Pflanzenphysiologie Heute: Vreni Wiemken Frühjahrsemester 2010

Präsentation zum Thema: "Pflanzenphysiologie Heute: Vreni Wiemken Frühjahrsemester 2010"—  Präsentation transkript:

1 Pflanzenphysiologie Heute: Vreni Wiemken Frühjahrsemester 2010
Titel Pflanzenphysiologie Heute: Vreni Wiemken Frühjahrsemester 2010 Montag, 8 – 10 Dass ich erkenne, was die Welt Im innersten zusammenhält, Schau alle Wirkungskraft und Samen ...

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

3 5. Juni 2010: Ganztägige Exkursion zu den Murgseen

4 5. Juli 2010: Ganztägige Exkursion zu den Murgseen

5 Symbiose als Lebensprinzip
Skript - p. 103

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

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

8 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

9 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

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

11 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

12 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

13 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

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

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

16 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

17 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

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

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

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

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

22 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

23 Ektomykorrhiza kulinarisch
   Bilder aus dem Internet

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

25 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

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

27 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

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

29 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

30 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

31 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

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

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

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

35 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

36 Wirbeltiere als Herbivoren
Bild aus dem Internet

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

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

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

40 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

41 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

42 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

43 Ausbeutung, brutale Form
Titelblatt Ausbeutung, brutale Form Nekrotrophie

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

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

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

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

48 Der Erreger: Phytophthora ramorum
Bild aus dem Internet

49 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!

50 Ausbeutung, raffinerte Form
Titelblatt Ausbeutung, raffinerte Form Biotrophie

51 Getreide-Mehltau, Blumeria graminis
Bilder aus der Literatur

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

53 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"!

54 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

55 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

56 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

57 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

58 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 Minuten: Umwälzung der Genexpression Nach 1-8 Stunden: Zelltod ("Apoptosis") Skript - p. 112

59 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

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

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

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