Pflanzenfunktionen im Klimawandel (Wahl Pflanzenwissenschaften) - Exam.pdf

Aufgabe 1)

Mechanismen der CO2-Aufnahme und -Nutzung in PflanzenCO2-Aufnahme und -Nutzung in Pflanzen durch Photosynthese, Lichtabhängige Reaktionen und Calvin-Zyklus. Essentiell für Biomasseproduktion.

• CO2-Aufnahme über Stomata
• Diffusion von CO2 in Mesophyllzellen
• Carboxylierung von RuBP durch RubisCO zu 3-PGA
• Reduktion von 3-PGA zu G3P
• Regeneration von RuBP
• C₃-Pflanzen: 3-PGA als erstes stabiles Produkt
• C₄-Pflanzen: CO2-Fixierung in Mesophyllzellen, Transport als Malat zu Bündelscheidenzellen
• CAM-Pflanzen: zeitlich getrennte CO2-Fixierung und Calvin-Zyklus

a)

Erkläre den Unterschied zwischen den Mechanismen der CO2-Aufnahme und -Nutzung in C₃- und C₄-Pflanzen. Wie tragen diese Mechanismen zur Effizienz der Photosynthese bei unterschiedlichen Umweltbedingungen bei? Nutze spezifische biochemische Reaktionen und Enzyme in Deiner Erklärung.

Lösung:

Unterschiede zwischen CO₃ und C₄ Pflanzen in der CO₂-Aufnahme und Nutzung

• C₃-Pflanzen:

• Mechanismus: CO₂ wird direkt in den Mesophyllzellen durch das Enzym RubisCO fixiert. Das erste stabile Produkt der CO₂-Fixierung ist 3-Phosphoglycerinsäure (3-PGA).
• Biochemische Reaktionen: CO₂ + Ribulose-1,5-bisphosphat (RuBP) ⟶ 2 Moleküle 3-PGA (Carboxylierung, katalysiert durch RubisCO)
• Enzym: RubisCO (Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/Oxygenase)
• Effizienz: Höhere Effizienz bei moderaten Licht- und Temperaturbedingungen. Geringere Effizienz bei hohen Temperaturen und niedriger CO₂-Konzentration aufgrund von Photorespiration.

• C₄-Pflanzen:

• Mechanismus: CO₂ wird zunächst in den Mesophyllzellen durch das Enzym PEP-Carboxylase fixiert und in Form von C₄-Säuren (z.B. Malat) gespeichert. Diese C₄-Säuren werden dann zu den Bündelscheidenzellen transportiert, wo das CO₂ freigesetzt und durch RubisCO in den Calvin-Zyklus eingebracht wird.
• Biochemische Reaktionen: CO₂ + Phosphoenolpyruvat (PEP) ⟶ Oxalacetat (OAA), das in Malat umgewandelt wird. Malat wird transportiert und zu Pyruvat und CO₂ decarboxyliert, letzteres wird durch RubisCO fixiert.
• Enzyme: PEP-Carboxylase (in Mesophyllzellen), RubisCO (in Bündelscheidenzellen)
• Effizienz: Hohe Effizienz bei hohen Lichtintensitäten, hohen Temperaturen und niedrigen CO₂-Konzentrationen. Reduzierte Photorespiration durch räumliche Trennung der CO₂-Fixierung und des Calvin-Zyklus.

Zusammenfassung

• C₃-Pflanzen fixieren CO₂ direkt durch RubisCO, was bei ungünstigen Umweltbedingungen (hohe Temperaturen und niedrige CO₂-Konzentration) zur ineffizienten Photorespiration führen kann.
• C₄-Pflanzen nutzen eine zusätzliche CO₂-Fixierungsstufe durch PEP-Carboxylase und betreiben räumliche Trennung der Fixierung und des Calvin-Zyklus, was Photorespiration minimiert und die Effizienz unter schwierigen Bedingungen erhöht.

b)

Betrachte eine Pflanze, die 100 Moleküle CO2 aufnimmt. Dabei reicht ein Lichtzyklus aus, um 10 Moleküle 3-PGA aus 5 Molekülen RuBP zu produzieren. Berechne, wie viele Moleküle durch drei vollständige Calvin-Zyklen hergestellt werden können. Beachte dabei, dass für jeden Molekülzyklus 3 Moleküle CO2 benötigt werden.

Lösung:

Berechnung der hergestellten Moleküle durch den Calvin-Zyklus

Gegeben:

• Eine Pflanze nimmt 100 Moleküle CO2 auf.
• Ein Lichtzyklus produziert 10 Moleküle 3-PGA aus 5 Molekülen RuBP.
• Für jeden Calvin-Zyklus werden 3 Moleküle CO2 benötigt.

