Pflanzenphysiologie Thomas Boller Frühlingsemester 2010 Montag, 8 – 10 Titel Pflanzenphysiologie Thomas Boller Frühlingsemester 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 ...
Pflanzenphysiologie Drum hab ich mich der Magie ergeben, Titel Drum hab ich mich der Magie ergeben, Ob mir durch Geistes Kraft und Mund Nicht manch Geheimnis werde kund, Dass ich nicht mehr mit saurem Schweiss Rede von dem, was ich nicht weiss, Dass ich erkenne, was die Welt Im Innersten zusammenhält, Schau alle Würkungskraft und Samen Und tu nicht mehr in Worten kramen. Faust Pflanzenphysiologie Thomas Boller Frühlingsemester 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 ...
Internet: Abteilung Pflanzenphysiologie Internet: Botanisches Institut, Abteilung Pflanzenphysiologie http://plantbiology.unibas.ch/
Internet: Teaching in Plant Biology http://plantbiology.unibas.ch/teaching/teaching.htm
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Agrarökologie und Nachhaltigkeit Vorlesung Bio-5: Agrarökologie und Nachhaltigkeit Beginn: Freitag, 12. März, 15:15-17:00 Hörsaal Botanisches Institut, Schönbeinstrasse 6 Andres Wiemken
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Praktikum in Pflanzenphysiologie Internet: Praktikum in Pflanzenphysiologie Vorbesprechung: Dienstag, 09.03.2010, 13:30 Hörsaal Botanisches Institut, Schönbeinstrasse 6
Details Praktikum in Pflanzenphysiologie Praktikum in Pflanzenphysiologie: Details
Blockkurs Pflanzenphysiologie Fünftes Semester: Blockkurs Pflanzenbiologie! 13./20. September bis 11./12. November 2010
Blockkurs Pflanzenphysiologie: Details Details zum Blockkurs Pflanzenbiologie Daten für den Blockkurs Pflanzenbiologie: erste acht Wochen des Herbstsemesters 2010 Die Feldwoche in Sent wird doppelt geführt: 13. - 18. September 2010 (= vor Semesterbeginn) 20. - 25. September 2010 (= erste Semesterwoche) Labor-Teil des Blockkurses: 27. September - 29. Oktober 2010 Prüfung: 11./12. November 2010
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Es ist leicht zu erraten: Die Pflanzen! Einführungs-Fragen Einführende Fragen Wer kann Berührungen hundertmal empfindlicher wahrnehmen als wir mit unsern Fingerspitzen? Wer lebt allein von Licht und Luft? Wer wird hundertmal älter als wir? Es ist leicht zu erraten: Die Pflanzen!
Es ist leicht zu erraten: Die Pflanzen! Frage: Fühligkeit Einführende Fragen Wer kann Berührungen hundertmal empfindlicher wahrnehmen als wir mit unsern Fingerspitzen? Wer lebt allein von Licht und Luft? Wer wird hundertmal älter als wir? Es ist leicht zu erraten: Die Pflanzen!
Ranken Schon Charles Darwin interessierte sich für die pflanzlichen Sinnesleistungen. Er stellte fest, dass Ranken von verschiedenen Pflanzen auf Berührungsreize mit einem Wollfaden zehn- bis hundertmal empfindlicher reagieren als menschliche Fingerkuppen.
Es ist leicht zu erraten: Die Pflanzen! Frage: Licht und Luft Einführende Fragen Wer kann Berührungen hundertmal empfindlicher wahrnehmen als wir mit unsern Fingerspitzen? Wer lebt allein von Licht und Luft? Wer wird hundertmal älter als wir? Es ist leicht zu erraten: Die Pflanzen!
Tillandsia usneoides Tillandsia usneoides, das "Spanische Moos", lebt buchstäblich von Luft und Licht. Diese Pflanze aus der Familie der Bromeliaceae hat keine Wurzeln. Dafür absorbiert sie den Morgentau über spezielle Blattdrüsen.
Frage: Wer wird hundertmal älter als wir? Einführende Fragen Wer kann Berührungen hundertmal empfindlicher wahrnehmen als wir mit unsern Fingerspitzen? Wer lebt allein von Licht und Luft? Wer wird hundertmal älter als wir? Es ist leicht zu erraten: Die Pflanzen!
