlesung, 19. Okt 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 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 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 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 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 mE m -2 s -1 bzw. 200 nmol cm -2 s -1

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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


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