Zusammenfassung V1 Wozu Botanik der Nutzpflanzen? Pflanzliche
Zellen
Wozu Botanik der Nutzpflanzen?
Pflanzen und Nahrung
• Alles Leben auf diesem Planeten hängt von Pflanzen ab
• Mehr als ¾ der menschlichen Nahrung ist pflanzlichen Ursprungs (z.B. Reis, Weizen, Mais)
• Bevölkerung steigt – Fläche sinkt (Urbanisierung, Desertifikation, Klimawandel)
• Fortschritte bei Züchtung, Düngung und Pflanzenschutz (Green Revolution) als Ausgleich
Pflanzen und Gesundheit
• Pflanzlicher Stoffwechsel kann viel mehr als der Tierische
• Viele pflanzliche Stoffe für menschliche Gesundheit wichtig
• Pflanzlicher Sekundärstoffwechsel erst teilweise verstanden
• Durch Aufklärung der beteiligten Enzyme in Verbindung mit molekulargenetischen Verfahren
kann man den Sekundärstoffwechsel gezielt verändern, ohne dass die Grundfunktionen
beeinträchtigt sind
• z.B. Golden Rice Project → Reis mit genügend Carotinoiden in Endosperm → Vitamin A
Pflanzen und Rohstoffe
• Pflanzen = Erzeuger von Rohstoffen für Industrieprodukte
• Nachwachsend!
• Pflanzliche Rohstoffe = einziger Weg zu nachhaltiger Entwicklung
• gezielte Veränderung der Anbaueigenschaften → Verbesserung der Ausbeute und
Nachhaltigkeit der Ressource
• z.B. Baumwolle → genetic engineering mit Bt-Toxin → Reduzierung der Pestizidmenge
Pflanzen und Umwelt
• Pflanzen können über verzweigtes Wurzelsystem Gifte „heraussaugen“
• Triebkraft = Transpirationsstrom
• Giftstoffe werden in Vakuole gespeichert
• Ernten der Pflanzen = Entfernen der aufkonzentrierten Gifte aus der Umwelt
(Phytoremediation)
• z.B. Fukushima – Sonnenblumen zur Dekontamination des Bodens
Pflanzliche Zellen
Plastiden
• pflanzliche Organellen („Zellorgane“)
• Meist grün gefärbt
• Für Photosynthese verantwortlich (Chloroplasten)
• Innen Membranstabel (Thylakoide) an denen Chlorophyll (Blattgrün) und andere
Photosynthesepigmente (Carotinoide) gebunden sind
• Thylakoide sind in Stapeln (Grana) organisiert
• Struktur und Funktion von Chloroplasten:
Das Innere der Chloroplasten ist durch komplexe Membranauffaltungen untergliedert. Um den
elektrischen Gradienten aufbauen zu können, müssen verschiedene Reaktionsräume
(Kompartimente) voneinander abgetrennt werden
Zellwand
• Pflanzenzellen sind zusätzlich zur Zellmembran von Zellwand umgeben
• Zellwand liegt außerhalb der Zellmembran
• Zellwand besteht aus Fasern aus Cellulose, den Mikrofibrillen
• Apoplast = Zellwand und alles was außerhalb der Zellmembran liegt
, • Protoplast = Zelle ohne Zellwand
Feinbau der Zellwand
• Cellulosefasern in einer Matrix aus amorphen Anteilen (Pectine, Hemicellulosen, Proteine)
• Prinzip eines Verbundmaterials → Cellulosefasern sind in amorphe Matrix (Pectin, Protein)
eingebettet + Verdickungen aus Lignin
• hohe mechanische Stabilität mit geringem Gewicht
• Zellwand ist geschichtet – die ältesten Schichten sind außen, die Jüngsten innen
→ Mittellamelle, Primärwand, Sekundärwand
Tüpfel und Plasmodesmen
• Zellen eines Gewebes sind durch Poren (Plasmodesmen) verbunden → Poren als sogenannte
Tüpfel sichtbar (Lichtmikroskopie)
• Tüpfel = Dünnstelle der Zellwand, wo Gruppen von Plasmodesmen sitzen
• Durch Tüpfel ziehen Kanäle aus Cytoplasma und ER von Zelle zu Zelle
• Symplast = was innerhalb der Plasmamembran liegt
• Apoplast = außerhalb der Plasmamembran
Vakuole
• Können fast die gesamte Zelle ausfüllen
• entstehen durch Verschmelzung saurer Vesikel
• Vakuolenmembran = Tonoplast
• Entsprechen den Lysosomen tierischer Zellen
• Inhalt = Zellsaft
• Funktion: Stoffspeicherung, Absonderung von Giftstoffen, Wachstum durch Aufnahme von
Wasser
Arbeitsfelder der Botanik der Nutzpflanzen
Forschung und Entwicklung
• Pflanzen erzeugen 106 sekundäre Komponenten mit medizinischer Wirkung (erst ansatzweise
genutzt!)
