Pflanzenphysiologie Heute: Vreni Wiemken Frühjahrsemester 2010 Titel Pflanzenphysiologie Heute: Vreni Wiemken Frühjahrsemester 2010 Montag, 8 – 10 www.plantbiology.unibas.ch/teaching/pflanzenphysiologie/index.htm Dass ich erkenne, was die Welt Im innersten zusammenhält, Schau alle Wirkungskraft und Samen ...

Ankündigung Exkursionen Programm der Feldstudien für die nächsten drei Wochen Mi Do

5. Juni 2010: Ganztägige Exkursion zu den Murgseen

5. Juli 2010: Ganztägige Exkursion zu den Murgseen

Symbiose als Lebensprinzip Skript - p. 103

Beispiele von Symbiosen Beispiele von Pflanzen-Symbiosen Übersicht aus der Vorlesung "Pflanzliche Symbiosen". Hier werden einige Beispiele präsentiert. Skript - p. 104

Pflanzen-Bakterien-Symbiosen ausgefüllt Knöllchen-Symbiose: Fabaceen und Rhizobium Wurzelhals-Gallen: Agrobacterium Nicht bekannt Skript - p. 104

Mutualistische Symbiosen Bakterien-Pflanzen: Knöllchen-Symbiose Mutualistische Symbiosen Bakterien-Pflanzen: Beispiel Knöllchen-Symbiose (Rhizobien-Fabaceen) Photosynthese-Produkte der Pflanze Fixierter Stickstoff des Bakteriums Fair trade Wurzelknöllchen: enthält Bakterien Bilder aus dem Internet

Rhizobien-Leguminosen-Symbiose Knöllchen-Symbiose zwischen Rhizobium und Fabaceen Stickstoff-Fixierung im Symbiosom Entwicklung des Knöllchens Infektions- schlauch Flavonoid Crosstalk 2: Bakterium produziert Nod-Faktoren Nod-Faktor Crosstalk 1: Pflanze produziert Flavonoide Skript - p. 105

Crosstalk 1: Flavonoide Bei Stickstoffmangel scheidet die Wurzel Flavonoide in die "Rhizosphäre" aus Skript - p. 105

Crosstalk 1: Wirkung der Flavonoide Bakterien werden an der Wurzelhaarspitze angeheftet (durch pflanzliche Lectine) Flavonoide induzieren die nod-Gene: Biosynthese der Nod-Faktoren Flavonoide locken die Rhizobien an (Chemotaxis) Skript - p. 105

Crosstalk 2: Nod-Faktoren Fakultative Dekoration: Sulfat, Fucose, Arabinose etc. Synthese: Nod-Gene(NodHK...YZ) Rückgrat: Chitin-Bruchstück (4x oder 5x N-Acetylglucosamin) Synthese: Nod-Gene(NodABC) Obligatorische Dekoration: Fettsäure Synthese: Nod-Gene(NodEFG ...) Skript - p. 105

Infektionsschlauch, Bildung von Symbiosomen Crosstalk 2: Wirkung der Nod-Faktoren Bakterien differenzieren sich in Bakteroide; N2-Fixation beginnt Bakterien werden in "Symbiosomen" entlassen Bakterien dringen durch "Infektionsschlauch" ein Nod-Faktoren führen zu Zellteilung in der Wurzel-Cortex Nod-Faktoren führen zu Hakenbildung des Wurzelhaars Skript - p. 105

Symbiosomen und Bakteroide Austausch vermittelt über zwei Membranen! Bakteroid-Membran = Bakterien-Membran! Assimilate fix. N (NH4+) Peribakteroid-Membran = Pflanzen-Membran! Skript - p. 105

Metabolismus im Symbiosom Metabolismus im Symbiosom - Übersicht Assimilate: als Malat geliefert! Leg-Hämoglobin: Sauerstoff-Schutz, Sauerstoff-Transport Nitrogenase Skript - p. 106

Nitrogenase Enzymkomplex aus Eisen-Protein und Eisen-Molybdän-Protein Nitrogenase (I) Nitrogenase Enzymkomplex aus Eisen-Protein und Eisen-Molybdän-Protein C2H2 C2H4 - Enzym sauerstoffempfindlich! - grosser Energie-Aufwand! Skript - p. 106