Schritte zur Lösung:

1. Berechne die Anzahl der Calvin-Zyklen, die mit 100 Molekülen CO2 durchgeführt werden können.
2. Berechne die Anzahl der Moleküle, die durch drei vollständige Calvin-Zyklen produziert werden können.

1. Anzahl der Calvin-Zyklen

Jeder Calvin-Zyklus benötigt 3 Moleküle CO2. Somit ist die Anzahl der Calvin-Zyklen, die aus 100 Molekülen CO2 resultieren:

• \( \text{Anzahl der Calvin-Zyklen} = \frac{100}{3} \approx 33,33 \)

Da nur ganze Calvin-Zyklen durchgeführt werden können, werden insgesamt 33 vollständige Calvin-Zyklen mit 99 Molekülen CO2 ausgeführt. Das übrig gebliebene 1 Molekül CO2 kann nicht für einen neuen Zyklus verwendet werden.

2. Moleküle, die durch drei vollständige Calvin-Zyklen produziert werden:

• Für jeden Zyklus werden 3 Moleküle CO2 benötigt, um eine RuBP-Carboxylierung durchzuführen, die 10 Moleküle 3-PGA produziert.
• Pro Calvin-Zyklus: 10 Moleküle 3-PGA
• Durch drei vollständige Calvin-Zyklen: 3 × 10 = 30 Moleküle 3-PGA

Zusammenfassung

• Mit 100 Molekülen CO2 können 33 vollständige Calvin-Zyklen durchgeführt werden und insgesamt 330 Moleküle 3-PGA produziert werden.
• Für 3 vollständige Calvin-Zyklen können insgesamt 30 Moleküle 3-PGA produziert werden.

Aufgabe 2)

Veränderungen im Wasserhaushalt beeinflussen die Verfügbarkeit von Wasser für Pflanzen und damit deren Wachstum, Stoffwechsel und Überlebensfähigkeit. Ein Wasserdefizit führt zur Schließung der Stomata, was die Photosyntheseleistung reduziert und osmotischen Stress sowie Zellschädigung verursacht. Zudem verstärken Pflanzen die Produktion von Abwehrstoffen bei Wassermangel. Längere Trockenperioden können das Risiko von Pflanzensterben erhöhen, während Überschwemmungen Wurzelfäule und Nährstoffmangel verursachen können. Solche Änderungen im Wasserhaushalt tragen auch zur Verschiebung von Vegetationszonen bei.

a)

Sub-Exercise 1: Beschreibe detailliert, wie ein Wasserdefizit zur Schließung der Stomata führt und erkläre die physiologischen und molekularen Mechanismen, die an diesem Prozess beteiligt sind. Diskutiere die direkten und indirekten Auswirkungen der Stomata-Schließung auf die Photosyntheseleistung und den Wasserhaushalt der Pflanze unter Berücksichtigung der folgenden Punkte:

• Wasserpotenzial
• Abscisinsäure (ABA)
• Ionenzu- und -abfluss in den Schließzellen
• Gaswechsel

Lösung:

Sub-Exercise 1: Beschreibe detailliert, wie ein Wasserdefizit zur Schließung der Stomata führt und erkläre die physiologischen und molekularen Mechanismen, die an diesem Prozess beteiligt sind. Diskutiere die direkten und indirekten Auswirkungen der Stomata-Schließung auf die Photosyntheseleistung und den Wasserhaushalt der Pflanze unter Berücksichtigung der folgenden Punkte:

• Wasserpotenzial
• Abscisinsäure (ABA)
• Ionenzu- und -abfluss in den Schließzellen
• Gaswechsel

Ein Wasserdefizit führt zur Schließung der Stomata durch eine komplexe Interaktion von Wasserpotenzial, hormonellen Signalen, insbesondere Abscisinsäure (ABA), und Veränderungen in den Schließzellen. Lass uns jeden dieser Punkte detailliert betrachten:

