Skript BP 13 Pflanzenphysiologie Modellpflanzen: Arabidopsis thaliana (Brassiaceae): dikotyle Bltenpflanze (Magnoliopsida Bedecktsamer) kleines Genom: 25 000 Gene, 120mbps, 5 Chromosomen durchschnittliches Protein: 500 AS 1500bps jedoch rein theoretisch 4800bps pro Gen Rest Introns etc. Generationszeit: 6 Wochen groer Samenansatz bei genetischer Manipulation kein Umweg ber Gewebekultur notwendig kleine Pflanze geeignet fr genetische screenings ber Agrobacterium tumefaciens transformierbar

Oryza sativa: 500Mbps monokotyle Angiosperme 100 Mio. Jahre Distanz zu Arabidopsis

Tabak (Nicotiana tabacum) Kartoffel (Solanum tuberosum) Mais (Zea mays) Physcomitrella patens: Laubmoos Hauptform: haploider Gametophyt homologe Rekombination knock-outs kein zweites Allel 480mbps

Transformation der Pflanzenzelle ( Gentransfer): 1. Agrobacterium tumefaciens: fr dikotyle Pflanzen sehr effizient Bildung von Wurzelhalsgallen am bergang zwischen Wurzel und Spross von dikotylen Pflanzen durch Insertion es Ti-Plasmids wird nach Verletzung einer (dikotylen) Pflanzenzelle durch Freisetzung phenolischer

Substanzen (bspw. Acetonsyringon) chemotaktisch angelockt Aufbau Ti-Plasmid: Ti-Plasmid (5000bp): Tumor-induzierender Plasmid mit T-DNA T-DNA flankiert durch LB und RB (LB und RB: 25bp Sequenzwiederholungen): Tumorwachstum der Pflanzenzelle Synthese von Auxinen (tms) und Cytokininen (tmr) (Wachstumshormone) Zellteilung und Wachstum wird induziert tms1/2- tmr-, nos-Gene auf T-DNA enthalten unter anderem die Gene fr die Tryptophanmonooxygenase Nopalin wird synthetisiert (nos, Nopalinsynthetase Arginin + -Ketoglutarat Nopalin) Bakterium wird somit mit Stickstoff und Kohlenstoff versorgt (Pflanze kann Nopalin nicht nutzen) tra-Gen induziert Transfer: Insertion zufllig (randomisierte Mutationen; T-DNA kann quasi als Marker gesehen werden) infizierte Pflanzenzelle Tumor geht auf eine einzelne Pflanzenzelle zurck Ti-Plasmid als binres Vektorsystem in der Molekularbiologie: keine T-DNA Region mehr kein Opin-Katabolismus mehr vir-Funktion die in trans (aus der Entfernung) wirkt zustndig fr Insertion der DNA Ori fr A. tumefaciens und E. coli konjugativer Transfer mglich Promotor: CaMV 35S (Cauliflower Mosaic Virus) starker Promotor der bei fast allen Pflanzen funktioniert dauerhafte Expression des Zielgens/ Aktivitt des Promotors kann zur Untersuchung anderer Promotoren durch diese ersetzt werden T-DNA des Ti-Plasmids wird transferiert

multiple cloning site (EcoRI, KpnI, BamHI, HindlII)

Exkurs: Nutzen transgener Pflanzen: berexpression eines neuen Zielgens Inaktivierung eines vorhandenen Gens

Studium der Genexpression mit Indikatorgenen Reportergen: meistens GFP kommt in keinem anderen Organismus vor (keine Hintergrundaktivitt) in vivo benutzbar keine weiteren Faktoren werden fr die Fluoreszenz bentigt wird mit dem Promotor des beobachtete Gens kombiniert -Glucuronidase auch bei Genen mit geringer Aktivitt anwendbar Ort der Aktivitt ist ber N-Terminus bestimmt (targeting sequence kann angehngt werden) durch gezielte Klonierung kann also auch der Ort der Expression eines Zielgens bestimmt werden Confocal Laser Scanning zur mikroskopischen Untersuchung

