Biotische Stressphysioöogie der Pflanze (wahl Pflanzenwissenschaften) - Exam.pdf

Aufgabe 1)

Du wurdest als Pflanzenwissenschaftler beauftragt, den Befall einer Weizenpflanzenpopulation zu untersuchen und das verantwortliche Pathogen zu identifizieren. Du hast Zugang zu verschiedenen methodischen Werkzeugen wie mikroskopische Techniken, molekularbiologische Methoden und biochemische Tests.

a)

Beschreibe die wichtigsten Schritte und Techniken, die Du anwenden würdest, um das Pathogen zu identifizieren und zu klassifizieren. Erkläre, warum Du jede der von Dir gewählten Methoden nutzen würdest. Diskutiere insbesondere die Vorteile der molekularbiologischen Methoden wie PCR, qPCR und Sequenzierung für die genaue Identifikation von Pathogenen.

Lösung:

Um den Befall der Weizenpflanzenpopulation zu untersuchen und das verantwortliche Pathogen zu identifizieren, kannst Du die folgenden Schritte und Techniken anwenden:

• Visuelle Inspektion und Probennahme: Zu Beginn führst Du eine visuelle Inspektion der Pflanzen durch, um typische Krankheitssymptome zu identifizieren. Sammle dann Proben von den betroffenen Pflanzenteilen (z.B. Blätter, Stängel, Wurzeln) für weitere Analysen.
• Mikroskopische Techniken: Durch mikroskopische Untersuchung kannst Du erste Hinweise auf das Pathogen erhalten. Dies kann die Identifikation von Pilzsporen, Bakterienkolonien oder virale Partikel ermöglichen. Vorteile dieser Methode sind die unmittelbare Visualisierung der Krankheitserregerstrukturen und eine erste schnelle Einschätzung.
• Kultur und Isolation: Wenn es sich um Bakterien oder Pilze handelt, kannst Du versuchen, den Erreger auf Nährmedien zu kultivieren. Dies ermöglicht das Wachstum und die Isolierung des Pathogens zur weiteren Analyse.
• Biochemische Tests: Biochemische Tests wie Enzymaktivitätsassays oder Reaktionen auf bestimmte Substrate (z.B. Bioplate-Tests) können zusätzliche Hinweise auf den Erreger geben. Diese Tests sind oft spezifisch für bestimmte Pathogenarten und ermöglichen eine schnellere Identifikation.
• Molekularbiologische Methoden: Molekularbiologische Methoden wie PCR (Polymerase-Kettenreaktion), qPCR (quantitative PCR) und Sequenzierung sind entscheidend für die genaue Identifikation des Pathogens.
• PCR: Die PCR-Methode ermöglicht die Amplifikation spezifischer DNA- oder RNA-Sequenzen des Pathogens. Dies erlaubt es Dir, die Präsenz des Erregers auch in geringen Mengen nachzuweisen und spezifische Pathogene gezielt zu identifizieren.
• qPCR: Diese Technik ist eine Weiterentwicklung der PCR und ermöglicht zusätzlich die quantitative Bestimmung der Erregerlast in der Probe. Dies ist wichtig, um den Schweregrad des Befalls zu bewerten.
• Sequenzierung: Durch Sequenzierung der amplifizierten Produkte (z.B. Sanger-Sequenzierung oder Next-Generation Sequencing) kannst Du die genaue genetische Zusammensetzung des Pathogens bestimmen. Dies ermöglicht eine zweifelsfreie Identifikation bis auf Art- oder sogar Stammebene.

Vorteile der molekularbiologischen Methoden:

• Exakte Identifikation: Molekularbiologische Methoden sind sehr präzise und ermöglichen die Identifikation von Pathogenen bis auf die genetische Ebene.
• Sensitivität und Spezifität: Diese Methoden sind hochsensitiv und spezifisch, was bedeutet, dass selbst geringe Mengen an Pathogen-DNA oder -RNA nachgewiesen werden können.
• Schnelligkeit: Im Vergleich zu traditionellen Kultivierungsmethoden sind molekularbiologische Tests oft schneller und liefern rasch Ergebnisse.
• Quantitative Daten: Insbesondere qPCR liefert quantitative Informationen, die es ermöglichen, die Erregerlast exakt zu bestimmen und den Verlauf der Infektion zu überwachen.
• Genetische Informationen: Dein Verständnis der genetischen Strukturen des Pathogens kann Dir auch helfen, Informationen über Resistenzmechanismen und mögliche Behandlungsstrategien zu gewinnen.