Pinus longaeva Pinus longaeva in den White Mountains an der Grenze zwischen Kalifornien und Nevada - mehrere tausend Jahre alt und immer noch blühend (wenigstens teilweise ...)
Und wer hat das WWW erfunden? Natürlich die Pflanzen! PS: WWW Einführende Fragen Wer kann Berührungen hundertmal empfindlicher wahrnehmen als wir mit unsern Fingerspitzen? Wer lebt allein von Licht und Luft? Wer wird hundertmal älter als wir? Und wer hat das WWW erfunden? Natürlich die Pflanzen! Die Pflanzen haben schon vor Urzeiten das "Internet" erfunden: Zusammen mit Pilzen etablierten sie das sogenannte WWW (Wood-Wide Web): Im Wald sind die Bäume über Pilzbrücken miteinander verbunden und können auf diese Weise miteinander kommunizieren.
Wood-Wide Web In unsern Wäldern sind die ausgewachsenen Bäume und ihre Sämlinge über ein unter-irdisches Netz von Mykorrhiza-Pilzen ("Wood-Wide Web", WWW) verknüpft. Die erwach-senen Bäume können via das WWW kommunizieren und möglicherweise die Sämlinge und Jungpflanzen ernähren. Darstellung von Vreni Wiemken, 2002
Programm der Vorlesung Titelseiten Skript Programm der Vorlesung Skript, p. 1-2
Lehrbücher (Strasburger, Lüttge, Nultsch) Skript, p. 3
Lehrbücher (Bild) Weitere Lehrbücher Skript, p. 3
Lehrbücher (Synopsis) Synopsis zu den verwendeten Lehrbüchern Skript, p. 4
1. Können Pflanzen fühlen? Einleitung I. EINLEITUNG 1. Können Pflanzen fühlen? Lebensäusserungen und Reizbarkeit der Pflanzen. Rückblenden: Enzyme als Biokatalysatoren und zentrale Funktionsträger von Lebens-prozessen. Vom Gen zum Enzym: das zentrale Dogma der Biologie. Skript, p. 5
Vergleich Reizempfindlichkeit Reiz-Empfindlichkeit von Menschen und Pflanzen Skript, p. 6
Phycomyces blakesleeanus als Modell-Objekt Phycomyces / Delbrück Phycomyces blakesleeanus als Modell-Objekt I feel that if I make a serious experimental research effort (necessarily a very strenuous exercise) it should be in Phycomyces. I am still convinced that Phycomyces is the most intelligent primitive eukaryote and as such capable of giving access to the problems that will be central in the biology of the next decades. If I drop it, it will die. If I push it, it may yet catch on as phage... caught on. Since I invested 25 years in this venture I might as well continue. I do not expect to make great discoveries, but If I continue to do the spade work my successors may do so. Max Delbrück (Nobel Prize 1969), on his seventieth birthday Bilder aus dem WWW
Phycomyces / diffuses Licht Phycomyces blakesleeanus als Modell-Objekt Wachstum in diffusem Licht Bild aus dem WWW
Phycomcyes / Phototropismus Phycomyces blakesleeanus als Modell-Objekt Wachstum in Richtung Lichtquelle (Phototropismus) Bild aus dem WWW
Phycomyces blakesleeanus als Modell-Objekt Phycomyces / Delbrück Phycomyces blakesleeanus als Modell-Objekt Seitliches Licht 1 mm Bild aus dem WWW
Perzeption-Transduktion: Das Beispiel von Phycomyces Phycomyces: Skript Perzeption-Transduktion: Das Beispiel von Phycomyces Licht Wachstum im Dunkel Resultante Schwer- kraft Wachstum bei seitlicher Belichtung Licht Photo- rezeptor Wachstum zum Licht Skript, p. 7