2. Beschuss mit DNA (particle gun) gut fr Chloroplasten-DNA effiziente homologe Rekombination embryonale Gewebe/ Meristeme knnen transformiert werden 3. Protoplasten-Transformation Aufnahme von Plastiden, keine Integration ins Wirtsgenom Protoplastenfusion durch Polyethylenglykol Kopplung mit Resistenzgenen zur stabilen Transformation, Selektion ber Antibiotika Transformation aus einer klonierten Zelle oder aus einem Protoplasten durch Umweg ber KallusHolzgewchsen aus Kambium, bei krautigen Gewchsen aus Parenchym) (Kallus bei

Primr- und Sekundrstoffwechsel: Primrstoffwechsel: Metabolismus von: Aminosuren Nukleotiden Kohlenhydraten Lipiden

Sekundrstoffwechsel:

Stoffe fr bspw. Pathogenabwehr, Samen- oder Pollenverbreitung zweigt vom Primrstoffwechsel ab Sekundrmetabolite: Alkaloide Isoprenoide Phenylpropanoide (Phenole)

Chemie der Pflanzenzelle: Makroelemente: H2O, CO2 H,O,C Wasser, Kohlendioxid, Kohlenwasserstoffe , Carbonsuren, Alkohole, Kohlenhydrate, einige Lipide NO3- (NH4+) N Aminosuren H2PO4- P Nukleotide, Phospholipide SO42- S 2 Aminosuren, Sulfolipide, Coenzym A Mg2+ Mg Chlorophyll, Cofaktor vieler Enzyme Ca2+ Ca Membranstabilitt, Signaltransduktion K+ K Osmotikum, Osmoregulation, Cofaktor Mikroelemente: Fe3+ > Fe2+ Fe Hm, Ferredoxin, Cytochrome, Katalase, Peroxidase Zn2+ Zn Alkoholdehydrogenase, Carbonanhydrase et c. Cu2+ Cu Plastocyanin, Phenolase, Laccase, Cytochromoxidase Mn2+ Mn PS2, Superoxiddismutase, Citratzyklus-Enzyme

Cl- Cl Osmoregulation Mo7O246- Mo Nitratreduktase, Sulfitoxidase et c. B(OH)3 B Zellwandaufbau Zumindest bei einigen Pflanzenarten (in Akkumulatorpflanzen) auerdem von Bedeutung sind: Si (Zellwand), Ni (Urease), Na, Se (Glutathionperoxidase v. Chlamydomonas)

Die Photosynthese: Protonengradient ber der Membran entsteht in primrer Reaktion ATP-Synthese Lichtreaktion: an der Thylakoidmembran NADPH ATP 2 H2O 4 H+ + 4 e- + O2 Thylakoidmembran: reich an Pigmenten und Proteinen: PSI, PSII, Cytochrom b6f, ATP-Synthase diffundible Redoxsysteme, Photosynthesepigmente

PC: Cu im Zentrum (ber Cis, Met und 2 His gebunden) Fd: Fe2S2 im Zentrum (ber 4 Cys gebunden) Chlorophylle: Tetrapyrrole als Trimere an LHC (light harvesting complexes) angeordnet auerdem Carotinoide, Xanthophylle (zustzlich zu Chlorophyll B bei Landpflanzen), Phycobiline, Phycodyanin, Phycoerythrin

Dunkelreaktion: im Stroma Reduktion von Kohlenstoff zu Glucose insgesamt: O2 nur aus Photolyse von H2O und nicht aus CO2, daraus folgt: 6 CO2 + 12 H2O C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O CO2: pro aufgenommenem Molekl CO2 gehen 500-2000 Molekle H2O verloren Kohlenstoffassimilation ber RuBisCO: hufigstes Protein in der Biosphre 16 Untereinheiten (grtenteils im Chloroplastengenom) Ribulose-1,5-bisphosphat wird carboxyliert in 2 3-P-Glycerat welches in den Calvin-Zyklus eingespeist wird (1. Carboxylierungsphase) 2. Reduktionsphase: 3-P-Glycerat zu Triosephosphaten (Dihydroxyacetonphosphat, Glycerinaldehyd-3-Phosphat) 3. Regenerationsphase insgesamt: 6 CO2 + 12 NADPH + 12 H+ + 18 ATP C6H12O6 + 12 NADP+ 18 ADP + 18 Pi + 6 H2O Saccharose als Transportform des Kohlenstoffs: aus Triosephosphaten ber F-6-P zusammen mit UDP-Glucose (ber Calvin-Zyklus oder aus Strke) Photorespiration: Fixierung von O2 an Ribulose-1,5-bisphosphat 3-P-Glyerat und 2-P-Glykolat entstehen Transport: 2-P-Glykolat durch Chloroplasten, Peroxisom und Mitochondrium 2-P-Glykolat (C2-Krper) wird im Peroxisom zu Glycin umgewandelt, im