Indem Du diese Schritte und Techniken kombinierst, kannst Du das Pathogen präzise identifizieren und klassifizieren, was unerlässlich für die Entwicklung effektiver Bekämpfungsstrategien ist.

b)

Angenommen, Du vermutest, dass das Pathogen ein Pilz ist. Beschreibe detailliert, wie Du die Morphologie und Sporulation des Pilzes untersuchst und erläutere den Prozess der ITS-Sequenzierung. Welche Schritte sind erforderlich, um die genetische Sequenz des Pilzes zu bestimmen und wie würdest Du diese Informationen nutzen, um das Pathogen eindeutig zu identifizieren?

Lösung:

Wenn Du vermutest, dass das Pathogen ein Pilz ist, kannst Du die folgenden detaillierten Schritte unternehmen, um die Morphologie und Sporulation des Pilzes zu untersuchen und den Prozess der ITS-Sequenzierung durchzuführen:

• Visuelle Inspektion und Probennahme: Sammle zunächst Proben von den betroffenen Pflanzenteilen, insbesondere aus Bereichen mit sichtbarem Pilzbefall (z.B. Blätter, Stängel, Wurzeln).
• Präparation der Proben für das Mikroskop: Bereite die Proben für die mikroskopische Untersuchung vor. Schneide dünne Querschnitte der betroffenen Pflanzenteile und fixiere sie auf Objektträgern.
• Mikroskopische Untersuchung: Untersuche die Proben unter einem Licht- oder Elektronenmikroskop, um die Morphologie und Sporulation des Pilzes zu beobachten. Notiere spezifische Merkmale wie Hyphenstruktur, Sporenmorphologie und Sporenträger.
• Kultur und Isolation des Pilzes: Setze die Proben auf geeignete Nährmedien (z.B. Kartoffel-Dextrose-Agar) aus und inkubiere sie unter optimalen Bedingungen für das Pilzwachstum. Nach ausreichendem Wachstum kannst Du einzelne Kolonien isolieren und rein kultivieren.
• ITS-Sequenzierung: Das interne transkribierte Spacer (ITS)-Region ist eine hochvariable Region in der rDNA, die häufig zur Identifikation und Klassifikation von Pilzen verwendet wird. Der Prozess der ITS-Sequenzierung umfasst die folgenden Schritte:
• DNA-Extraktion: Extrahiere die genomische DNA aus der reinen Pilzkultur unter Verwendung geeigneter Protokolle (z.B. kommerziell erhältliche DNA-Extraktionskits).
• PCR-Amplifikation: Amplifiziere die ITS-Region der Pilz-DNA mittels Polymerase-Kettenreaktion (PCR). Verwende spezifische ITS-Primersets, wie ITS1 und ITS4, die die ITS1-5.8S-ITS2-Region der rDNA amplifizieren.

  PCR-Mischung:

   • Template-DNA: 1-2 µL • Forward-Primer (ITS1): 1 µL (10 µM) • Reverse-Primer (ITS4): 1 µL (10 µM) • dNTP-Mix: 1 µL (10 mM) • PCR-Puffer: 5 µL (10X) • Taq-Polymerase: 0.25 µL (5 U/µL) • Wasser: bis 50 µL

  PCR-Zyklen:

   • Initiale Denaturierung: 95°C, 3 min • Denaturierung: 95°C, 30 s • Annealing: 55°C, 30 s • Extension: 72°C, 1 min • Finale Extension: 72°C, 10 min • Wiederhole Schritte 2-4 für 30-35 Zyklen

• Gel-Elektrophorese: Überprüfe das PCR-Produkt mittels Agarose-Gel-Elektrophorese, um die Amplifizierung der ITS-Region zu bestätigen.
• Sequenzierung: Reinige das PCR-Produkt und sende es zur Sanger-Sequenzierung an ein spezialisiertes Labor. Alternativ kannst Du auch Next-Generation Sequencing (NGS) verwenden, wenn umfangreichere Sequenzdaten erforderlich sind.
• Bioinformatische Analyse: Analysiere die erhaltenen Sequenzen mit bioinformatischen Tools. Verwende Datenbanken wie NCBI BLAST, um die Sequenzen mit bekannten Pilzsequenzen zu vergleichen und das Pathogen zu identifizieren.

Nutzung der genetischen Informationen:

• Durch den Vergleich der ITS-Sequenz mit Referenzsequenzen in Datenbanken kannst Du das Pathogen eindeutig identifizieren und klassifizieren.
• Die genetischen Informationen können auch Aufschluss über mögliche Resistenzmechanismen des Pathogens geben, was für die Entwicklung von Bekämpfungsstrategien wichtig ist.
• Erfahre mehr über die phylogenetischen Beziehungen des Pathogens zu anderen Pilzen, was für die Ausarbeitung von Präventionsmaßnahmen und das Verständnis der Epidemiologie wichtig ist.