Züchtung
• Landwirtschaft der Zukunft muss nachhaltig sein → geht nicht mehr einseitig um hohen
Ertrag
• Resistenz gegen Krankheiten, Trockenheit, Kälte, Mineralknappheit
• Genetische Ressourcen und Genomik werden kombiniert, um Prozess der Züchtung zu
beschleunigen (smart breeding)
Bioenergie
• Nachhaltige Energieversorgung erfordert Ersatz fossiler Brennstoffe → pflanzliche Basis
• Problem: Konkurrenz Nahrungserzeugung vs. Bioenergie
• Erfordert: klugen Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen, die auf Grenzertragsflächen
(marginal land) wachsen können
• Next-Generation Biofuels: Pflanzen, die auf Grenzertragsböden wachsen können,
konkurrieren nicht mit Nahrungspflanzen
Verbraucherschutz
• Globalisierung bringt ständig neue Produkte auf den europäischen Markt, die oft eine
medizinische Wirkung haben
• Absichtliche/ versehentliche Verwechslung (adulteration) → Wirkungsverlust / negativer
Effekt
• Authentifizierung von Nahrungspflanzen + Produkte
,Artenschutz
• Biodiversität ist wichtig, doch bedroht
• Kontrollen und Untersuchung von Handelsprodukten (erfordern Kenntnis von Formen und
Methoden der Bestimmung)
Lichtmikroskopie
Regeln:
1. Scharfstellen: Immer vom Präparat weg
2. Objektring immer am Rändelring
3. Okular reinigen (weiches Papiertuch, Linsenreiniger)
Richtig „Köhlern“:
1. Präparat scharfstellen
2. Leuchtfeldblende schließen
3. Kondensor nach oben fahren bis Bild der Irisblende scharf ist
4. Aperturblende einstellen bis Kontrast gut ist
Vergrößerung und Auflösung
Gesamtvergrößerung = Produkt aus
Okularvergößerung x Objektivvergrößerung x Tubusfaktor
Abbésche Formel des Auflösungsvermögens D
D: die Fähigkeit, 2 nahe Punkte voneinander zu trennen
D= ƛ/A
ƛ = Wellenlänge
A = numerische Apertur
→Je kleiner die Wellenlänge, desto besser die Auflösung
Numerische Apertur
A = n x sin α
α = Öffnungswinkel
n = Brechungsindex
• Luft = 1
• Immersionsöl = 1,41
• Glas = 1,5
Auf den Objektiven ist die numerische Apertur für n= 1 angegeben
z.B.
40x = Vergrößerung des Objektivs
0,65 = numerische Apertur
Totalreflexion und Ölimmersion
• Beim Übergang vom dichteren Medium (Glas) zum dünneren Medium (Luft) werden flache
Strahlen reflektiert
• Für höhere Aperturen taucht man daher die Objektive in Immersionsöl (Brechungsindex
genau wie bei Glas)
, Licht kann auf 3 Arten mit Molekülen wechselwirken
1. Absorption: Grundlage für Hellfeldmikroskopie und Histologie
2. Reflexion: Grundlage für Reflexionsmikroskopie (Geologie)
3. Fluoreszenz: Grundlage für Fluoreszenzmikroskopie
Histochemie
• „Chemie unter dem Mikroskop“, Spezifische Färbemethoden: nicht nur Information über das
„Wo“, sondern auch über das „Was“
• Farbstoff durch bestimmte Molekülgruppen gebunden, diese dadurch sichtbar gemacht
• Spezifische Erhöhung der Absorption für das Zielmolekül
• z.B. Lugolsche Lösung (Jod-Jod-Kalium-Lösung) zum Nachweis von Stärke
• z.B. Astralblau-Safranin zur Unterscheidung von verholzten bzw. unverholzten Geweben
• z.B. Sudan-Rot - Lipide werden sichtbar
Zeichentechniken
Übersichtszeichnung
• Schematische Skizze
• Darstellung der Lage und Ausdehnung der Gewebe in einem Organ oder Organteil
• Nur in Umrissen, keine einzelnen Zellen!
