Kapitel 4 Flashcards
Die Studierenden... … können Photomorphosen beschreiben und ihre Steuerung auf molekularer Ebene erklären.
Was sind Photomorphosen?
Definition Wikipedia:
Photomorphogenese ist ein Begriff aus der Botanik und bezeichnet die durch die Anwesenheit von Licht bewirkte Gesamtentwicklung einer Pflanze.
Wir haben betrachtet:
- hell/dunkel: Etiolierung und Ergrünung
- Dauer der Dunkelheit: Langtag- und Kurztagpflanzen
- circadianer Rhythmus
- Nastien
- Farbunterscheidung: Streckungswachstum/Verzweigung
- Richtung des Lichtes erkennen: Phototropismus
Wie können Pflanzen Farben unterscheiden und welche Auswirkungen hat dies?
Pflanzen können hellrotes von dunkelrotem Licht unterscheiden:
Da Sonnenlicht hellrote und dunkelrote Strahlung enthält, erreicht die Umwandlung zwischen P(HR) und P(DR) (P(HR)↔P(DR)) ein dynamisches Gleichgewicht, bei dem das Verhältnis der beiden Phytochromformen die jeweiligen Anteile an Hellrot- und Dunkelrotlicht anzeigt.
Dieser Wahrnehmungsmechanismus erlaubt den Pflanzen, sich an Veränderungen der Lichtverhältnisse anzupassen.
Betrachten wir zum Beispiel die „Schattenvermeidungs“-
Reaktion eines Baumes, der relativ hohe Lichtintensitäten benötigt:
Wenn er durch andere Waldbäume beschattet wird, verändert sich das Phytochromverhältnis zugunsten von P(HR), da das Kronendach mehr Hellrotlicht als Dunkelrotlicht ausfiltert. Das liegt daran, dass Hellrotlicht durch das Chlorophyll in den Blättern der Baumkronen absorbiert wird und Dunkelrotlicht bis in die unteren Bereiche der Baumschicht gelangt. Die Verschiebung des Hellrotlicht-zu-Dunkelrotlicht-Verhältnisses bringt den Baum dazu, mehr Ressourcen für das Streckungswachstum zur Verfügung zu stellen.
Hingegen wird durch direktes Sonnenlicht der P(DR)-Anteil erhöht – dies stimuliert die Verzweigung und hemmt das Längenwachstum.
Wie können Pflanzen die Zeit messen und welche Auswirkungen hat dies?
Licht ist der Faktor, der eine biologische Uhr jeden
Tag genau auf einen 24-Stunden-Rhythmus einstellt.
Dieser ist mit dem An- und Abschalten der Zellantworten über den P(HR)↔P(DR)-Schalter verbunden.
Im Dunkeln verschiebt sich das Phytochromverhältnis allmählich zugunsten der P(HR)-Form – unter anderem wegen des Umsatzes im Gesamt-Phytochrompool. Das Pigment wird in der P(HR)-Form synthetisiert und die Enzyme bauen mehr P(DR) als P(HR) ab.
Bei einigen Pflanzen wird das bei Sonnenuntergang
vorhandene P(DR) langsam in P(HR) umgewandelt. Bei
Dunkelheit ist eine Rückverwandlung von P(HR) in P(DR)
nicht möglich, doch bei Beleuchtung steigt der P(DR)-
Spiegel plötzlich wieder an, da P(HR) rasch umgewandelt wird. Durch diesen täglichen P(DR)-Anstieg wird die biologische Uhr wieder eingestellt.
-> In freier Natur sind die Pflanzen durch die Wechselwirkungen zwischen Phytochrom und der biologischen Uhr in der Lage, den Verlauf von Nacht und Tag zu messen.
Die relativen Tages- und Nachtlängen wechseln jedoch im Jahresverlauf. Die Pflanzen nutzen diesen Wechsel,
um Aktivitäten mit den Jahreszeiten zu synchronisieren.
z.B. Samenkeimung, Blüte und Beginn oder Ende der Knospenruhe
Der Umweltreiz, anhand dessen Pflanzen die Jahreszeit meistens wahrnehmen, ist die Photoperiode – die relative Länge von Nacht und Tag.
Was sind langtag- und Kurztagpflanzen?
Kurztag-(Langnacht-) Pflanzen:
Blüht, wenn die Nacht länger als eine kritische Dunkelphase ist (kritisches Minimum). Wenn die Dunkelphase durch Störlicht (Lichtblitz) unterbrochen wird, wird die Blühinduktion verhindert.
Langtag-(Kurznacht-) Pflanzen:
Blüht nur, wenn die Nacht kürzer als eine kritische Dunkelphase ist (kritisches Minimum). Selbst ein Lichtblitz wirkt als künstliche Unterbrechung einer langen Dunkelphase und induziert damit die Blüte.
Frage aus Campbell:
Ist ein Enzym, das bei Freiland-Sojabohnen mittags sein Aktivitätsmaximum und um Mitternacht sein Aktivitätsminimum erreicht, circadian reguliert?
Nicht unbedingt. Viele Umweltfaktoren, wie beispielsweise Temperatur und Licht, verändern sich auch im Freiland in einem 24-Stunden-Zyklus. Um festzustellen, ob das Enzym circadian reguliert ist, müsste man nachweisen, dass die Enzymaktivität sogar dann oszilliert, wenn die Umweltbedingungen konstant gehalten werden.