Durch die Kombination von morphologischen und genetischen Ansätzen erhältst Du ein vollständiges Bild des Pilzpathogens, was Dir bei der Bekämpfung des Befalls hilft.

Aufgabe 2)

Signaltransduktionswege bei biotischem Stress aktivieren pflanzliche Abwehrmechanismen gegen Pathogene und herbivore Insekten.

• Wichtige Signalmoleküle: Salicylsäure (SA), Jasmoninsäure (JA), Ethen (ET).
• SA: Regulation der Abwehr gegen biotrophe Pathogene.
• JA und ET: Abwehr gegen nekrotrophe Pathogene und Herbivoren.
• Rezeptor-Erkennung (PAMPs) aktiviert MAP-Kinase-Kaskaden.
• Aktivierung von Transkriptionsfaktoren und Genexpression.

a)

Erkläre detailliert den Signaltransduktionsweg, der bei der Erkennung von PAMPs (Pathogen-Associated Molecular Patterns) durch pflanzliche Rezeptoren aktiviert wird. Gehe dabei auf die Rolle der MAP-Kinase-Kaskaden ein und beschreibe, wie diese zur Aktivierung von Transkriptionsfaktoren und zur Genexpression führen. Inkludiere relevante Signalmoleküle (SA, JA, ET) und ihre spezifische Funktion im Abwehrmechanismus.

Lösung:

Die Signaltransduktionswege, die bei der Erkennung von PAMPs (Pathogen-Associated Molecular Patterns) durch pflanzliche Rezeptoren aktiviert werden, sind komplex und umfassen mehrere Schlüsselmoleküle und Schritte. Hier folgt eine detaillierte Erklärung dieses Prozesses:

• Erkennung von PAMPs: Pflanzenzellen besitzen spezialisierte Rezeptoren, die PAMPs, also molekulare Signale von Pathogenen, erkennen. Diese Rezeptoren werden als PRRs (Pattern Recognition Receptors) bezeichnet. Ein berühmtes Beispiel für einen PRR ist FLS2, der Bakterienflagellin erkennt.
• Aktivierung der MAP-Kinase-Kaskade: Die Erkennung von PAMPs durch PRRs führt zu einer Signalkaskade, die MAP-Kinase-Kaskade genannt wird. Diese Kaskade umfasst mehrere Schritte:
  • Die PRRs aktivieren an der Zellmembran Kinasen (z.B. BAK1), die das Signal ins Zellinnere weiterleiten.
  • Diese Aktivierung setzt eine Kaskade von Phosphorylationen in Gang, bei der eine MAP-Kinase-Kinase-Kinase (MAPKKK) eine MAP-Kinase-Kinase (MAPKK) und diese schließlich eine MAP-Kinase (MAPK) aktiviert.
  • Diese aktivierten MAP-Kinasen spielen eine zentrale Rolle in der Signalweiterleitung, indem sie verschiedene Zielproteine phosphorylieren, darunter auch Transkriptionsfaktoren.
• Aktivierung von Transkriptionsfaktoren und Genexpression: Die phosphorylierten Transkriptionsfaktoren bewegen sich in den Zellkern, wo sie die Expression von Abwehrgenen regulieren. Diese Gene kodieren für verschiedene Abwehrproteine und Enzyme, die die Pflanze gegen Pathogene verteidigen.
  • Salicylsäure (SA): Dieses Signalmolekül ist spezifisch an der Abwehr biotropher Pathogene beteiligt. SA führt zur Akkumulation von PR-Proteinen (Pathogenesis-Related Proteins), die viele Pathogeninfektionen hemmen.
  • Jasmoninsäure (JA) und Ethen (ET): JA und ET sind Signalmoleküle, die gemeinsam wirken, um die Abwehr gegen nekrotrophe Pathogene und Herbivoren zu regulieren. Diese Moleküle aktivieren spezifische Gene, die für Enzyme kodieren, die zelluläre Abwehrstoffe und toxische Verbindungen produzieren.

