Kreimer (Pflanzenphysiologie) Flashcards
Definieren Sie Wachstum und nennen Sie mindestens 4 verschiedene einfach zu be-stimmende Wachstumsparameter!
Wachstum ist irreversible Zunahme eines Wachstumsparameters pro Zeiteinheit.
Wachstumsparameter:
- Zellen-Anzahl
- Dimension (Länge, Durchmesser, Volumen)
- Masse (Gesamtproteinmenge und DNA-Menge).
Erläutern Sie in Grundzügen die molekularen Mechanismen der Polaritätsinduktion am Beispiel der ersten inäqualen Teilung einer Zygote der Braunalge Fucus!
Mit der Befruchtung der Eizelle durch das Spermatozoid wird die Polarität induziert: Durch eine festgelegte Polaritätsachse (PA) entstehen ein Thallus- und ein Rhizoidpol, aus welchen durch inäquale Teilung eine Thallus- und eine Rhizoidzelle entstehen.
- Spezifizierung von Plasmalemma und Zellwand in spezifischer Weise
- Ausrichtung der Centrosomen parallel zur PA
- neue Zellwand senkrecht zur PA
- Fall: Ohne externen Stimulus wird die endogene, durch die Stelle des Eintritts des Spermatozoiden bestimmte Polarität beibehalten. Nach Bildung der Zellwand der Zygote kann durch Einwirken äußerer Einflüsse eine neue Polaritätsachse entstehen, welche die alte ersetzt.
- Fall: Durch Partialbestrahlung mit (Blau)licht der Zygote bzw. durch linear polarisiertes Licht kann die Polarisierung ebenfalls beeinflusst werden.
- Fall: Durch Signalstoffe in Abhängigkeit von der Strömung des Seewassers kann die Polari-tät der Zygote beeinflusst werden.
Welche im Licht enthaltene bzw. mit ihm verbundene Informationen können Pflanzen wahrnehmen?
Lichtquantität --> Zählen der Photonen Lichtqualität --> spektrale Verteilung Richtung --> Photonengradient Dauer --> Licht/Dunkel-Übergänge Polarisation --> dichroische Rezeptoranordnung
Definieren Sie kurz und eindeutig einen allgemeinen Photorezeptor!
Photorezeptoren können einen Lichtreiz in ein elektrisches oder chemisches Signal transducieren. Sie bestehen aus dem Apoprotein und dem Chromophor („Farbträger“), der Moleküle mit π-Elektronensystemen enthält, die durch Belichtung in definierten Wellenlän-genbereichen Konformationsänderungen erfahren können (Tiere: Opsine, Pflanzen: Tetrapyrrolsysteme)
In welchen Wellenlängenbereichen absorbieren folgende Photorezeptoren: Cryptochrome, Phototropine, Opsine, Phytochrom A, Phytochrom B?
Cryptochrome –> 350 nm bis 530 nm
Phototropine –> 350 nm bis 500 nm
Opsine –> 530 nm bis 600 nm
Phytochrom A –> 350 nm bis 450 nm
Phytochrom B –> 600 nm bis 690 nm
Welche chromophore Gruppe nutzen Phytochrome, Phototropine bzw. Cryptochrome?
Cryptochrome –> Flavin-Adenindinucleotid (FAD) + Pterin
Phototropin –> Flavin-Mononucleotid (FMN)
Phytochrome: –> Lineares Tetrapyrrol
Wo wird die chromophore Gruppe der Phytochrome synthetisiert und wo/wie erfolgt ihr Einbau in das Phytochrom-Apoprotein?
Die chromophore Gruppe wird in den Plastiden synthetisiert, ist im Endeffekt eine Abzwei-gung des Biosynthese-Wegs von Chlorophyll.
Das Chromophor kombiniert autokatalytisch mit dem Apoprotein im Cytosol, und bildet so das Holoprotein (das aber noch inaktiv ist).
Die folgenden Reaktionen von Höheren Pflanzen werden durch Licht reguliert: Samen-keimung, De-Etiolierung, Schatten-Vermeidung, Phototropismus, Chloroplasten-Verteilung innerhalb der Zelle, Stomata-Öffnung, circadiane Rhythmik, Blütenbildung. Welche dieser Reaktionen werden durch Phototropine, Cryptochrome bzw. Phytochrome reguliert?
Samenkeimung –> Phytochrome
De-Etiolierung –> Cryptochrome Phytochrome
Schatten-Vermeidung –> Phytochrome
Phototropismus –> Phototropine
Chloroplasten-Verteilung –> Phototropine
Stomata-Öffnung –> Cryptochrome
Circadiane Rhythmik –> Cryptochrome Phytochrome
Blütenbildung –> Phytochrome
Nennen Sie typische Photomorphosen / Skotomorphosen von Höheren Pflanzen, an denen das Phytochrom-System beteiligt ist. Welchen biologischen Sinn haben diese un-terschiedlichen Entwicklungsstrategien?