• Wasserpotenzial:Das Wasserpotenzial ( \psi ) ist ein Maß für die freie Energie von Wasser in einem System und bestimmt die Bewegung von Wasser zwischen Zellen. Bei Wasserdefizit sinkt das Wasserpotenzial in den Blattzellen, was zu einem osmotischen Ungleichgewicht führt. Pflanzen müssen Wasser sparen, um das Überleben zu gewährleisten, was die Schließung der Stomata als erste Reaktion zur Folge haben kann.
• Abscisinsäure (ABA):Unter Wassermangelbedingungen steigt der ABA-Gehalt in den Blättern. ABA wird in den Wurzeln synthetisiert und in die Blätter transportiert, wo es spezifische Rezeptoren in den Schließzellen aktiviert. Diese Aktivierung führt zur Erhöhung des Kalziumspiegels in den Schließzellen, was eine Kaskade von Signalereignissen auslöst, die letztendlich die Schließung der Stomata verursachen.
• Ionenzu- und -abfluss in den Schließzellen:Die Schließzellen regulieren ihre Turgorspannung durch Ionenzu- und -abflüsse. Wenn ABA die Kalziumkonzentration erhöht, werden Kaliumionen (K⁺) und Chloridionen (Cl^-) aus den Schließzellen durch spezifische Ionentransporter freigesetzt. Dieser Ionenausstrom führt zu einem Wasserverlust in den Schließzellen durch Osmose, was die Turgor druck verringert und somit die Schließung der Stomata bewirkt.
• Gaswechsel:Die Schließung der Stomata reduziert den Gaswechsel zwischen der Pflanze und ihrer Umgebung. Dies führt zu einer Reduktion der CO₂-Aufnahme, was die Photosyntheserate senkt. Einerseits hilft diese Schließung den Wasserverlust durch Transpiration zu minimieren, was für das Überleben der Pflanze in trockenen Bedingungen wichtig ist. Andererseits kann eine anhaltende Stomata-Schließung zu einer signifikanten Reduktion des Kohlenstofffixierungsvermögens der Pflanze und damit zu vermindertem Wachstum und Ertrag führen.

Zusammengefasst führt ein Wasserdefizit über mehrere physiologische und molekulare Mechanismen zur Schließung der Stomata. Dies hilft der Pflanze, Wasser zu sparen, hat aber gleichzeitig negative Auswirkungen auf die Photosynthese und das Wachstum. Diese Reaktionen sind entscheidend für das Überleben der Pflanze unter Trockenstressbedingungen, auch wenn sie das langfristige Wachstum beeinträchtigen können.

b)

Sub-Exercise 2: Angenommen, eine Pflanzenart zeigt eine Abnahme der Photosyntheserate von 20% pro Tag unter Wassermangelbedingungen. Berechne die verbleibende Photosyntheserate nach einer Woche (7 Tage) Wassermangel, wenn die Anfangsrate bei 100 µmol CO₂/m²/s liegt. Zeige alle Schritte und Formeln, die für die Berechnung verwendet wurden.

Hinweis: Du kannst die Exponentialfunktion \( P(t) = P_0 \cdot (1 - r)^t \) verwenden, wobei \( P_0 \) die Anfangsphotosyntheserate, \( r \) die tägliche Abnahmerate, und \( t \) die Anzahl der Tage ist.

Lösung:

Sub-Exercise 2: Angenommen, eine Pflanzenart zeigt eine Abnahme der Photosyntheserate von 20% pro Tag unter Wassermangelbedingungen. Berechne die verbleibende Photosyntheserate nach einer Woche (7 Tage) Wassermangel, wenn die Anfangsrate bei 100 µmol CO₂/m²/s liegt. Zeige alle Schritte und Formeln, die für die Berechnung verwendet wurden.

Hinweis: Du kannst die Exponentialfunktion \( P(t) = P_0 \cdot (1 - r)^t \) verwenden, wobei \( P_0 \) die Anfangsphotosyntheserate, \( r \) die tägliche Abnahmerate, und \( t \) die Anzahl der Tage ist.

Um die verbleibende Photosyntheserate nach einer Woche (7 Tage) Wassermangel zu berechnen, verwenden wir die gegebene Exponentialfunktion:

• Die Anfangsphotosyntheserate \( P_0 = 100 \ \text{µmol CO}_2/\text{m}^2/\text{s} \)
• Die tägliche Abnahmerate \( r = 0,20 \)
• Die Anzahl der Tage \( t = 7 \)

Setze diese Werte in die Exponentialfunktion \( P(t) = P_0 \cdot (1 - r)^t \) ein, um die verbleibende Photosyntheserate nach 7 Tagen zu berechnen:

• \( P(7) = 100 \ \text{µmol CO}_2/\text{m}^2/\text{s} \cdot (1 - 0,20)^7 \)

Zuerst berechnen wir den Term \( (1 - r)^t \):

• \( 1 - 0,20 = 0,80 \)
• \( 0,80^7 \approx 0,2097152 \)

Nun multiplizieren wir das Ergebnis mit der Anfangsphotosyntheserate:

• \( P(7) = 100 \ \text{µmol CO}_2/\text{m}^2/\text{s} \cdot 0,2097152 \approx 20,97 \ \text{µmol CO}_2/\text{m}^2/\text{s} \)

Nach einer Woche (7 Tagen) Wassermangel beträgt die verbleibende Photosyntheserate also ungefähr \( 20,97 \ \text{µmol CO}_2/\text{m}^2/\text{s} \).