Reizempfindlichkeit: Auge, Ohr Vergleich der Reiz-Empfindlichkeit: Auge, Ohr Sinnesleistung Rezeptor Reizschwelle beim Menschen Reizschwelle bei Pflanzen und Mikroorganismen Gesichtssinn Photo- rezeptor 100 Lichtquanten für das Auge bzw. 10 Lichtquanten, die von der Retina absorbiert werden (McBurney und Collings, 1977). Für eine dunkel-adaptierte Stäbchenzelle: 1 Lichtquant (Hecht et al., 1942) Phycomyces-Sporangiophor: 500 Lichtquanten, 440 nm Wellenlänge (Bergman et al., 1969) Samen von Salat (Lactuca sativa), Keiminduktion: 7 Lichtquanten, 660 nm Wellenlänge (Blaauw et al., 1976) Gehörsinn Audio-rezeptor 0.2 10-6 Pa (ca. 10-9 mbar), d.h. eine Grössen-ordnung über der Brown-schen Bewegung von Flüssigkeitsmolekülen in der Endolymphe, die das innere Ohr ausfüllt (Davis, 1959) bis heute nicht nachgewiesen Skript, p. 6
Chemischer Sinn: Elicitoren Chemischer Sinn: Pflanzliche Zellkulturen als Modell-Objekt Fragestellung: Können Pflanzen Pilze "riechen"? Bioassay mit pflanzlichen Zellkulturen Substanz X Reizantwort: pH-"Sprung" aktiv inaktiv Skript, p. 7
Chemischer Sinn: Pflanzliche Zellkulturen als Modell-Objekt Chitin als Elicitor Chemischer Sinn: Pflanzliche Zellkulturen als Modell-Objekt Schwellenwert: 10-12 M "non-self" "self" Dosis-Wirkungskurve für die Alkalinisierungsantwort in Abhängigkeit der Konzentration von Chitinbruchstücken Chitin = Polymer aus N-Acetylglucosamin (Hauptkomponente von Pilzzellwänden) Skript, p. 7
Resultat der Forschung: Originalpublikation Resultat der Forschungsarbeit: Originalpublikation Wissenschaftliche Zeitschrift Autoren "Web of Science": Datenbank aller Publikationen, welche eine gegebene frühere Publikationen zitieren Beispiel: Felix et al. (Plant Journal 4, 307 – 316, 1993) wurde bis heute 209mal zitiert Nicht im Skript
Reizempfindlichkeit: Zunge, Nase Vergleich der Reiz-Empfindlichkeit von Mensch und Pflanze Gedankenexperiment: Ein Champignon, gut gemixt, im Schwimmbad zu St. Jakob aufgelöst Sinnesleistung Rezeptor Reizschwelle beim Menschen Reizschwelle bei Pflanzen und Mikroorganismen Geschmacks-sinn Chemo-rezeptor 10-4 M Kochsalz in Wasser Tomatenzellen: 10-13 M Chitinbruchstücke (Boller, 1995) Geruchssinn 10-12 M Ethylmercaptan (McBurney and Collings, 1977) Tomatenpflanzen: 10-12 M Ethylen (Abeles, 1992) Chitinkonzentration liegt immer noch 100fach über der Reizschwelle! Skript, p. 6
Sonnentau (Drosera rotundifolia) Drüsenhaare von Sonnentau (Drosera rotundifolia) Bild: http://www.nature.ca/museum/press/2002/images/sndw_hr.jpg
Venusfliegenfalle (Dionaea muscipula) Bild: http://www.plantbio.uga.edu/images/greenhouses/carn43.jpg
Venusfliegenfalle in action Dionaea muscipula in action ... Venusfliegenfalle (Dionaea muscipula) Dionaea muscipula in Aktion
Fütterung des Greifvogels, pardon, der "Greifpflanze" ...
..., die Pflanze, die auf zwei zählen kann! Fühlborsten Dionaea ..., die Pflanze, die auf zwei zählen kann!