Skotomorphosen (Dunkelheit): Verlängerung der Internodien (Spross streckt sich)
Photomorphosen (Licht): Verzweigung, Pigmentierung, Blattentwicklung, Entwicklung des Wurzelsystems, Chloroplasten-Bildung
Sinn: Optimierung des Wachstums, der Photosynthese und Entwicklungsanpassungen an diur-nale und saisonale Fluktuationen.
Erläutern Sie detailliert die molekulare Funktionsweise des Phytochroms. Erläutern Sie dabei auch, wie es zu Konformationsänderungen im Proteinteil nach Absorption von Licht kommt!
Phytochrom ist sowohl in eine aktive (durch hellrotes Licht, 660 nm) und eine inaktive (durch dunkelrotes Licht, 730 nm) Form überführbar.
Ausschlaggebend ist dabei immer das zuletzt zugeführte Licht (durch Licht revertierbarer Photorezeptor). Grundlage ist das photochrome Pigment. Die aktive Form wird auch mit PhyHR oder PR, die inaktive Form durch PhyDR oder PFR abgekürzt (HR = Hellrot, DR = Dunkelrot, R = Red, FR = Far Red) bezeichnet.
PhyDR ist in Pflanzen die physiologisch aktive Form und steuert wichtige intrazelluläre Vorgän-ge. Sie entsteht, indem die in Dunkelheit vorliegende PhyHR-Form hellrotes Licht absorbiert, wodurch das Tetrapyrrol an der Doppelbindung an den Kohlenstoffatomen C15 und C16 bei Ab-sorption eines adäquaten Lichtquants in eine cis/trans-isomere Form übergeht. Der D-Ring ro-tiert, was letztendlich in einer Konformationänderung des ganzen Proteins resultiert.
Molekulare Wirkung: Hier sind Unterschiede in der Verteilung von PFR / PR in Cytosol und Nucleus von entscheidender Bedeutung. Die Konformationsänderung durch Bestrahlung mit 660 nm-Licht aktivieren die Proteinkinasedomänen und machen die Kernimportsequenz (NLS) besser zugänglich. So kann PFR in den Kern wandern, und dort an Transkriptionsfaktoren anbinden, die für die Auslösung einer Lichtantwort verantwortlich sind.
Gibt es Lichtbedingungen, bei denen 100% des Phytochroms in der aktiven Form vor-liegt? Wenn ja, bei welchen Wellenlängen? Wenn nein, warum nicht?
Unter natürlichen Bedingungen: Nein, da das Lichtspektrum sowohl hell- als auch dunkelrot enthält und somit immer eine gewisse Molfraktion beider Phytochrome PR und PFR vorliegt, die je nach Tageszeit und Standort variiert. Die Lichtanteile hängen von der spektralen Zusammen-setzung ab.
Auch unter künstlichen Bedingungen ist es nicht möglich, Phytochrom vollständig in die PR oder PFR zu überführen, da selbst bei Bestrahlung mit monochromatischem Licht der Wellen-längen von 660 nm resp. 730 nm beide Formen in einem Gleichgewicht vorliegen:
Beschreiben Sie die Unterschiede zwischen Phytochrom A (Typ I Phytochrom) und den Phytochromen B-E (Typ II Phytochrome).
Phytochrom A - Typ I
PhyA kommt fast ausschließlich in großen Mengen in etiolierten Pflanzen vor, da seine PFR-Form instabil ist und seine eigene Gen-transkription hemmt.
Phy A kann sowohl als Blau- als auch als Dunkelrotakzeptor dienen.
Phytochrome B, C, D und E - Typ II
PhyB kommt in kleinen Mengen in etiolierten sowie normal wachsenden Pflanzen vor, weil die PFR-Form im Gegensatz zu der des PhyA stabil ist und es konstitutiv exprimiert wird.
Die Phytochrome neben PhyA dienen als Hellrotakzeptor.
Sie führen folgendes Experiment zur Bestimmung des Einflusses von Licht auf die Keimung von Salat-Samen durch (Salat ist ein Lichtkeimer):
Unter grünem Sicherheitslicht legen Sie in zwei Petrischalen im Dunklen vorgequollene Samen auf feuchtem Filterpapier aus. Schale A bestrahlen Sie direkt mit Weißlicht und Schale B mit Weißlicht, das durch eine Schicht von grünen Blättern gefiltert wird. Die Lichtintensität stellen Sie so ein, dass sie in beiden Fällen identisch ist.