Durch diese komplexen und fein abgestimmten Signaltransduktionswege kann die Pflanze schnell auf biotischen Stress reagieren und effektive Abwehrmaßnahmen gegen eine Vielzahl von Pathogenen und Herbivoren entwickeln.

b)

Eine Pflanze zeigt unterschiedliche Abwehrmechanismen gegen biotrophe und nekrotrophe Pathogene. Eine wichtige Rolle spielen dabei die Signalmoleküle SA, JA und ET. Berechne den prozentualen Anteil, den jede Signalmolekülgruppe (SA, JA, ET) in einem hypothetischen Abwehrszenario übernimmt, wenn bekannt ist, dass für biotrophe Pathogene 60% der Abwehr durch SA, für nekrotrophe Pathogene 25% durch JA und 15% durch ET vermittelt wird. Wie ändern sich die Anteile, wenn die Abwehr gegen herbivore Insekten ebenfalls 20% durch JA und 10% durch ET übernommen wird?

Lösung:

Um den prozentualen Anteil der Signalmoleküle SA, JA und ET in einem hypothetischen Abwehrszenario zu berechnen, führen wir die folgenden Schritte durch:

Gegebene Daten:

• Abwehr gegen biotrophe Pathogene:
  • 60% durch Salicylsäure (SA)
• Abwehr gegen nekrotrophe Pathogene:
  • 25% durch Jasmoninsäure (JA)
  • 15% durch Ethen (ET)
• Abwehr gegen herbivore Insekten:
  • 20% durch Jasmoninsäure (JA)
  • 10% durch Ethen (ET)

Berechnung der Gesamtprozentsätze:

• SA: 60%
• JA: 25% (nekrotrophe Pathogene) + 20% (herbivore Insekten) = 45%
• ET: 15% (nekrotrophe Pathogene) + 10% (herbivore Insekten) = 25%

Gesamtprozentsätze und ihre Summe:

• Salicylsäure (SA): 60%
• Jasmoninsäure (JA): 45%
• Ethen (ET): 25%
• Gesamtsumme: 60% + 45% + 25% = 130%

Um die Anteile der Signalmoleküle relativ zur neuen Gesamtsumme zu berechnen, verwenden wir folgendes Vorgehen:

Formel:

\( \text{Prozentualer Anteil} = \frac{\text{Individueller Anteil}}{\text{Gesamtsumme}} \times 100 \)

Berechnungen:

• SA: \( \frac{60}{130} \times 100 = 46,15\% \)
• JA: \( \frac{45}{130} \times 100 = 34,62\% \)
• ET: \( \frac{25}{130} \times 100 = 19,23\% \)

Dementsprechend ändern sich die Anteile der Signalmoleküle im Abwehrszenario folgendermaßen:

• Salicylsäure (SA): 46,15%
• Jasmoninsäure (JA): 34,62%
• Ethen (ET): 19,23%

Aufgabe 3)

Phytohormone spielen eine essentielle Rolle in der biotischen Stressphysiologie der Pflanzen, indem sie entscheidende Abwehrmechanismen regulieren. Dabei haben verschiedene Phytohormone unterschiedliche Funktionen:

• Salicylsäure (SA): Dieses Signalmolekül ist hauptsächlich in der Abwehr gegen biotrophe Pathogene involviert und ist essenziell für die systemische erworbene Resistenz (SAR).
• Jasmonate (JA): Jasmonate sind an den Abwehrmechanismen gegen nekrotrophe Pathogene und herbivore Insekten beteiligt.
• Ethylen (ET): Ethylen vermittelt Reaktionen auf biotischen Stress, agiert oft synergistisch mit SA und JA.
• Interaktionen: Zwischen SA, JA und ET existiert ein Netzwerk von Signalwegen und Kaskaden, welche die Abwehrreaktionen feinabstimmen.
• Molekulare Mechanismen: Diese Hormone aktivieren spezifische Gene und fördern die Bildung sekundärer Metabolite.

a)

Erläutere die spezifische Rolle von Salicylsäure (SA) in der Abwehr von biotrophen Pathogenen. Gehe dabei auf die Prozesse ein, die zur systemischen erworbenen Resistenz (SAR) führen und beschreibe die involvierten molekularen Mechanismen.

Lösung:

Salicylsäure (SA) spielt eine zentrale Rolle in der Abwehr von biotrophen Pathogenen, die sich von lebendem Pflanzengewebe ernähren. Die spezifische Rolle von SA umfasst verschiedene Prozesse und molekulare Mechanismen, die zur systemischen erworbenen Resistenz (SAR) führen:

• Induktion der AbwehrmechanismenSA signalisiert den Pflanzenzellen, Abwehrmechanismen zu aktivieren. Dies erfolgt durch die Produktion von Abwehrproteinen und anderen Molekülen, die biotrophe Pathogene bekämpfen.
• SignalweiterleitungDie Bildung und Akkumulation von SA in infizierten Zellen fungiert als Signal, das über kurze und lange Distanzen in der Pflanze übertragen wird. Diese Signalisierung führt zur Aktivierung von Abwehrmechanismen in nicht infizierten Teilen der Pflanze, was zur systemischen erworbenen Resistenz (SAR) beiträgt.
• Aktivierung von VerteidigungsgenenSA induziert die Expression spezifischer Gene, die mit der Abwehr von Pathogenen in Verbindung stehen. Dies schließt PR-Gene (pathogen-resistance genes) ein, die für die Bildung von PR-Proteinen (pathogenesis-related proteins) kodieren.
• Bildung sekundärer MetaboliteUnter dem Einfluss von SA produzieren Pflanzen sekundäre Metabolite, die antimikrobielle Eigenschaften haben und somit zur Abwehr von Pathogenen beitragen.
• Enzymatische ProzesseSA aktiviert Enzyme, die für die Synthese von Abwehrmolekülen verantwortlich sind. Beispielsweise fördert SA die Bildung von Peroxidasen und Chitinase, die Pathogenstrukturen abbauen können.

Zusammengefasst reguliert SA eine Vielzahl von Prozessen, die eine Pflanze gegen biotrophe Pathogene schützen. Die systemische erworbene Resistenz (SAR) ist dabei ein Schlüsselkonzept, das sicherstellt, dass nicht nur die infizierten, sondern auch die nicht infizierten Teile der Pflanze geschützt werden.

b)

Beschreibe die Funktionsweise und Bedeutung von Jasmonaten (JA) bei der Abwehr gegen nekrotrophe Pathogene und herbivore Insekten. Welche spezifischen Gene und sekundären Metaboliten sind daran beteiligt?

Lösung:

Jasmonate (JA) sind essentielle Phytohormone, die eine zentrale Rolle in der Abwehr von nekrotrophen Pathogenen und herbivoren Insekten spielen. Die Funktionsweise von Jasmonaten umfasst verschiedene Prozesse, die sowohl die direkte Abwehr als auch die Signaltransduktion betreffen:

• Induktion von AbwehrmechanismenJA wird nach einem Befall durch nekrotrophe Pathogene oder herbivore Insekten schnell produziert. Es signalisiert den Pflanzenzellen, spezifische Abwehrmechanismen zu aktivieren, die dazu beitragen, die Schädlinge zu bekämpfen und weiteren Schaden zu verhindern.
• Aktivierung spezifischer GeneBei der Abwehr von Schädlingen induzieren Jasmonate die Expression von Genen, die an der Synthese von Abwehrproteinen und Enzymen beteiligt sind. Hierzu gehören:
• Proteinase-Inhibitoren: Hemmen Verdauungsenzyme von Insekten und reduzieren ihre Fressaktivität.
• PR-Gene: Gene, die PR-Proteine (pathogenesis-related proteins) kodieren, sind an der Abwehr von Pathogenen beteiligt.
• Plant defensin genes: Kodieren für Defensine, kleine Proteine mit antimikrobiellen Eigenschaften.
• Bildung sekundärer MetabolitenJasmonate fördern die Produktion sekundärer Metaboliten, die zur Abwehr von Pathogenen und Insekten beitragen. Dies umfasst:
• Alkaloide: Chemische Verbindungen, die für viele Insekten toxisch sind und Pathogene hemmen können.
• Flavonoide: Verbindungen mit antioxidativen und antimikrobiellen Eigenschaften.
• Terpenoide: Große Klasse von Verbindungen mit direkter toxischer Wirkung auf viele herbivore Insekten und pathogene Mikroorganismen.
• SignaltransduktionJA wirkt als Signalmolekül, das verschiedene Signalwege aktiviert, um eine koordinierte Abwehrreaktion hervorzurufen. Dabei interagiert es oft mit anderen Phytohormonen wie Ethylen (ET) und Salicylsäure (SA), um die Abwehrreaktionen zu modulieren und zu verstärken.

Insgesamt sind Jasmonate entscheidend für die Abwehr gegen nekrotrophe Pathogene und herbivore Insekten. Durch die Induktion spezifischer Gene und die Produktion von Abwehrmolekülen tragen sie wesentlich zur pflanzlichen Verteidigungsstrategie bei.

c)

Erkläre die Rolle von Ethylen (ET) in der biotischen Stressreaktion und discutiere, wie es synergistisch mit Salicylsäure (SA) und Jasmonaten (JA) agieren kann. Nutze konkrete Beispiele für die synergistische Wirkung.