Frage aus Campbell:
Wenn eine Pflanze in einer Klimakammer mit einem Tageszyklus von zehn Stunden Lichtphase und 14 Stunden Dunkelphase blüht, handelt es sich dann um
eine Kurztagpflanze? Begründen Sie Ihre Antwort.
Dies lässt sich nicht mit Bestimmtheit sagen. Um nachzuweisen, dass die Art eine Kurztagpflanze ist, müsste man die kritische Nachtlänge für die Blühinduktion bestimmen. Man müsste ferner prüfen, ob diese Art nur blüht, wenn die Nacht länger als eine kritische Länge ist.
Was passiert bei der Ergrünung?
Ergrünung:
Wenn ein Spross ans Sonnenlicht gelangt, durchläuft
die Pflanze tiefgreifende Veränderungen, die insgesamt
als Ergrünung (De-Etiolierung) bezeichnet werden. Die
Streckung der Sprossachse verlangsamt sich, die Blätter
entfalten sich, die Wurzeln werden länger und der
Spross bildet Chlorophyll.
Wie wird Chlorophyll gebildet:
- Das Lichtsignal wird vom Photorezeptor, dem Phytochrom, wahrgenommen (im Cytoplasma).
- Aktivierung von Transkriptionsfaktoren (Proteine), diese erhöhen die Transkription spezifischer Gene. Hier POR.
- die Reduktion von Protochlorophyllid a zu Chlorophyllid a mit Hilfe des Enzyms Protochlorophyllidoxidoreductase (POR), das bei Blütenpflanzen nur unter Lichteinwirkung synthetisiert wird.
Frage aus Campbell:
Nennen Sie die morphologischen Merkmale, die für im Dunkeln angezogene Pflanzen charakteristisch sind. Erklären Sie, auf welche Weise die Etiolierung einer Keimpflanze dabei hilft, sich erfolgreich zu behaupten.
Im Dunkeln angezogene Keimpflanzen besitzen lange
Sprossachsen, ein unterentwickeltes Wurzelsystem und nichtentfaltete Blätter; der Spross enthält kein Chlorophyll. Etioliertes Wachstum ist für Samen vorteilhaft, die in der Dunkelheit auskeimen, so wie es auch bei der unterirdischen Keimung der Fall ist. Wenn eine Pflanze mehr Energie auf die Sprossstreckung und weniger auf die Blattentfaltung und das Wurzelwachstum verwendet, wird die Wahrscheinlichkeit größer, dass der Spross vor der Erschöpfung der Nahrungsreserven bis ans Sonnenlicht gelangt.
Frage aus Campbell:
Cycloheximid ist ein Hemmstoff der cytoplasmatischen
Proteinsynthese. Welche Wirkung würde Cycloheximid auf das Ergrünen (De-Etiolierung) haben?
Cycloheximid sollte die Ergrünung hemmen, indem es die
Synthese von neuen Proteinen, die für die De-Etiolierung
erforderlich sind, verhindert.
Was ist Auxin?
Der Begriff „Auxin“ wird für alle Stoffe benutzt, die
das Streckungswachstum von Koleoptilen fördern.
-> Wachstumhormon
Was macht Auxin in einer Pflanze:
Auxin wird vor allem in der Sprossspitze produziert und es bewegt sich nur von der Spitze zur Basis und nicht in die entgegengesetzte Richtung. Dieser unidirektionelle
Auxintransport wird als polarer Transport bezeichnet.
Auxin besitzt vielfältige Wirkungen, wie etwa die Stimulierung der Zellstreckung und der Seitenwurzelbildung.
Was ist eine Nastie?
Von einem Reiz ausgelöste, ungerichtete Bewegung.
Beispiele:
Das Öffnen und Schliessen der Blüten bzw. der Blütenstände im circadianen Rhythmus geschieht
meist durch Wachstumsvorgänge und kann durch Licht- (Photonastie) und/oder Temperaturwechsel (Thermonastie) ausgelöst werden.
Wie lauten die Merkmale des circadianes Rhythmus?
- Synchronation durch Hell/Dunkel-Wechsel, sonst unabhängig von den Aussenbedingungen
- Dauer ca. 24 Stunden
- Temperatur-kompenziert
Welche Phänomene sind dadurch bestimmt, dass die Pflanzen die Nachdauer messen können?
- Blütenbildung
- Verfärbung im Herbst
- Winterruhe
Auch bei Tieren:
- Winterruhe
- Fellwechsel
- Brunstzeit
- Zugverhalten bei Vögel
Was ist ein Phytochrom?
Phytochrom besteht aus zwei identischen Untereinheiten, die je aus der Polypeptidkett (Apoprotein) und dem lichtabsorbierenden Pigment, dem Chromophor Phytochromobilin bestehen.
Das Phytochrom kann in der cis- oder trans-Form vorliegen.
Durch dunkelrotes Licht wechselt die trans-Form in die cis-Form
Durch hellrotes Licht wechselt die cis-Form in die trans-Form. Die trans-Form ist die aktive Form.