Detailzeichnung
• Zellgetreue Wiedergabe von Ausschnitten (maßstab- und formgetreu)
• Je nach Gewebstyp als Ein-, Zwei- oder Dreistrichtechnik
Beschriftung!
Praxis: Plasmolyse
Semipermeabilität
• Biomembranen = semipermeabel
• Kleine unpolare Moleküle lösen sich leicht in Lipidschicht
• Kleine geladene polare Moleküle können leicht durch Membran diffundieren
• Ionen und geladene Moleküle können nicht durch die Membran hindurch
• Fluid-Mosaic-Modell: Membranlipide bewegen sich, so entstehen kleine Lücken, durch die
kleine Moleküle (Wasser) hindurchgelangen können, geladene oder größere Moleküle
können jedoch ohne eigene Transporter nicht hindurch
• = chemisches Potenzial
Plasmolyse
• Absenkung der Wasserkonzentration außen (Salzlösung, hypertonisch)
• Natürlicher Einstrom des Wassers umgekehrt
• Zelle schrumpft
• Wenn man die Zellen zurück in Wasser (hypertonisch) bringt, strömt Wasser wieder in die
Zelle ein (Deplasmolyse)
Plasmolyse im Alltag:
• Platzen reifer Kirschen oder Wurzelrüben (z.B. Karotten)
→ Hier führen ein zu hoher Turgor und der teilweise Abbau der Zellwand infolge der Reifung
manchmal zum Platzen der Zelle
• Welken durch Wassermangel
→ Die Turgeszenz geht verloren, die Zellwände werden „schlaff“, solange die
Plasmamembran nicht beschädigt ist, erholt sich die Zelle wieder nach Zugabe von Wasser
(Deplasmolyse)
Zellen
Wozu Botanik der Nutzpflanzen?
Pflanzen und Nahrung
• Alles Leben auf diesem Planeten hängt von Pflanzen ab
• Mehr als ¾ der menschlichen Nahrung ist pflanzlichen Ursprungs (z.B. Reis, Weizen, Mais)
• Bevölkerung steigt – Fläche sinkt (Urbanisierung, Desertifikation, Klimawandel)
• Fortschritte bei Züchtung, Düngung und Pflanzenschutz (Green Revolution) als Ausgleich
Pflanzen und Gesundheit
• Pflanzlicher Stoffwechsel kann viel mehr als der Tierische
• Viele pflanzliche Stoffe für menschliche Gesundheit wichtig
• Pflanzlicher Sekundärstoffwechsel erst teilweise verstanden
• Durch Aufklärung der beteiligten Enzyme in Verbindung mit molekulargenetischen Verfahren
kann man den Sekundärstoffwechsel gezielt verändern, ohne dass die Grundfunktionen
beeinträchtigt sind
• z.B. Golden Rice Project → Reis mit genügend Carotinoiden in Endosperm → Vitamin A
Pflanzen und Rohstoffe
• Pflanzen = Erzeuger von Rohstoffen für Industrieprodukte
• Nachwachsend!