Agrobacterium tumefaciens Antagonistische Symbiose Bakterien-Pflanzen: Agrobacterium tumefaciens (Erreger der Wurzelhalsgalle) Einbahnverkehr: Pflanze liefert Photosynthese-produkte und Stickstoff! Ausbeutung Wurzelhalsgalle: enthält Bakterien Bilder aus Schopfer/Brennicke, 1999

Pflanzen-Pilze ausgefüllt Pflanzen-Pilz-Symbiosen Nestwurz, Neottia nidus-avis (Mykotrophe Pflanzen) Mykorrhiza-Symbiose Mehltau, Rost Skript - p. 104

Lehrbuch-Ansicht eines jungen Baumes Mutualistische Symbiosen - Ektomykorrhiza Lehrbuch-Ansicht eines jungen Baumes Bild aus Strasburger, 1999

Naturgetreue Ansicht eines jungen Baumes (I) Bild: Titelseite von "Plant Cell and Environment", Mai 2001

Bilder der Ektomykorrhiza Mutualistische Symbiosen: Beispiel Ektomycorrhiza Hyphenmantel Hartig'sches Netz Ektomykorrhiza Skript - p. 107

Mycorrhiza: Austausch von Zuckern und Mineralstoffen Frage der Woche Mycorrhiza: Austausch von Zuckern und Mineralstoffen Kohlehydrate (Zucker) Mineral- l- Nährstoffe, Wasser Fair trade Extraradikales Mycel Mantel Hartig'sches Netz Skript - p. 108

Ektomykorrhiza kulinarisch    Bilder aus dem Internet

Ektomykorrhiza und das Wood-Wide Web Bild von der Webpage des Botanischen Instituts der Universität Basel

Schema der Endomykorrhiza Mutualistische Symbiosen III: Mykorrhiza Photosynthese-Produkte der Pflanze Mineralnährstoffe des Pilzes Arbuskel Fair trade Vesikel Hyphe Wichtig: Arbuskeln liegen nicht einfach im Cytoplasma, sondern sind von einer Pflanzenmembran umgeben (periarbuskuläre Membran) Endomykorrhiza Skript - p. 107

Blumeria graminis (Getreidemehltau), ein Mehltaupilz Erysiphe graminis Blumeria graminis (Getreidemehltau), ein Mehltaupilz Einbahnverkehr: Pflanze liefert Photosynthese-produkte und Mineralnährstoffe! Ausbeutung Aus dem WWW

Einbahnverkehr: Pilz liefert Zucker und Mineralnährstoffe! Neottia nidus-avis Neottia nidus-avis (Nestwurz): Mykoheterotrophie, die Pflanze parasitiert den Pilz Einbahnverkehr: Pilz liefert Zucker und Mineralnährstoffe! Ausbeutung Bilder aus dem Internet

Pflanzen-Insekten ausgefüllt Pflanzen-Insekten-Symbiosen Bestäubungs-Symbiosen Insekten als Herbivoren Insektivore Pflanzen Skript - p. 104

Angraecum sesquipedale Insekten als Bestäuber: Angraecum sesquipedale Diese Orchidee ist wegen ihres über 30 cm langen Sporns berühmt. Charles Darwin sagte für sie einen Nachtschwärmer als Bestäuber voraus, der dann auch tatsächlich gefunden wurde (Xanthopan morgani f. predicta)  Bild von der Webpage des Botanischen Instituts der Universität Basel

Xanthopan morgani predicta Insekten als Bestäuber: Angraecum sesquipedale Bestäubung der Orchidee (Pollinien!) Nektar aus dem Sporn Fair trade Xanthopan morgani f. predicta, 41 Jahre nach Darwins Voraussage in Madagaskar entdeckt ... Bild aus dem WWW

Insekten als Herbivoren: Aphiden Blattläuse Insekten als Herbivoren: Aphiden Einbahnverkehr: Pflanze liefert Photosynthese-produkte und Mineralnährstoffe! Lösung: endosymbiotische Bakterien produzieren essentielle Aminosäuren! Problem: Sehr viel Zucker (ca. 30 g/dl) - keine essentiellen Aminosäuren! Ausbeutung PS: Buchnera aphidicola ist das Bakterium mit dem zweitkleinsten Genom der Welt ... Pérez-Brocal et al., Science 314, 13. Oct. 2006, p. 312 Das Bakterium mit dem kleinsten Genom der Welt ist Carsonella ruddii, ein endosymbiotisches Bakterium von Psylliden mit ganz ähnlicher Funktion. Nakabachi et al., Science 314, 13. Oct. 2006, p. 267 Blattlaus-Zelle Buchnera aphidicola Bilder aus dem Internet