Reizempfindlichkeit: Berührung, Temperatur, Gleichgewicht Vergleich der Reiz-Empfindlichkeit von Mensch und Pflanze Charles Darwin: The power of movement in plants Sinnesleistung Rezeptor Reizschwelle beim Menschen Reizschwelle bei Pflanzen und Mikroorganismen Tastsinn Mechanorezeptor 10 mg Belastung auf Fingerspitzen (McBurney and Collings, 1977) Sonnentau: 0.32 mg Belastung auf Drüsenhaare (Darwin, 1896) Temperatur-sinn Thermo-rezeptor 0.001 °C s-1 Temperaturänderung auf der Haut (Hardy und Oppel, 1937) 0.0004 °C Temperaturgradient durch das Pseudoplasmodium von Dictyostelium discoideum (Poff und Skokut, 1977) Gleich-gewichtssinn Gravi-rezeptor 0.04 cm s-2 Tangentialbeschleunigung im Labyrinth des Innenohrs Haferkeimlinge: 1.4 cm s-2 Schwerkraftwirkung (für 68 Stunden) (nach W. Shropshire, in Encyclopedia of Plant Physiology, Haupt und Feinlieb, Herausgeber, 1979, verändert) Skript, p. 6
Gleichgewichtssinn: Wurzelspitzen Gravitropismus Gleichgewichtssinn: Wurzelspitzen Wachstum in Richtung der Schwerkraft (Gravitropismus)
Reizempfindlichkeit: Berührung, Temperatur, Gleichgewicht Vergleich der Reiz-Empfindlichkeit von Mensch und Pflanze Sinnesleistung Rezeptor Reizschwelle beim Menschen Reizschwelle bei Pflanzen und Mikroorganismen Tastsinn Mechanorezeptor 10 mg Belastung auf Fingerspitzen (McBurney and Collings, 1977) Sonnentau: 0.32 mg Belastung auf Drüsenhaare (Darwin, 1896) Temperatur-sinn Thermo-rezeptor 0.001 °C s-1 Temperaturänderung auf der Haut (Hardy und Oppel, 1937) 0.0004 °C Temperaturgradient durch das Pseudoplasmodium von Dictyostelium discoideum (Poff und Skokut, 1977) Gleich-gewichtssinn Gravi-rezeptor 0.04 cm s-2 Tangentialbeschleunigung im Labyrinth des Innenohrs Haferkeimlinge: 1.4 cm s-2 Schwerkraftwirkung (für 68 Stunden) (nach W. Shropshire, in Encyclopedia of Plant Physiology, Haupt und Feinlieb, Herausgeber, 1979, verändert) Skript, p. 6
Rückblende: Enzyme Rückblende 1 Rückblende 1: Enzyme als Biokatalysatoren und zentrale Funktionsträger von Lebensprozessen Die zentralen Funktionsträger der Lebensprozesse in jeder Zelle sind die Enzyme. Enzyme, in aller Regel Proteine (Eiweisse), sind hochspezifische Biokatalysatoren. Sie katalysieren nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip die Umsetzung von ganz bestimmten Substraten in ganz bestimmte Produkte. Ein Beispiel dafür ist die Invertase, welche die Spaltung des Zuckers Saccharose in ihre Grundbausteine Fructose und Glucose katalysiert. Skript, p. 5
Schema Enzym-Katalyse Enzyme als Bio-Katalysatoren Enzyme = Biokatalysatoren "induced fit" Saccharose Herabsetzung der Aktivierungsenergie!! Glucose + Fructose Skript, p. 8
Lineweaver-Burk-Plot Biochemische Charakterisierung von Enzymen Graphische Darstellung der Rohdaten: "Normalverhalten" Abweichender experimenteller Befund: "Sigmoide Kurve" "Sättigung" Enzym-Kinetik nach Michaelis-Menten: Es lassen sich KM und Vmax ableiten! Allosterisches Verhalten des Enzyms: Die Konzentration des "Substrats" be-einflusst die katalytischen Eigenschaf-ten des Enzyms! Skript, p. 8
Aufbau der Aminosäuren Die 20 Bausteine - "proteinogene" Aminosäuren Skript, p. 9
Primär- und Sekundärstruktur Primär- und Sekundärstruktur von Proteinen 4 Aminosäuren: Kombinations- Möglichkeiten? 204 = 160'000! Skript, p. 9