• Pflanzliche Rohstoffe = einziger Weg zu nachhaltiger Entwicklung
• gezielte Veränderung der Anbaueigenschaften → Verbesserung der Ausbeute und
Nachhaltigkeit der Ressource
• z.B. Baumwolle → genetic engineering mit Bt-Toxin → Reduzierung der Pestizidmenge
Pflanzen und Umwelt
• Pflanzen können über verzweigtes Wurzelsystem Gifte „heraussaugen“
• Triebkraft = Transpirationsstrom
• Giftstoffe werden in Vakuole gespeichert
• Ernten der Pflanzen = Entfernen der aufkonzentrierten Gifte aus der Umwelt
(Phytoremediation)
• z.B. Fukushima – Sonnenblumen zur Dekontamination des Bodens
Pflanzliche Zellen
Plastiden
• pflanzliche Organellen („Zellorgane“)
• Meist grün gefärbt
• Für Photosynthese verantwortlich (Chloroplasten)
• Innen Membranstabel (Thylakoide) an denen Chlorophyll (Blattgrün) und andere
Photosynthesepigmente (Carotinoide) gebunden sind
• Thylakoide sind in Stapeln (Grana) organisiert
• Struktur und Funktion von Chloroplasten:
Das Innere der Chloroplasten ist durch komplexe Membranauffaltungen untergliedert. Um den
elektrischen Gradienten aufbauen zu können, müssen verschiedene Reaktionsräume
(Kompartimente) voneinander abgetrennt werden
Zellwand
• Pflanzenzellen sind zusätzlich zur Zellmembran von Zellwand umgeben
• Zellwand liegt außerhalb der Zellmembran
• Zellwand besteht aus Fasern aus Cellulose, den Mikrofibrillen
• Apoplast = Zellwand und alles was außerhalb der Zellmembran liegt
, • Protoplast = Zelle ohne Zellwand
Feinbau der Zellwand
• Cellulosefasern in einer Matrix aus amorphen Anteilen (Pectine, Hemicellulosen, Proteine)
• Prinzip eines Verbundmaterials → Cellulosefasern sind in amorphe Matrix (Pectin, Protein)
eingebettet + Verdickungen aus Lignin
• hohe mechanische Stabilität mit geringem Gewicht
• Zellwand ist geschichtet – die ältesten Schichten sind außen, die Jüngsten innen
→ Mittellamelle, Primärwand, Sekundärwand
Tüpfel und Plasmodesmen
• Zellen eines Gewebes sind durch Poren (Plasmodesmen) verbunden → Poren als sogenannte
Tüpfel sichtbar (Lichtmikroskopie)
• Tüpfel = Dünnstelle der Zellwand, wo Gruppen von Plasmodesmen sitzen
• Durch Tüpfel ziehen Kanäle aus Cytoplasma und ER von Zelle zu Zelle
• Symplast = was innerhalb der Plasmamembran liegt
• Apoplast = außerhalb der Plasmamembran
Vakuole
• Können fast die gesamte Zelle ausfüllen
• entstehen durch Verschmelzung saurer Vesikel
• Vakuolenmembran = Tonoplast
• Entsprechen den Lysosomen tierischer Zellen
• Inhalt = Zellsaft
• Funktion: Stoffspeicherung, Absonderung von Giftstoffen, Wachstum durch Aufnahme von
Wasser
Arbeitsfelder der Botanik der Nutzpflanzen
Forschung und Entwicklung
• Pflanzen erzeugen 106 sekundäre Komponenten mit medizinischer Wirkung (erst ansatzweise
genutzt!)
Züchtung
• Landwirtschaft der Zukunft muss nachhaltig sein → geht nicht mehr einseitig um hohen
Ertrag
• Resistenz gegen Krankheiten, Trockenheit, Kälte, Mineralknappheit
• Genetische Ressourcen und Genomik werden kombiniert, um Prozess der Züchtung zu
beschleunigen (smart breeding)
Bioenergie
• Nachhaltige Energieversorgung erfordert Ersatz fossiler Brennstoffe → pflanzliche Basis
• Problem: Konkurrenz Nahrungserzeugung vs. Bioenergie
• Erfordert: klugen Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen, die auf Grenzertragsflächen
(marginal land) wachsen können
• Next-Generation Biofuels: Pflanzen, die auf Grenzertragsböden wachsen können,
konkurrieren nicht mit Nahrungspflanzen
Verbraucherschutz
• Globalisierung bringt ständig neue Produkte auf den europäischen Markt, die oft eine
medizinische Wirkung haben
• Absichtliche/ versehentliche Verwechslung (adulteration) → Wirkungsverlust / negativer
Effekt
• Authentifizierung von Nahrungspflanzen + Produkte
,Artenschutz
• Biodiversität ist wichtig, doch bedroht
• Kontrollen und Untersuchung von Handelsprodukten (erfordern Kenntnis von Formen und
Methoden der Bestimmung)
Lichtmikroskopie
Regeln:
1. Scharfstellen: Immer vom Präparat weg
2. Objektring immer am Rändelring
3. Okular reinigen (weiches Papiertuch, Linsenreiniger)
Richtig „Köhlern“:
1. Präparat scharfstellen
2. Leuchtfeldblende schließen
3. Kondensor nach oben fahren bis Bild der Irisblende scharf ist
4. Aperturblende einstellen bis Kontrast gut ist
Vergrößerung und Auflösung
Gesamtvergrößerung = Produkt aus
Okularvergößerung x Objektivvergrößerung x Tubusfaktor
Abbésche Formel des Auflösungsvermögens D
D: die Fähigkeit, 2 nahe Punkte voneinander zu trennen
D= ƛ/A
ƛ = Wellenlänge
A = numerische Apertur
→Je kleiner die Wellenlänge, desto besser die Auflösung
Numerische Apertur
A = n x sin α
α = Öffnungswinkel
n = Brechungsindex
• Luft = 1
• Immersionsöl = 1,41
• Glas = 1,5
Auf den Objektiven ist die numerische Apertur für n= 1 angegeben
z.B.