Aufgabe 3)

Pflanzen sind hochentwickelte Organismen, die in der Lage sind, eine Vielzahl von abiotischen und biotischen Stressfaktoren zu erkennen und darauf zu reagieren. Solche Stressfaktoren umfassen unter anderem Trockenheit, Hitze, Kälte, Salz, sowie Angriffe durch Pathogene und Schädlinge. Diese Umwelteinflüsse lösen verschiedene physiologische Prozesse und Anpassungsstrategien aus, wie zum Beispiel eine Erhöhung der Abscisinsäure (ABA)-Konzentration während Trockenheit, die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) und die Aktivierung antioxidativer Abwehrmechanismen. Weitere Antworten auf Stress sind osmotische Anpassung durch die Akkumulation kompatibler Solute wie Prolin und Glycinbetain, sowie die Synthese von Hitze- und Kälteschockproteinen (HSPs/CSPs). Zudem gibt es eine komplexe Interaktion zwischen verschiedenen Signalkaskaden, einschließlich ABA, Ethylen und Jasmonat sowie Änderungen in der Genexpression, bei der Transkriptionsfaktoren wie DREB/CBF eine wichtige Rolle spielen.

a)

Erkläre, wie Pflanzen die Konzentration der Abscisinsäure (ABA) während Trockenheit erhöhen und welcher Nutzen daraus entsteht. Diskutiere dabei sowohl die physiologischen Prozesse als auch die damit verbundenen Vorteile für die Pflanze.

Lösung:

Erklärung der Erhöhung der Abscisinsäure (ABA)-Konzentration bei Trockenheit:

• Erhöhung der ABA-Biosynthese: Bei Trockenheit beginnt die ABA-Biosynthese in den Wurzeln und Blättern der Pflanze. Dieser Prozess wird durch die Wahrnehmung des Wassermangels ausgelöst, was zur Aktivierung von Enzymen führt, die an der ABA-Produktion beteiligt sind.
• Transport: Die synthetisierte ABA wird dann von den Wurzeln in die Blattzellen transportiert. Dies erfolgt über das Xylem, die wasserleitenden Gefäße der Pflanze.
• Signaltransduktion: Nachdem die ABA in den Blättern ankommt, bindet sie an spezialisierte Rezeptoren in den Zellen. Dies aktiviert eine Signaltransduktionskaskade, die schließlich zur Veränderung der Genexpression und der Aktivierung spezifischer Proteine führt.
• Schließen der Spaltöffnungen: ABA spielt eine entscheidende Rolle beim Schließen der Stomata (Spaltöffnungen) auf der Blattoberfläche. Das Schließen der Stomata reduziert die Transpiration, also den Wasserverlust der Pflanze, und hilft somit, den Wasserhaushalt der Pflanze während der Trockenheit zu bewahren.

Vorteile der Erhöhung der ABA-Konzentration:

• Reduzierter Wasserverlust: Indem die Stomata geschlossen werden, verringert sich der Wasserverlust der Pflanze durch Transpiration. Dies ist besonders wichtig während Trockenperioden, um Wasserressourcen zu sparen.
• Erhöhung der Überlebenschancen: Die Anpassung an Trockenheit durch die Erhöhung der ABA-Konzentration und das Schließen der Stomata erhöht die Überlebenschancen der Pflanze unter widrigen Umweltbedingungen.
• Regulation der Genexpression: ABA beeinflusst die Genexpression und führt zur Produktion von Proteinen, die der Pflanze helfen, mit Trockenstress umzugehen. Dies beinhaltet stressresistente Proteine und Enzyme, die zur Erhaltung der Zellstruktur und -funktion bei Wassermangel beitragen.
• Anpassungsstrategien: ABA fördert die Akkumulation kompatibler Solute wie Prolin und Glycinbetain, welche die Zellen vor osmotischem Stress schützen und die Zellstruktur stabilisieren.

b)

Die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) ist eine übliche Reaktion auf mehrere Stressfaktoren. Erläutere die Mechanismen, durch die Pflanzen ROS neutralisieren. Gehe dabei sowohl auf die enzymatischen als auch auf die nicht-enzymatischen Abwehrsysteme ein.