Pflanzen als Insektivoren Dionaea muscipula Pflanzen als Insektivoren Sonnentau (Drosera rotundifolia) Bild aus dem Internet

Pflanzen als Insektivoren Dionaea muscipula Pflanzen als Insektivoren  Venusfliegenfalle (Dionaea muscipula) Bild aus dem Internet

Pflanzen-Wirbeltiere ausgefüllt Pflanzen-Wirbeltier-Symbiosen Samen-verbreitungs-Symbiosen Wirbeltiere als Herbivoren Keine bekannt; bei weiter Auslegung: Tabak u. ä.) Skript - p . 104

Wirbeltiere und Samenverbreitung Rote Früchte Wirbeltiere und Samenverbreitung Rote Früchte locken Vögel an (Überlegenswert: "Symbolik" der roten Farbe in der Biologie!) Bild aus Raven et al., 2000

Wirbeltiere als Herbivoren Bild aus dem Internet

Wirbeltiere als Herbivoren Foto aus dem Schweizer Nationalpark (V. Wiemken)

Pflanzen-Pflanzen ausgefüllt Pflanzen-Pflanzen-Symbiosen Keine engen Symbiosen bekannt Halbparasitische und vollparasitische Blütenpflanzen Skript - p. 104

Halbparasitische Blütenpflanzen: Misteln Einbahnverkehr: Baum liefert Wasser und Mineralnährstoffe! Ausbeutung Viscum album Bild aus dem Internet

Vollparasitische Blütenpflanzen: Orobanche Mistel Vollparasitische Blütenpflanzen: Orobanche Einbahnverkehr: Efeu liefert Photosyntheseprodukte, Wasser und Mineralnährstoffe! Ausbeutung Orobanche hederae (Europa, auf Efeu (Hedera helix) Bild aus dem Internet

Ernährungsweisen der Pathogene Pathogene und ihre Ernährungsweise Generell Heterotrophie (als Gegensatz zur Autotrophie!) Klassifizierung nach Nahrungsquellen Saprophytische Ernährung (Saprophyten):   Nahrung stammt aus toten Substraten Symbiontische Ernährung (Pathogene und mutualistische Symbionten):   Nahrung stammt direkt von lebenden Organismen Biotrophie: Der Erreger ernährt sich von lebendem Pflanzengewebe Nekrotrophie: Lebendes Pflanzengewebe wird vom Erreger zuerst abgetötet und dann als Nahrungsquelle verwertet Skript - p. 109

Ernährungsweisen der Pathogene Weitere Klassifizierung von Pathogenen Klassifizierung nach der Abhängigkeit von der Wirtspflanze Fakultatives Pathogen   Der Erreger kann zwischen saprophytischer und symbiontischer Ernährung wechseln (typisch für nekrotrophe Pathogene) Obligates Pathogen   Der Erreger kann sich nur von lebendem Substrat ernähren (obligate Biotrophie) Klassifizierung nach dem räumlichen Vorkommen Epiphytische Lebensweise   Der Mikroorganismus wächst hauptsächlich auf der Pflanzenoberfläche Endophytische Lebensweise   Der Mikroorganismus wächst hauptsächlich im Innern der Pflanze Skript - p. 109

Ausbeutung, brutale Form Titelblatt Ausbeutung, brutale Form Nekrotrophie

Sudden oak death, California Beispiel 1: Sudden oak death (Phytophthora ramorum) Bild aus dem Internet

"Sudden Oak Death"in den U.S.A. Phytophthora ramorum "Sudden Oak Death"in den U.S.A. Bild aus dem Internet

"Sudden Oak Death"in den U.S.A. Phytophthora ramorum "Sudden Oak Death"in den U.S.A. Bild aus dem Internet

"Sudden Oak Death"in den U.S.A. Phytophthora ramorum "Sudden Oak Death"in den U.S.A. Bild aus dem Internet

Der Erreger: Phytophthora ramorum Bild aus dem Internet

Nekrotrophe Strategie des Krankheitserregers Nekrotrophie Nekrotrophe Strategie des Krankheitserregers Der Erreger tötet das Pflanzengewebe ab Der Erreger ernährt sich vom abgetöteten Gewebe Die Wirtspflanze wird schwer geschädigt Problem - der Erreger vernichtet längerfristig seine Nahrungsgrundlage!