40x = Vergrößerung des Objektivs
0,65 = numerische Apertur
Totalreflexion und Ölimmersion
• Beim Übergang vom dichteren Medium (Glas) zum dünneren Medium (Luft) werden flache
Strahlen reflektiert
• Für höhere Aperturen taucht man daher die Objektive in Immersionsöl (Brechungsindex
genau wie bei Glas)
, Licht kann auf 3 Arten mit Molekülen wechselwirken
1. Absorption: Grundlage für Hellfeldmikroskopie und Histologie
2. Reflexion: Grundlage für Reflexionsmikroskopie (Geologie)
3. Fluoreszenz: Grundlage für Fluoreszenzmikroskopie
Histochemie
• „Chemie unter dem Mikroskop“, Spezifische Färbemethoden: nicht nur Information über das
„Wo“, sondern auch über das „Was“
• Farbstoff durch bestimmte Molekülgruppen gebunden, diese dadurch sichtbar gemacht
• Spezifische Erhöhung der Absorption für das Zielmolekül
• z.B. Lugolsche Lösung (Jod-Jod-Kalium-Lösung) zum Nachweis von Stärke
• z.B. Astralblau-Safranin zur Unterscheidung von verholzten bzw. unverholzten Geweben
• z.B. Sudan-Rot - Lipide werden sichtbar
Zeichentechniken
Übersichtszeichnung
• Schematische Skizze
• Darstellung der Lage und Ausdehnung der Gewebe in einem Organ oder Organteil
• Nur in Umrissen, keine einzelnen Zellen!
Detailzeichnung
• Zellgetreue Wiedergabe von Ausschnitten (maßstab- und formgetreu)
• Je nach Gewebstyp als Ein-, Zwei- oder Dreistrichtechnik
Beschriftung!
Praxis: Plasmolyse
Semipermeabilität
• Biomembranen = semipermeabel
• Kleine unpolare Moleküle lösen sich leicht in Lipidschicht
• Kleine geladene polare Moleküle können leicht durch Membran diffundieren
• Ionen und geladene Moleküle können nicht durch die Membran hindurch
• Fluid-Mosaic-Modell: Membranlipide bewegen sich, so entstehen kleine Lücken, durch die
kleine Moleküle (Wasser) hindurchgelangen können, geladene oder größere Moleküle
können jedoch ohne eigene Transporter nicht hindurch
• = chemisches Potenzial
Plasmolyse
• Absenkung der Wasserkonzentration außen (Salzlösung, hypertonisch)
• Natürlicher Einstrom des Wassers umgekehrt
• Zelle schrumpft
• Wenn man die Zellen zurück in Wasser (hypertonisch) bringt, strömt Wasser wieder in die
Zelle ein (Deplasmolyse)
Plasmolyse im Alltag:
• Platzen reifer Kirschen oder Wurzelrüben (z.B. Karotten)
→ Hier führen ein zu hoher Turgor und der teilweise Abbau der Zellwand infolge der Reifung
manchmal zum Platzen der Zelle
• Welken durch Wassermangel
→ Die Turgeszenz geht verloren, die Zellwände werden „schlaff“, solange die
Plasmamembran nicht beschädigt ist, erholt sich die Zelle wieder nach Zugabe von Wasser
(Deplasmolyse)