Lösung:

Mechanismen zur Neutralisierung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) in Pflanzen:

• Enzymatische Abwehrsysteme:
  • Superoxiddismutase (SOD): Dieses Enzym katalysiert die Umwandlung von Superoxid-Anionen (O₂⁻) in Wasserstoffperoxid (H₂O₂) und Sauerstoff (O₂). Die Reaktion lässt sich chemisch wie folgt darstellen: \[2 O₂⁻ + 2 H⁺ \rightarrow H₂O₂ + O₂\]
  • Katalase (CAT): Katalase baut das in der vorherigen Reaktion gebildete Wasserstoffperoxid (H₂O₂) zu Wasser (H₂O) und Sauerstoff (O₂) ab und verhindert dadurch die Ansammlung von H₂O₂, das zytotoxisch wirken könnte:\[2 H₂O₂ \rightarrow 2 H₂O + O₂\]
  • Ascorbat-Peroxidase (APX): Dieses Enzym katalysiert die Umwandlung von H₂O₂ unter Verwendung von Ascorbat (Vitamin C) als Elektronendonor. Das Wasserstoffperoxid wird zu Wasser reduziert, während Ascorbat oxidiert wird:\[H₂O₂ + Ascorbat \rightarrow 2 H₂O + Dehydroascorbat\]
  • Glutathion-Reduktase (GR): Glutathion-Reduktase regeneriert reduziertes Glutathion (GSH) aus oxidiertem Glutathion (GSSG), das als Antioxidans fungiert. Dies ist entscheidend für die Aufrechterhaltung des zellulären antioxidativen Status:\[GSSG + NADPH + H⁺ \rightarrow 2 GSH + NADP⁺\]
• Nicht-enzymatische Abwehrsysteme:
  • Ascorbinsäure (Vitamin C): Ascorbinsäure ist ein starkes Antioxidans, das direkt mit ROS wie O₂⁻ und H₂O₂ reagiert und diese neutralisiert.
  • Glutathion: Glutathion in seiner reduzierten Form (GSH) kann direkt mit ROS reagieren und dadurch oxidativen Stress mindern.
  • Carotinoide: Pigmente wie Beta-Carotin und Lutein fangen ROS ab und verhindern so die Schädigung zellulärer Strukturen.
  • Flavonoide: Diese pflanzlichen Sekundärmetabolite dienen als effiziente Antioxidantien und helfen, ROS zu neutralisieren.

Zusammenfassung: Pflanzen nutzen eine Kombination aus enzymatischen und nicht-enzymatischen Abwehrmechanismen zur Neutralisierung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS). Enzyme wie Superoxiddismutase, Katalase, Ascorbat-Peroxidase und Glutathion-Reduktase spielen eine Schlüsselrolle bei der Umwandlung und Entfernung von ROS. Gleichzeitig sorgen nicht-enzymatische Antioxidantien wie Ascorbinsäure, Glutathion, Carotinoide und Flavonoide dafür, dass ROS effektiv neutralisiert werden. Diese Systeme arbeiten synergetisch zusammen, um die Zellen vor oxidativen Schäden zu schützen und die Funktion der Pflanze unter Stressbedingungen aufrechtzuerhalten.

c)

Osmotische Anpassung ist eine wichtige Strategie zur Bewältigung von Salz- und Trockenstress. Beschreibe die Rolle kompatibler Solute in der osmotischen Anpassung und wie diese in der Pflanzenzelle wirken. Berechne, wie sich die Akkumulation von Prolin in den Zellen auf das osmotische Potenzial auswirkt, wenn die Konzentration von Prolin von 0,01 M auf 0,05 M ansteigt. (Hinweis: Verwende die Van't-Hoff-Gleichung, um das osmotische Potenzial zu berechnen.)

Lösung:

Osmotische Anpassung und die Rolle kompatibler Solute:

• Rolle kompatibler Solute: Kompatible Solute wie Prolin und Glycinbetain sind kleine organische Moleküle, die Pflanzen unter Stressbedingungen akkumulieren. Ihre Funktionen sind:
  • Aufrechterhaltung des osmotischen Gleichgewichts: Sie stabilisieren das osmotische Potenzial der Zellen, indem sie Wasseraufnahme ermöglichen und so das Zellvolumen und die Zellfunktion aufrechterhalten.
  • Schutz der Proteine und Membranen: Kompatible Solute interagieren mit Proteinen und Zellmembranen, um deren Struktur und Funktion zu bewahren.
  • Entgiftung von ROS: Sie reduzieren oxidative Schäden, indem sie als Antioxidantien fungieren.
• Mechanismus der Wirkung in der Zelle: Kompatible Solute werden in den Zellen akkumuliert, um das osmotische Potenzial zu senken, ohne die Zellprozesse zu beeinträchtigen. Sie sind chemisch inert und interagieren nicht mit den normalen biochemischen Prozessen der Zelle.

Berechnung des osmotischen Potenzials: Um zu berechnen, wie sich die Akkumulation von Prolin auf das osmotische Potenzial (\psi_s) auswirkt, verwenden wir die Van't-Hoff-Gleichung:

\[ \psi_s = -CRT \]

wobei:

• \( C \) die Molarität des gelösten Stoffs ist (in mol/L)
• \( R \) die universelle Gaskonstante ist (0,0831 L·bar/(K·mol))
• \( T \) die Temperatur in Kelvin ist

Angenommen, die Temperatur beträgt 298 K (25°C).