Mitochondrium zu Serin und wird anschlieend durch das Peroxisom zurck in den Chloroplasten transportiert, wobei es wieder in 3-P-Glycerat umgewandelt wird

Kohlenstofffixierung in C4-Pflanzen: Primrfixierung an PEP ber PEP-Carboxylase (im Cytosol) Oxalacetat entsteht anschlieend Reduktion des Oxalacetats in den Chloroplasten zu Malat oder Aspartat Sekundrfixierung ber RuBisCO bspw. in Mais oder Zuckerrohr (lichtreiche, heie, trockene Standorte) rumliche Trennung der CO2-Fixierung vom Calvin-Zyklus Kranzanatomie Anreicherung der C4-Suren in den Leitbndelscheiden CAM-Weg (Crassulacean Acid Metabolism): Speicherung von Malat in Vakuole (keine rumliche Trennung)

Stoffwechsel: Stoffwechselleistungen des Chloroplasten: Nitratassimilation: Stickstoff geht ausschlielich reduziert organische Verbindungen

ein (-III) Aufnahme durch Protonen-Symport (evtl. Zwischenspeicherung in Vakuole) Cytoplasma: Nitrat NO3-(Nitrat) NO2-(Nitrit) (durch Nitratreduktase Cofaktor: Mo6+) anschlieend Reduktion zu Ammonium NH 4+ Cofaktor: Ferrodoxin wird oxidiert (in Leukoplasten NADPH) Einfhrung von Ammonium in den Aminosurestoffwechsel [Glutamat Glutamin (durch Glutamat-Ammonium-Ligase GS/GOGAT) Stickstoffassimilation aus der Luft durch Knllchenbakterien: durch Nitrogenase (extrem sauerstoffempfindlich) in Symbiosomen auerhalb von Plastiden sehr energieaufwendig (16 ATP pro N2), Cofaktor: FeMoCo durch Azotobacter, Clostridium, Klebsiella, Rhodospirillum (freilebend) oder durch Rhizobien (Rhizobium, Bradyrhizobium) Interaktion meist artspezifisch Nod-Gene, Nod-Faktoren: 1. Freisetzung von Elicitoren [Nod-Gen Expression Synthese der Elicitoren durch Stickstoffmangel induziert (bspw. Flavonoide zur Chemotaxis) 2. Bakterien setzen Nod-Faktoren frei (auf Sym-Plasmiden codiert; diese definieren den Wirtsbereich) Lipooligosaccharide werden von Pflanzen durch Rezeptorkinasen erkannt Entstehung von undeterminierten Knllchen bei strker ungesttigten Fettsuren (neue Meristeme im Rindenparenchym) Entstehung von determinierten Knllchen bei gesttigten Fettsuren am Nod-Faktor (weniger tief im Rindenparenchym) 3. Ionenstrme und Expression von nodulin-Proteinen durch die Wurzel fhren zur Infektion Nodulation: Verlngerung der Wurzelhaare Ausschttung von Lectinen zum Kontakt mit der bakteriellen Zellwand Expression der bakteriellen nif-Gene (Nitrogenase-Untereinheiten) Synthese von Leghmoglobin zum Sauerstofftransfer an die bakterielle Atmungskette

Bakterien dringen aus dem Infektionsschlauch (mit Zellmembran fusioniert) ins Cytoplasma ein Bakterien umhllt mit Peribacteroid-Membran Nitrogenase-Komplex: Komplex aus zwei Enzymen Dinitrogenase Dinitrogenase-Reduktase eigentlicher Ort der Reaktion: Dinitrogenase: Dinitrogenase-Reduktase bertrgt Elektronen aus Ferrodoxin der bakteriellen Atmungskette mittels eines Eisen-Schwefel-Clusters Dinitrogenase besteht aus weiterem Eisen-Schwefel-Cluster sowie einem Eisen-Schwefel-Cofaktor Anpassungen an Sauerstoff: Schleimkapsel Fixierung in gesonderten Heterocysten