Lösung:

Ethylen (ET) ist ein wichtiges Phytohormon, das in der biotischen Stressreaktion eine entscheidende Rolle spielt. Es vermittelt verschiedene Reaktionen der Pflanzen auf biotischen Stress, indem es die Stresssignale integrativ verarbeitet und moduliert. Die Rolle von Ethylen und seine Interaktionen mit anderen Phytohormonen wie Salicylsäure (SA) und Jasmonaten (JA) sind entscheidend für eine koordinierte Abwehrreaktion:

• Signaltransduktion bei biotischem StressEthylen wird bei biotischem Stress wie Pathogenbefall und Schädlingsangriff produziert und wirkt als Signalmolekül, das die Expression von Abwehrgenen reguliert. Es fördert die Synthese von Abwehrproteinen und Enzymen, die zur Bekämpfung von Pathogenen beitragen.
• Synergistische Wirkung mit Salicylsäure (SA)Ethylen und SA wirken oft synergistisch, insbesondere bei der Abwehr von biotrophen Pathogenen. Ein konkretes Beispiel hierfür ist die Induktion der systemischen erworbenen Resistenz (SAR). SA induziert die SAR durch Aktivierung von PR-Genen (pathogenesis-related genes), und Ethylen kann diese Wirkung verstärken, indem es die Signalkaskaden moduliert, die zur Aktivierung von Abwehrmechanismen führen.
• Synergistische Wirkung mit Jasmonaten (JA)Ethylen und JA arbeiten synergistisch zusammen, um die Abwehr gegen nekrotrophe Pathogene und herbivore Insekten zu verstärken. Ein spezifisches Beispiel ist die Induktion von Proteinase-Inhibitoren, die die Verdauungsenzyme von herbivoren Insekten hemmen. Die gleichzeitige Produktion von Ethylen und JA führt zu einer verstärkten Expression dieser Inhibitoren und somit zu einer effektiveren Abwehrreaktion.
• Interaktion und Feinabstimmung der AbwehrreaktionenZwischen SA, JA und ET existiert ein Netzwerk von Signalwegen, die die Abwehrreaktionen feinabstimmen. Zum Beispiel kann Ethylen die JA-induzierten Abwehrmechanismen modulieren, indem es die Expression von Genen beeinflusst, die für antimikrobielle Peptide und andere Abwehrmoleküle kodieren. Dies ermöglicht eine präzise und effiziente Antwort auf verschiedene Arten von biotischem Stress.

Insgesamt spielt Ethylen eine vielseitige Rolle in der biotischen Stressreaktion. Durch seine synergistischen Wirkungen mit SA und JA trägt es wesentlich zur Verstärkung und Feinabstimmung der pflanzlichen Abwehrmechanismen bei. Konkrete Beispiele hierfür sind die verstärkte Expression von PR-Genen und Proteinase-Inhibitoren, die die Abwehr gegen Pathogene und Schädlinge optimieren.

d)

Untersuche die Interaktionen und Netzwerke zwischen den Signalwegen von SA, JA und ET. Erkläre anhand eines Beispiels, wie diese Phytohormone zusammenarbeiten, um eine feinabgestimmte Abwehrreaktion zu gewährleisten. Ziehe mathematische Modelle heran, um die Dynamik dieser Interaktionen zu beschreiben.

Lösung:

Die komplexen Interaktionen und Netzwerke zwischen den Signalwegen von Salicylsäure (SA), Jasmonaten (JA) und Ethylen (ET) ermöglichen es Pflanzen, feinabgestimmte Abwehrreaktionen auf biotischen Stress zu gewährleisten. Diese Interaktionen bestehen aus synergistischen und antagonistischen Effekten sowie Kaskaden und Feedback-Mechanismen.

Interaktionen und Netzwerke zwischen SA, JA und ET

• Synergistische EffekteSA und ET wirken synergistisch, um die Abwehrreaktionen gegen biotrophe Pathogene zu verstärken. Zum Beispiel fördert ET die SA-induzierte Expression von PR-Genen (pathogenesis-related genes).
• Antagonistische EffekteSA und JA stehen oft im Antagonismus zueinander. Während SA hauptsächlich gegen biotrophe Pathogene aktiv ist, sind JA und ET wichtig für die Abwehr gegen nekrotrophe Pathogene und herbivore Insekten. So kann hoher JA-Spiegel die Signalwege von SA unterdrücken und umgekehrt.
• Kaskaden und Feedback-MechanismenDie Signalwege beinhalten mehrere Kaskaden und Feedback-Mechanismen. MAP-Kinasen sind ein Beispiel, die durch ET aktiviert werden und die JA-Synthese fördern können.

Beispiel für die Zusammenarbeit: Abwehr gegen herbivore Insekten

Beim Angriff durch herbivore Insekten wird die Synthese von JA und ET gesteigert, was zu einer Signalkaskade führt, die Abwehrmoleküle produziert.