1. Schritt: Berechnung des osmotischen Potenzials bei einer Prolin-Konzentration von 0,01 M:

\[ \psi_s = -0,01 \ \times 0,0831 \ \times 298 \]

\[ \psi_s = -0,248 bar \]

2. Schritt: Berechnung des osmotischen Potenzials bei einer Prolin-Konzentration von 0,05 M:

\[ \psi_s = -0,05 \ \times 0,0831 \ \times 298 \]

\[ \psi_s = -1,241 bar \]

Ergebnis: Die Erhöhung der Prolin-Konzentration von 0,01 M auf 0,05 M führt zu einer Abnahme des osmotischen Potenzials von -0,248 bar auf -1,241 bar. Dies zeigt, dass die Akkumulation von Prolin in den Zellen das osmotische Potenzial signifikant senkt, wodurch die Zellen Wasser aufnehmen und den osmotischen Stress bewältigen können.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Akkumulation kompatibler Solute wie Prolin einen wichtigen Beitrag zur osmotischen Anpassung von Pflanzen unter Salz- und Trockenstress leistet. Dies ermöglicht es den Pflanzen, ihre Zellstruktur und -funktion auch unter ungünstigen Umweltbedingungen zu erhalten.

d)

Veranschauliche den Crosstalk zwischen ABA, Ethylen und Jasmonat anhand eines spezifischen Szenarios, wie z.B. einem Pathogenbefall. Diskutiere, wie die Signalkaskaden miteinander interagieren und was dies für die Genexpression und die physiologische Antwort der Pflanze bedeutet.

Lösung:

Crosstalk zwischen ABA, Ethylen und Jasmonat bei einem Pathogenbefall:

Beim Befall durch Pathogene interagieren die Signalkaskaden von Abscisinsäure (ABA), Ethylen und Jasmonat (JA) auf komplexe Weise, um die Abwehrmechanismen der Pflanzen zu optimieren. Hier eine detaillierte Darstellung dieser Interaktionen:

• Erkennung des Pathogens: Pflanzen besitzen Mustererkennungs-Rezeptoren (PRRs), die pathogenen Mikroben erkennen. Diese Erkennung löst eine Signalkaskade aus, die zur Produktion von Abwehrhormonen wie Ethylen und Jasmonat führt.
• Jasmonat-Signalkaskade: Die Erkennung des Pathogens induziert die Synthese von Jasmonat, das durch eine spezifische Signalkaskade wirkt. Ein Schlüsselschritt ist die Interaktion von Jasmonat mit dem CORONATINE INSENSITIVE1 (COI1)-Rezeptor, was zur Freisetzung und Aktivierung von Transkriptionsfaktoren wie MYC2 führt. Diese Transkriptionsfaktoren aktivieren die Expression von Genen, die an Abwehrmechanismen beteiligt sind.
• Rolle von Ethylen: Ethylen wird ebenfalls schnell nach der Pathogen-Erkennung synthetisiert. Es wirkt oft synergistisch mit Jasmonat, indem es die Expression von Abwehrgenen wie PDF1.2 verstärkt. Ethylen koordiniert auch die Regulierung von Wachstum und Abwehr durch die Modulation von Transkriptionsfaktoren wie EIN3/EIL1.
• Einfluss von ABA: Abscisinsäure (ABA) wird hauptsächlich unter abiotischem Stress wie Trockenheit produziert, kann aber auch durch biotischen Stress beeinflusst werden. ABA kann die Abwehrreaktion modulieren, indem sie auf Ethylen- und Jasmonat-Signalkaskaden Einfluss nimmt. Beispielsweise kann ABA die Ethylen-Bildung hemmen und dadurch die durch Ethylen induzierten Abwehrreaktionen abschwächen.
• Crosstalk und Genexpression: Der Crosstalk zwischen diesen Signalkaskaden ermöglicht eine fein abgestimmte Regulation der Genexpression. Transkriptionsfaktoren wie DREB/CBF, die in ABA-Signalkaskaden aktiv sind, können ebenfalls auf die Expression von Abwehrgenen Einfluss nehmen. Diese Integration ermöglicht eine koordinierte Antwort auf mehrere Stressfaktoren und optimiert die Ressourcennutzung der Pflanze.
• Physiologische Antwort: Durch die koordinierten Signalkaskaden und den Crosstalk zwischen ABA, Ethylen und Jasmonat können Pflanzen eine umfassende Abwehrstrategie entwickeln. Dies führt zu einer erhöhten Produktion von Abwehrproteinen, verstärkter Zellwandverstärkung und der Synthese von antimikrobiellen Verbindungen. Gleichzeitig kann die Pflanze abiotische Stressreaktionen wie Stomata-Schließen und osmotische Anpassung steuern, um den Wasserverlust zu minimieren.