Rückblende: Zentrales Dogma Rückblende 2: Vom Gen zum Enzym: das zentrale Dogma der Biologie. Die Lebensäusserungen jeder Zelle sind in ihren Genen festgelegt. Das “zentrale Dogma” der Biologie hält fest, dass die Gene durch lineare Abschnitte der DNA (Desoxyribonukleinsäure) der Zelle repräsentiert werden. Bei Eukaryonten (Pflanzen, Tiere, Pilze) ist der Hauptteil der DNA im Zellkern lokalisiert. Diese DNA kann als “Blueprint” (Bauanleitung) für die Zelle betrachtet werden. Die Information wird im Zellkern in die sogenannte mRNA (Messenger-Ribonukleinsäure) umgeschrieben (Transkription) und ins Cytoplasma exportiert. Dort wird die mRNA an den Ribosomen “abgelesen” und in ein Protein “übersetzt” (Translation). Der Königsweg des zentralen Dogmas kann wie folgt charakterisiert werden: DNA mRNA Enzym (Protein) Skript, p. 5
Schema zentrales Dogma Das zentrale Dogma der Molekularbiologie Skript, p. 10
Orte der Transkription und Translation Skript, p. 10
Doppel-Helix Die DNA-Doppelhelix Skript, p. 10
Bausteine der DNA und Basenpaarung Purin-Basen Pyrimidin-Basen Skript, p. 10
Transkriptions- Maschinerie bei Eukaryonten Regulatorischer Bereich Katalytischer Bereich Skript, p. 11
Translation an Ribosomen Translation: Proteinbiosynthese an Ribosomen mRNA mit Triplett-Code Ribosomen als Proteinsynthese-Fabriken Skript, p. 11
Dessert und Frage der Woche Skript, p. 12
Verhaltensbiologie bei Mikroorganismen Buch von Dusenbery Verhaltensbiologie bei Mikroorganismen David Dusenbery (Georgia Institute of Technology) ... ... wrote a book on "Life at small scale", published in the Scientific American Library. Skript, p. 12
Abschuss-Vorrichtung von Pilobolus und Sphaerobolus Pilobolus, Schema Abschuss-Vorrichtung von Pilobolus und Sphaerobolus Sporangium, mit Sporen gefüllt Sporangienträger: unter Hochdruck! Aus dem Buch von Dusenbery (Life at small scale)
Pilobolus umbonatus Pilobolus, Bild Aus dem Buch von Dusenbery (Life at small scale)
Pilobolus, Bild vergrössert Pilobolus umbonatus: Abschuss-Vorrichtung Sporangium, mit Sporen gefüllt Sporangien-träger: unter Hochdruck! Aus dem Buch von Dusenbery (Life at small scale)
Experiment von Hally Jolivette Das Experiment von Hally Jolivette (1910): Auf welche Weise zielt Pilobolus aufs Licht? Skript, p. 12
Resultat des Experiments Skript, p. 12
Experiment von Hally Jolivette Das Experiment von Hally Jolivette (1910): Auf welche Weise zielt Pilobolus aufs Licht? Einzel-Ziel wird erkannt. Keine "Integration" der Lichtreize! Skript, p. 12
Zierkirsche Hally Jolivette Wer war Hally Jolivette? Zierkirsche "Hally Jolivette", benannt von Karl Sax (Direktor des Arnold Arboretum) nach dem "maiden name" seiner Frau
Phycomyces / diffuses Licht Zur Frage der Woche: Phycomyces blakesleeanus Sporangienträger nach Wachstum in diffusem Licht
Phycomyces und der siebte Sinn Phycomyces blakesleeanus und der siebte Sinn Skript, p. 12
Frage der Woche: Phycomyces Frage der Woche: Phycomyces und der siebte Sinn Phycomyces blakesleeanus, ein nie-derer Pilz, der in frischem Kompost wächst, strebt mit seinem Sporan-gium an die Oberfläche des Kompost-haufens: Er kann sich nach Licht, Schwerkraft und chemischen Reizen orientieren. Besonders interessant ist die sogenannte “avoidance response” (Berührungsscheu): Er kann einem in die Nähe gebrachten Gegenstand ausweichen, ohne ihn zu berühren, und dies auch in vollkommener Dunkelheit. Worauf basiert dieser "siebte Sinn"? Über welche Signale kann der Pilz das Hindernis wahrnehmen und die Berührung vermeiden? Skript, p. 12