In welcher der beiden Schalen erwarten Sie die höhere Keimungsrate? Bitte begründen Sie kurz ihre Antwort!
Im Schatten von Pflanzen liegt eine geänderte spektrale Zusammensetzung des normalen Tageslichts vor. Grund: Chlorophylle und Carotinoide absorbieren hellrotes Licht stärker als dunkelrotes.
Samen von Lichtkeimern wie Kopfsalat (Lactua sativa, Asteraceae) reagieren sehr sensitiv auf eine Dauerbestrahlung mit DR (730 nm) oder auf geringste Bestrahlungen mit HR, wodurch eine PhyA-Reaktion ausgelöst wird. Hierfür empfinden die Samen die Lichtmenge, die bis zu etwa 1 cm Tiefe im Boden noch vorherrscht, als ausreichend.
Die Keimungsraten sollten daher in beiden Schalen vergleichbar sein.
Warum kann Phytochrom A auch als Blau- und Dunkelrot-Licht-Rezeptor fungieren? Unter welchen Bedingungen ist dies von besonderer Bedeutung?
PhyAHR hat zwei Absorptionsmaxima, eines im UV-A/Blaulichtbereich (Peak 375 nm), ein zwei-tes im Dunkelrot-Bereich (Peak 660 nm) - es absorbiert also Licht sowohl im blauen als auch roten Bereich.
Dadurch, dass PhyA im HR-Bereich schnell abgebaut wird, im DR-Bereich einigermaßen stabil ist, reichert es sich unter Lichtmangelbedingungen an, und löst Schattenvermeidungs-reaktionen aus. Hierfür ist allerdings nur die Wirkung als Dunkelrotrezeptor ausschlaggebend.
In Pflanzen, die noch nie dem Licht ausgesetzt waren, ist PhyA dominant Keimlinge!
Schildern Sie kurz ein Schlüssel-Experiment mit dessen Hilfe gezeigt wurde, dass der C-Terminus des Phytochrom B für die Signalweiterleitung nicht notwendig ist.
Wird an den C-Terminus des PhyB-Moleküls durch GUS (Glucuronidase) und eine NLS-Sequenz ersetzt, so zeigt PhyB trotzdem Aktivität.
Einige pflanzliche Signaltransduktionsketten ähneln sogenannten Multi-Step-Zwei- Komponenten-Systemen. Beschreiben Sie kurz und prägnant (evtl. mit Skizze) eine schematische Signal-Kaskade dieses Typs, in der ein extrazelluläres Signal zur Aktivie-rung von Genen im Zellkern führt.
Die erste Komponente stellt eine integrale Kinase in der PM dar, die als Sensor fungiert. Als Reaktion auf eine Reizung phosphoryliert diese Kinase ein Histidin-Molekül, das als Sen-sorprotein in den Zellkern gelangt. Das Hisitidin-Phosphat wirkt dort ebenfalls als Kinase auf ein Regulationsprotein (zweite Komponente), die durch die Phosphorylierung aktiviert wird. In-folgedessen wird eine Genexpression initiiert (Transkription).
Nennen Sie vier wichtige Gruppen von Phytohormonen mit jeweils zwei charakteristi-schen Beispielen für ihre Wirkung.
- Ethylen: Beschleunigung Fruchtreife, Seneszenz,
Abszission von Blättern / Früchten - Gibberelline: Geschlechtsdifferenzierung /
Streckungswachstum, Samenkeimung - Auxine: Zellstreckung, hemmt Cytokinin
Zellzyklus-Kontrolle - Cytokinine: Zellteilung, Hemmung der Seneszenz,
Hemmung Wurzelwachstum
Beschreiben Sie kurz und prägnant die experimentelle Herangehensweise von Went, mit der er 1926 zeigen konnte, dass Auxin entscheidend am Längen- bzw. Krümmungs-wachstum von Coleoptilen beteiligt ist.
Wendt köpfte einen, sich gerade im Wachstum befindlichen Spross, und setzte die Spross-Spitze mit der Schnittseite auf einen Agarblock.
Jetzt setzte er eine Versuchsreihe an gestutzten Sprossen an: Auf die Schnittseite legte er ein-mal einen unbehandelten Agarblock, auf weitere Spross-Stümpfe jeweils einen zuvor mit Spross-Spitzen in Verbindung gebrachten Agarblöcke ganz, nur rechts, nur links auf. Bei dem komplett aufgelegten Block kam es zu Längenwachstum. Beim nur links aufgelegten Block fand eine Spross-Krümmung nach rechts, beim nur rechts aufgelegten eine Spross-Krümmung nach links statt.