Zusammenfassung: Der Crosstalk zwischen den Signalkaskaden von ABA, Ethylen und Jasmonat ist entscheidend für eine effektive Reaktion der Pflanze auf biotischen Stress durch Pathogene. Diese komplexen Interaktionen führen zu einer optimierten Genexpression und physiologischen Anpassung, die sowohl auf abiotische als auch auf biotische Stressfaktoren abgestimmt ist.

Aufgabe 4)

Einfluss von Klimaveränderungen auf Photosynthese und Atmung - Anpassungen von Pflanzenprozessen an veränderte Umweltbedingungen.

• Erhöhte CO₂-Konzentrationen fördern anfänglich die Photosynthese: C₃-Pflanzen profitieren mehr als C₄-Pflanzen.
• Temperaturanstieg kann Photosyntheserate beeinflussen: Optimum unterschiedlich je nach Pflanzenart.
• Hitzestress beeinträchtigt Enzymaktivität, insbesondere Rubisco.
• Wassermangel und erhöhter Evapotranspirationsdruck reduzieren Stomataöffnung, verringern CO₂-Aufnahme.
• Bei langfristigem Klimawandel können Anpassungsstrategien wie veränderte Blattstrukturen oder tiefere Wurzelsysteme auftreten.
• Atmung (Respiration) steigt mit Temperatur, erhöhter Kohlenstoffverlust.
• Verhältnis von Photosynthese zu Atmung (Nettoprimärproduktion, NPP) beeinflusst Kohlenstoffbilanz der Pflanzen.

a)

Angenommen, eine C₃-Pflanze und eine C₄-Pflanze werden unter gleichen Bedingungen ausgesetzt, bei denen die CO₂-Konzentrationen schrittweise erhöht werden. Diskutiere und erkläre detailliert, welche biologischen Mechanismen dazu führen, dass C₃-Pflanzen stärker von der Erhöhung profitieren. Gehe dabei insbesondere auf die Rolle und Unterschiede des Rubisco-Enzyms ein.

Lösung:

Einfluss von CO₂-Konzentrationen auf C₃ und C₄-Pflanzen

• Erhöhte CO₂-Konzentrationen fördern anfänglich die Photosynthese: C₃-Pflanzen profitieren mehr als C₄-Pflanzen.
• Der Unterschied liegt hauptsächlich in der Funktionsweise und Effizienz des Enzyms Rubisco.

Hier ist eine detaillierte Diskussion der Mechanismen und Unterschiede:

• C₃-Pflanzen
  • Photosynthesemechanismus: C₃-Pflanzen nutzen einen photosynthetischen Weg, in dem das Enzym Rubisco (Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/Oxygenase) während des Calvin-Zyklus CO₂ fixiert.
  • Rubisco und seine Effizienz: Rubisco hat eine doppelte Funktion – es kann sowohl CO₂ als auch O₂ fixieren. Unter normalen CO₂-Konzentrationen konkurrieren O₂ und CO₂ um die Bindungsstelle des Enzyms, was zu Photorespiration führt, einem Prozess, der Energie und Kohlenstoff verliert. Erhöhte CO₂-Konzentrationen vermindern die Bindung von O₂ und erhöhen die Fixierung von CO₂ durch Rubisco, was die Photosyntheserate steigert.
  • Nutzen durch erhöhte CO₂-Konzentrationen: Da Rubisco in C₃-Pflanzen direkter an die CO₂-Fixierung gebunden ist, profitieren diese Pflanzen deutlich von erhöhten CO₂-Konzentrationen durch eine Steigerung der Photosyntheserate und einen Rückgang der Photorespiration.
• C₄-Pflanzen
  • Photosynthesemechanismus: C₄-Pflanzen besitzen einen zusätzlichen CO₂-Fixierungsweg, der zu höheren Effizienz bei niedrigen CO₂-Konzentrationen führt. Diese Pflanzen nutzen zunächst das Enzym PEP-Carboxylase zur Fixierung von CO₂ in vier-Kohlenstoff-Verbindungen, bevor dieses in spezielle Blattzellen (Bündelscheidenzellen) transportiert wird, wo Rubisco dann CO₂ fixiert.
  • Rubisco und seine Effizienz: PEP-Carboxylase hat eine höhere Affinität zu CO₂ und ist nicht durch O₂ beeinflusst. Daher findet die erste CO₂-Fixierung effizienter statt, was zu weniger Photorespiration führt. In den Bündelscheidenzellen sind CO₂-Konzentrationen hoch genug, dass Rubisco fast ausschließlich CO₂ fixiert.
  • Geringer Anstieg durch erhöhte CO₂-Konzentrationen: Aufgrund des effizienteren CO₂-Fixierungsmechanismus profitieren C₄-Pflanzen weniger stark von einer Erhöhung der CO₂-Konzentrationen im Vergleich zu C₃-Pflanzen. Der Hauptvorteil von C₄-Pflanzen liegt bereits in der Minimierung der Photorespiration.