• JA und ET wirken zusammen, um die Expression von Genen zu induzieren, die Proteinase-Inhibitoren kodieren. Diese Inhibitoren stören die Verdauung der Insekten, wodurch deren Fressaktivität sinkt.
• Überschüssiges JA hemmt die SA-Signalwege, um sicherzustellen, dass die Abwehrreaktion gegen nekrotrophe Pathogene und Herbivoren fokussiert bleibt.

Mathematische Modelle zur Beschreibung der Dynamik

Mathematische Modelle, wie Differentialgleichungen, können helfen, die Dynamik der Interaktionen zwischen SA, JA und ET zu beschreiben. Diese Modelle berücksichtigen Produktions- und Abbauraten sowie die Wechselwirkungen zwischen den Hormonen.

• Differentialgleichungen:

\[\begin{aligned}&\frac{d[SA]}{dt} = P_{SA} - D_{SA} + f_{SA}([ET], [JA]) \ &\frac{d[JA]}{dt} = P_{JA} - D_{JA} + f_{JA}([ET], [SA]) \ &\frac{d[ET]}{dt} = P_{ET} - D_{ET} + f_{ET}([SA], [JA])\ \end{aligned}\]

• • ••

f_{SA}([ET], [JA]), f_{JA}([ET], [SA]) und f_{ET}([SA], [JA]) sind Funktionen, die die Art der Wechselwirkungen beschreiben. Zum Beispiel könnte f_{JA}([ET], [SA]) eine inhibitorische oder verstärkende Wirkung von ET und SA auf die Produktion von JA darstellen.Produktionsraten P_{SA}, P_{JA} und P_{ET}sowie Abbauraten D_{SA}, D_{JA} und D_{ET}sind konstante oder variable Parameter, die die Synthese und den Abbau der Phytohormone beschreiben.

Mit solchen Modellen können wir die Bedingungen simulieren, unter denen die verschiedenen Hormonwege aktiviert oder unterdrückt werden, um eine effektive Abwehrreaktion zu erzielen. Dies hilft dabei, die komplexe Dynamik der Pflanzenabwehr besser zu verstehen und vorherzusagen.Zusammenfassend agieren SA, JA und ET in einem komplexen Netzwerk von Signalwegen und Interaktionen, das es Pflanzen ermöglicht, spezifische und gut abgestimmte Abwehrreaktionen auf eine Vielzahl von biotischen Stressoren zu zeigen.

Aufgabe 4)

Bildung und Funktion von sekundären MetabolitenSekundäre Metaboliten sind organische Verbindungen, die nicht direkt am Wachstum oder der Fortpflanzung von Pflanzen beteiligt sind, aber essenziell für ihre Anpassung und Abwehrmechanismen gegen biotischen und abiotischen Stress.

• Biosynthese durch verschiedene Biosynthesewege, z. B. Shikimisäureweg, Mevalonatweg, Malonatweg
• Funktionen: Abwehr gegen Pathogene, Fraßschutz gegen Herbivoren, Signalübertragung, UV-Schutz
• Wichtige Klassen: Alkaloide, Terpenoide, Phenole
• Ökologische Bedeutung: Interaktion mit anderen Organismen, Anpassung an Umweltbedingungen
• Nutzung: Pharmazeutika, Pestizide, Aromastoffe

a)

Erkläre, wie der Shikimisäureweg zur Synthese von Phenolen in Pflanzen beiträgt. Beschreibe die Hauptschritte und Enzyme, die an diesem Weg beteiligt sind.

Lösung:

Erklärung: Der Shikimisäureweg ist ein wichtiger Biosyntheseweg bei Pflanzen und Mikroorganismen, der zur Synthese von aromatischen Aminosäuren und Phenolverbindungen führt. Dieser Weg ist besonders relevant, da er Phenole generiert, die eine wesentliche Rolle bei der Abwehr von Pathogenen und UV-Schutz spielen. Hier sind die Hauptschritte und Enzyme, die am Shikimisäureweg beteiligt sind:

• 3-Deoxy-D-arabino-heptulosonat-7-phosphat (DAHP) Synthase: Der erste Schritt des Shikimatwegs ist die Kondensation von Phosphoenolpyruvat (PEP) und Erythrose-4-phosphat (E4P) unter Bildung von DAHP.
• DAHP-Dehydratase: DAHP wird zu 3-Dehydrochinat (DHS) dehydriert.
• 3-Dehydrochinat Dehydratase: DHS wird zu 3-Dehydroshikimat (DHS) dehydriert.
• Shikimat-5-Dehydrogenase: DHS wird dann zu Shikimat reduziert.
• Shikimat-Kinase: Shikimat wird in Shikimat-3-Phosphat umgewandelt.
• 5-Enolpyruvylshikimate-3-phosphate (EPSP) Synthase: Shikimat-3-Phosphat reagiert mit Phosphoenolpyruvat (PEP) zur Bildung von EPSP.
• Chorismat-Synthase: Im letzten Schritt wird EPSP zu Chorismat, das dann als Ausgangsstoff für die Synthese von Phenolen und aromatischen Aminosäuren dient.