Sulfatassimilation (im Chloroplasten): 1. SO42- + ATP APS + 2 Pi (APS Adenosin-5'-Phosphorylsulfat) 2. Glutathion (GSH Tripetid aus Glutaminsure, Cystein, Glycin: Redoxpartner und Transportform des Schwefels) Reduktion zu Sulfit 2 GSH GSSG (Glutathiondimer)/ APS SO32- + AMP 3. Ferrodoxin (Fd) Reduktion zu Sulfid 6 Fdred 6 Fdox / SO32- + 8 H+ S2- + 2 H+ + 3 H2O 4. Erzeugung von Cystein aus O-Acetylserin ( Cystein und Acetat entstehen) Sulfat kann aber auch direkt in den Stoffwechsel eingehen (Sulfolipide, Glucosiolate, sulfatierte Flavonoide) aus Glutathion werden durch Glycinabspaltung Phytochelatine zur Schwermetallentgiftung gebildet

Wurzel: Wurzelaufbau: Wurzelhaar Apoplast Symplast Rhizodermis

Wurzelrinde Endodermis Zentralzylinder Phloem Xylem

Pflanzen haben eine Mykorrhiza (Symbiose mit Pilzen: Nhrstoffaufnahme im Tausch gegen Assimilate Haupttypen: arbuskulre Endomykorrhiza (innerhalb der Zellen) vor allem Phosphat nhrstoffrmere Bden evolutiv lter

Ektomykorrhiza (zwischen Wurzelzellen) vor allem Nitrat nhrstoffreichere Bden evolutiv jnger

Einfluss endogener und exogener Faktoren auf das Wachstum von Pflanzen: endogene Faktoren: Phytohormone

exogene Faktoren: Licht, Pilze, Viren, Bakterien, Trockenheit, Hitze/ Klte, Salzgehalt des Bodens

Entwicklungsgang/ Generationszyklus einer angiospermen Pflanze: Same (umgeben von Samenschale, enthlt Embryo): Wachstum etc. bereits determiniert

Keimung (bei Dikotylen mit zwei Keimblttern) Keimling vegetatives Wachstum Signal: generatives Wachstum (Induktion von Blte: meist weibliche und mnnliche Organe in einer Blte) reifer Sporophyt mit Blte Verschmelzung mnnlicher und weiblicher Erbanlagen Verdopplung des Chromosomensatzes

hufig Polyploedie (mehr als ein mnnlicher und weiblicher Chromosomensatz) abschlieend Reduktionsteilung (Reduzierung des Chromosomensatzes in somatischen Zellen) im Nhrgewebe [Endosperm Speicherung von Nhrstoffen (Strke, Fette, Speicherproteine Zerlegung der Speicherstoffe in Monomere) fr den Embryo; stirbt ab und spielt somit keine Rolle fr die nchste Generation] bleibt die Reduktionsteilung aus Embryogenese: wichtiger Schritt: erste Teilung (inquale Teilung Polarisierung der Pflanze wird angelegt Abschnrung einer Kappe) Auxin (Hormon) zustndig fr den Ort der Teilung auch weitere regulatorische Gene und Transkriptionsfaktoren Keimung (dikotyle Pflanze): Samenschale bricht auf Hypokotyl (Bereich unter den Keimblttern) Wachstum (Zellteilung und Streckung) Cotyledonen (Keimbltter) Epikotyl (Bereich ber den Keimblttern) Laubbltter

Keimung (monokotyle Pflanze) Koleoptil umgibt Primrbltter Primrwurzel, Ausbildung von Adventivwurzeln Sekundrbltter

Wachstum und Entwicklung von Pflanzen: Differenzierung von Geweben bestimmt durch exogene (Licht, Pilze, Viren, Bakterien, Trockenheit, Hitze/ Klte, Salzgehalt des Bodens abiotische und biotische Faktoren) und endogene Faktoren Meristeme (an Spross- und Wurzelspitze): totipotente Zellen auch sek. Meristeme Organogenese: Bildung von Wurzeln, Leitgefen, Blatt, Blte Morphogenese: Gestaltbildung differentielle Genaktivierung (genomische DNA ist identisch wird unterschiedlich aktiviert)

Entwicklung besteht aus Wachstum und Differenzierung: Wachstum: Inquale Teilung der Zygote Musterbildung im Embryo primre Meristeme (Wurzel, Spross) Organogenese, Musterbildung Wurzeln, Leitgefe, Bltter, Blte irreversible Volumenzunahme von den Meristemen ausgehend Sprossmeristem: Blatt, Nodien, Achselknospen, Internodien