Schlussfolgerung:

• In einem Umfeld mit höheren CO₂-Konzentrationen profitieren C₃-Pflanzen stärker, da Rubisco effizienter CO₂ fixieren kann und gleichzeitig die verlustbringende Photorespiration reduziert wird.
• C₄-Pflanzen haben bereits Mechanismen, um bei höheren Temperaturen und geringeren CO₂-Konzentrationen effizient zu arbeiten, und daher ist ihr Nutzen durch erhöhte CO₂-Konzentrationen begrenzter.

c)

Erkläre, wie sich Hitzestress und Wassermangel langfristig auf die Pflanze auswirken. Beschreibe mögliche Anpassungsstrategien, die Pflanzen entwickeln können, um mit diesen veränderten Umweltbedingungen umzugehen. Verwende Beispiele für Modifikationen der Blattstrukturen oder Wurzelsysteme.

Lösung:

Langfristige Auswirkungen von Hitzestress und Wassermangel auf Pflanzen und ihre Anpassungsstrategien

• Langfristige Auswirkungen von Hitzestress:
  • Enzymaktivität: Hitzestress beeinträchtigt die Funktion von Enzymen, insbesondere Rubisco, das für die CO₂-Fixierung in der Photosynthese entscheidend ist.
  • Photosyntheserate: Hohe Temperaturen können die Photosyntheserate verringern, da die Enzyme weniger effizient arbeiten und die Öffnung der Stomata (für CO₂-Aufnahme) reduziert ist.
  • Proteindenaturierung: Extrem hohe Temperaturen können Proteine denaturieren und die allgemeine Zellstruktur schädigen.
• Langfristige Auswirkungen von Wassermangel:
  • Stomataöffnung: Wassermangel führt zur Schließung der Stomata, um Wasserverlust zu reduzieren, was jedoch die CO₂-Aufnahme verringert.
  • Photosyntheserate: Eingeschränkte CO₂-Aufnahme senkt die Photosyntheserate.
  • Osmotischer Stress: Wassermangel führt zu osmotischem Stress, was die Zellfunktionen und den Zellstoffwechsel beeinträchtigt.
  • Wachstum: Reduzierte Wasserverfügbarkeit kann das Wachstum und die Entwicklung der Pflanze verlangsamen oder stoppen.
• Anpassungsstrategien der Pflanzen:
  • Modifikationen der Blattstrukturen:
    • Cuticula-Verdickung: Eine dickere Cuticula reduziert den Wasserverlust durch Verdunstung.
    • Härchenbildung oder Trichome: Diese Strukturen reflektieren Licht und reduzieren somit die Blatttemperatur.
    • Blattwinkeländerung: Pflanzen können ihre Blätter in einem steileren Winkel orientieren, um die direkte Sonneneinstrahlung zu verringern.
    • Reduzierte Blattfläche: Kleinere oder gefaltete Blätter minimieren die Oberfläche, die Wasser verlieren kann.
  • Modifikationen der Wurzelsysteme:
    • Vertiefte Wurzelsysteme: Tiefere Wurzeln ermöglichen es Pflanzen, Wasser aus tieferen Bodenschichten aufzunehmen.
    • Weitläufige Wurzelsysteme: Ein breiteres Netzwerk von Wurzeln kann mehr Wasser aus einem größeren Bodenvolumen aufnehmen.
    • Mykorrhizale Symbiosen: Die Symbiose mit Mykorrhiza-Pilzen kann die Wasser- und Nährstoffaufnahme verbessern, da diese Pilze die Wurzeloberfläche vergrößern.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Pflanzen eine Vielzahl von Anpassungsstrategien entwickeln können, um Hitzestress und Wassermangel zu begegnen. Diese Strategien umfassen sowohl strukturelle Modifikationen der Blätter als auch Veränderungen der Wurzelsysteme, um die Wasseraufnahme zu maximieren und den Wasserverlust zu minimieren. Diese Anpassungen sind entscheidend, um das Überleben und das Wachstum der Pflanzen in einer sich ändernden Umwelt sicherzustellen.