1934 wurde dann entdeckt, dass solche Effekte auch mit in Indolessigsäure (IAA) getränkte Blöcken bewirkt werden konnten, womit eindeutig der Zusammenhang zwischen diesem Stoff und der Wachstumsbeeinflussung nachgewiesen werden konnte.
Beschreiben Sie ein einfaches Experiment, mit dem Sie den polaren, basipetalen Transport von Auxin im Spross nachweisen können.
Aus einer Coleoptilen (Schutzorgan für das Keimblatt bei Monokotyledonen) im Wachstumsbe-reich werden zwei zylinderförmige Stücke ausgeschnitten.
Zwei Agarblöcke werden in Indolessigsäure getränkt, die einen Radiocarbon-Tracer enthält. Ein Block wird auf das apikale, der andere auf das basale Schnittende des Coleoptilen-Zylinders aufgebracht. Auf die Schnittfläche auf der Gegenseite wird ebenfalls ein Agarblock aufgebracht, der aber nur etwas angefeuchtet wurde.
Nach einiger Zeit wird an den beiden Blanko-Blöcken die Aktivität gemessen. Ergebnis: Nur an dem Zylinderpräparat, bei dem die radioaktive IAA am apikalen Ende aufgebracht wurde, kann dann am basalen Blanko-Block Radioaktivität gemessen werden. Durch ein weiteres Experi-ment mit Vertauschen der Ausrichtung (oben - unten) lässt sich feststellen, dass die Schwer-kraft hierbei keine Rolle spielt: Radioaktivität findet sich ausschließlich auf dem basalen Blanko-Blöckchen.
Zeichnen Sie die Strukturformel von Auxin und Ethylen.
Strukturformel
Erläutern Sie wie Auxin eine verstärkte Zellstreckung bewirken kann.
- Auxin bindet an das Membranprotein ABP1 an, das mit bisher unbekannten weiteren integra-len Membranproteinen interagiert.
- Durch Aktivierung einer (integralen) ATPase werden unter ATP-Verbrauch Protonen in den Raum zwischen OM und Zellwand gepumpt Hyperpolarisation, zusätzlich Aktivierung von Hydrolasen und Expansinen, die die Strukturen der Zellwand lockern.
- Über Ionenkanäle strömen Kalium-Ionen ins Cytosol, wodurch ein osmotischer Druck aufge-baut wird, infolgedessen Wasser ins Zellinnere strömt (Turgor-Aufbau), der dann eine Zellstre-ckung bewirkt.
Erläutern Sie kurz das Konzept wie Auxin eine veränderte differentielle Genaktivität bewirkt.
Im Normalzustand sind Auxin-Response-Faktoren (ARF) an so genannten „Auxine-Response-Elements“ auf der DNA verbunden. Am ARF befindet sich ein als Repressor wirkender „Aux/IAA“-Komplex, der die Genexpression unterdrückt. SCFTIR1 kann, wird es durch Anbindung mit Auxin aktiviert, an diesen Aux/IAA-Repressor anbinden und ihn der Ubiquitinierung zufüh-ren. Durch diesen Repressor-Abbau wird die Transkription durch ARF als Transkriptionsfaktor (durch RNA-Polymerase II) ermöglicht.
Beschreiben Sie, eventuell mit Skizze, den polaren Transport von Auxin von Zelle zu Zelle im Spross. Berücksichtigen Sie dabei sowohl aktive als auch passive Transportpro-zesse.
Der polare Transport erfolgt mithilfe von zwei Anionen-Transportern; einem Auxin-Influx-Carrier (AUX1, apikal) und dem Auxon-Efflux-Carrier (PIN-Proteine, basale PM). AUX1 fungiert dabei als Protonen-Symporter (sekundär aktiver Transport). Daneben passiver Transport durch Diffusi-on. Im Cytosol deprotoniert die IAA voll-ständig (pH 7), kann daher nicht mehr (als neutrales Molekül) diffundieren. Anionisches IAA wird von PIN an der basalen PM aus der Zelle ausgeschleust, protoniert in der ZW (pH 5,5), und gelangt auf diese Weise zur nächsten Zelle.
Daneben wird IAA im Phloem über weitere Strecken innerhalb der Pflanze transportiert.
Hier wird ist es kovalent an Glucose gebunden, und daher inaktiv!
Nennen Sie mindestens vier Mechanismen, mit denen Höhere Pflanzen den Gehalt an freiem Auxin regulieren können.
Die freie IAA-Konzentration im Cytosol wird in einem Fließgleichgewicht (Steady-State) gehal-ten.
- Tryptophan-(un)abhängige Biosynthese
- Transport (aktiv / passiv, Kurz- oder Langstreckentransport)
- Konjugation (z. B. Bindung an Glucose)
- Kompartimierung in, bzw. Freisetzung aus Chloroplastejn