b)

Sekundäre Metaboliten spielen eine wichtige Rolle bei der Abwehr gegen Herbivoren. Erörtere ausführlich die Mechanismen, durch die Terpenoide und Alkaloide diese Funktion erfüllen. Nenne spezifische Beispiele und erläutere deren Wirkungsmechanismen.

Lösung:

Sekundäre Metaboliten spielen eine erhebliche Rolle dabei, Pflanzen vor Herbivoren zu schützen. Hier sind die Mechanismen aufgeführt, durch die Terpenoide und Alkaloide diese Funktion erfüllen:

Terpenoide

• Wirkungsmechanismen:
  • Terpenoide wirken oft als chemische Abwehrstoffe, die für Herbivoren toxisch oder abschreckend sind.
  • Einige Terpenoide unterbrechen die Entwicklung von Insekten, indem sie die Häutung oder das Fortpflanzungssystem beeinflussen.
  • Sie können die Zellmembranen von Herbivoren schädigen, wodurch sie den Befall erschweren.
• Beispiele:
  • Pyrethrine: Diese Terpenoide kommen in den Blüten von Chrysanthemen vor und wirken als natürliches Insektizid durch Störung der Nervenfunktionen.
  • Menthol: Ein Monoterpenoid, das in Minze vorkommt, hat abschreckende Eigenschaften und wird oft als natürliches Pestizid verwendet.
  • Gossypol: Ein Diterpenoid, das in Baumwolle vorkommt, wirkt als Abwehrstoff gegen Insekten und Spinnmilben.

Alkaloide

• Wirkungsmechanismen:
  • Alkaloide interagieren oft mit Nervenzellen, was zu Lähmungen oder Todesfällen bei Herbivoren führen kann.
  • Sie haben bitteren Geschmack, der dafür sorgt, dass die Pflanzen für Herbivoren unattraktiv werden.
  • Einige Alkaloide wirken auf das Herz-Kreislauf-System der Herbivoren und können toxische Effekte hervorrufen.
• Beispiele:
  • Nicotin: Kommt in Tabakpflanzen vor und wirkt als starkes Insektizid, indem es das Nervensystem angreift.
  • Capsaicin: Ein Alkaloid in Paprika, das stark abschreckend wirkt und durch seine Schärfe die Fresslust von Säugetieren verringert.
  • Atropin: Ein Alkaloid in Nachtschattengewächsen wie Tollkirsche, das toxische Wirkungen auf das Nervensystem von Herbivoren hat.

Durch diese Mechanismen und Beispiele wird deutlich, wie bedeutend sekundäre Metaboliten, insbesondere Terpenoide und Alkaloide, für die Pflanzenabwehr sind.

c)

Berechne: Wenn eine Pflanze eine Terpenoidkonzentration von 5 mg/g Frischgewicht aufweist und ihre Biomasse auf 100 g geschätzt wird, wie viel Terpenoid befindet sich insgesamt in der Pflanze? Zeige die Berechnungsschritte.

Lösung:

Berechnung: Um die Gesamtmenge an Terpenoiden in der Pflanze zu berechnen, müssen wir die Terpenoidkonzentration (in mg/g) mit der gesamten Biomasse der Pflanze (in g) multiplizieren.

• Schritt 1: Identifizierung der Terpenoidkonzentration: Die Terpenoidkonzentration beträgt 5 mg/g.
• Schritt 2: Angabe der Biomasse der Pflanze: Die Biomasse wird auf 100 g geschätzt.
• Schritt 3: Berechnung der Gesamtmenge an Terpenoiden: Wir multiplizieren die Terpenoidkonzentration mit der Biomasse:
  • Die Formel lautet:
  • Gesamtmenge an Terpenoiden = Terpenoidkonzentration × Biomasse
  • Gesamtmenge an Terpenoiden = 5 mg/g × 100 g
• Schritt 4: Durchführung der Multiplikation: Gesamtmenge an Terpenoiden = 5 mg/g × 100 g = 500 mg

Ergebnis: Die Gesamtmenge an Terpenoiden in der Pflanze beträgt 500 mg.