Ausbeutung, raffinerte Form Titelblatt Ausbeutung, raffinerte Form Biotrophie

Getreide-Mehltau, Blumeria graminis Bilder aus der Literatur

Mehltau-Sporenträger auf der Blattoberfläche Blumeria graminis Mehltau-Sporenträger auf der Blattoberfläche "Ausbeutung" auf Epidermis beschränkt Bild aus der Literatur

Biotrophe Strategie des Krankheitserregers Biotrophie Biotrophe Strategie des Krankheitserregers Der Erreger dringt ins Pflanzengewebe ein, ohne dass die Pflanze etwas davon merkt Der Erreger ernährt sich vom lebenden Gewebe Die Wirtspflanze wird zunächst kaum geschädigt Interessant - der Erreger tarnt sich vielleicht als "Symbiont"!

Wichtig: Terminologie Wichtig: Grundbegriffe zur Pflanzen-Pathogen-Interaktion Anfällig, Suszeptibel (S) Kompatibel (Compatible, C) Virulent (Vir) Inkompatibel (Incompatible, I) Resistent (R) Avirulent (Avr) Skript - p. 109

Lokal induzierte Resistenz Lokal und systemisch induzierte Resistenz Zeit 0: Infektion mit avirulentem Stamm Nach 2-4 h: Infektion mit virulentem Stamm Nach 2-5 d: Lokal induzierte Resistenz Skript - p. 110

Systemisch induzierte Resistenz Nach 2-3 d: nekrotische Flecken Zeit 0: Infektion mit TNV (Tabak- Nekrosevirus) Zeit 10d: Systemischer Schutz Zeit 3d: Infektion mit C. cucumerinum Kontrolle: Zeit 0: "Mock-Infektion" mit Wasser Zeit 10d: Starke Infektion Skript - p. 110

Elicitor-Phytoalexin-Modell Lokal induzierte Resistenz: Das Elicitor-Phytoalexin-Modell Konzept des chemischen "Cross-Talk" Pflanzliche Chitinasen lösen Chitinfragmente aus der Pilzzellwand Pilz bildet entgiftendes Enzym (Pisatin-Demethylase) Pflanze bildet Abwehrstoffe (u.a. Phytoalexine) Pflanze "erkennt" Chitinfragment aus dem Pilz Definition "Phytalexine": Antibiotische Sekundärstoffe, die nur als Reaktion auf eine Infektion gebildet werden Skript - p. 111

Die Hypersensitive Reaktion Pilz-Angriff Perzeption (zur Zeit 0) Nach 2-5 Minuten: Produktion von ROS Änderung der Ionenflüsse Nach 5-15 Minuten: Produktion des Stress-Hormons Ethylen Nach 15-60 Minuten: Umwälzung der Genexpression Nach 1-8 Stunden: Zelltod ("Apoptosis") Skript - p. 112

Frage der Woche: Erfindungsreichtum der Orchideen ... und zum Dessert:  Frage der Woche: Bestäubungs-Symbiosen bei Orchideen   Einige der raffiniertesten und spezialisiertesten Symbiosen sind die Bestäubungssymbiosen bei Orchideen. Wieso waren gerade die Orchideen evolutiv so "erfinderisch"? Erfindungsreichtum der Orchideen Reinhard et al., "Die Orchideen der Schweiz, 1991

Ophrys insectifera Ophrys sphegodes Ophrys-Arten   Ophrys insectifera Ophrys sphegodes Reinhard et al., "Die Orchideen der Schweiz, 1991

Ophrys und Frauenschuh  Ophrys holoserica Cypripedium calceolus (Sexualtäuschblume) (Kesselfallenblume) Reinhard et al., "Die Orchideen der Schweiz, 1991

Nigritella nigra Orchis tridentata Nigritella und Orchis   Nigritella nigra Orchis tridentata (Nektartäuschblume) (Nektartäuschblume) Reinhard et al., "Die Orchideen der Schweiz, 1991