Wurzelmeristem: Seitenwurzel Wurzelhaube Zentralwurzel Phytomere (wiederkehrende Funktionseinheiten, Module)

Wachstumsarten: undeterminiertes Wachstum (trotzdem Seneszens) determiniertes Wachstum hrt nach Initiierung der Blte auf zu wachsen vegetatives Wachstum reproduktives Wachstum

Differenzierung: ber Blte Gameten verschiedene somatische Zellen differentielle Genaktivierung endogene und exogene Faktoren mssen ber Rezeptoren wahrgenommen werden; diese starten eine Signaltransduktionskaskade versch. Zelltypen: Xylem, Phloem, Cortex-Chlorenchym, Epidermis

Licht:

Ontogenese: Zygote Embryo Keimling

Wahrnehmung von Licht durch Farbstoffe Massenpigmente: Absorption und bertragung von Energie in der Photosynthese Kommunikation mit Tieren Moleklschutz (UV-Strahlung, Photooxidation)

Sensorpigmente: Optimierung von Entwicklung und Reproduktion Verhaltensmodulation Phototropismen (Pflanzenbewegung) intrazellulre Bewegung

Rolle von Licht: Bestimmung der Entwicklung (Photomorphogenese) Etiolierung: Elongation der Internodien keine Blattexpansion keine Chloroplastenentwicklung ( hellgelbe Pflanzen) Hakenbildung des Hypokotyls

Stimulation durch hellrotes, Inhibition durch dunkelrotes Licht bspw. Keimung wird durch Bestrahlung mit dunkelrotem Licht inhibiert Rezeptoren: Protochlorophyllid Licht Chlorophyll

Blaulichtrezeptor: Hemmung Elongation ffnung der Stomata Regulation der Chloroplastenentwicklung Rezeptoren: Phototropin (blaulicht-aktivierte Kinase) Cryptochrom (assoziiert mit Riboflavin, -Carotin)

UVA / UVB: Hypokotylverkrzung Expansion der Keimbltter

Rezeptor: Phytochrom Genfamilie Expression gewebe- und entwicklungsspezifisch reguliert: Elongation Initiation der Chloroplastenentwicklung Hypokotylhaken (ffnung)

Blattabfall Samenkeimung Keimlingsentwicklung kurzes Hypokotyl Dormanzprozesse Initiation der Entwicklung reproduktiver Organe Induktion Bltenbildung Entwicklung der Primrbltter differenzierte Zelltypen im Blatt Schattenvermeidung Wahrnehmung von Nachbarpflanzen Photoperiodismus Eigenschaften von Phytochrom: lsliche dimere Proteine (120-130 kDa) Verknpfung des offenkettigen Tetrapyrrol ( Chromophor) mittels der Schwefelgruppe eines Cysteins an das Apoprotein Tetrapyrrolsystem: Absorption von Rotlicht bergang in einen hheren energetischen Zustand (wichtig: konjugierte Doppelbindung und freies Elektronenpaar an Stickstoff) helles Licht Umlagerungsreaktion (Aktivierung: inaktives Pr aktives Pfr) Lichtabsorption der beiden Phytochrome berlappt Gleichgewicht Apoprotein:

PEST-Sequenz stark konserviert ( Stabilitt)

Dimerisierung bei Aktivierung (ber regulatorische Region) nur als Dimer funktionsfhig Ubiquitinierungs-Region wichtig fr Abbau

nach Aktivierung: Kinasefunktion im C-terminalen Bereich Intramolekulare bertragung von Pi auf Serin (Phosphorylierung) im N-terminalen Bereich Phosphat kann von Phytochrom auf andere Molekle bertragen werden Signaltransduktion Transport in Zellkern Bindung an response-Elemente im Promoterbereich Aktivierung von Genen Lichtresponse-Elemente: G-Box (mit PIF3) Aktivierung von bspw. MYP-Genen (Transkriptionsfaktoren) Transkription von bspw. LHCB (light harvesting BindeProtein) (bspw. Phosphorylierung von Transkriptionsfaktoren)

Zwei Klassen Phytochrom: PhyA: labile Form schnelle Reaktion und schneller Abbau PhyB: stabile Form essentiell in Wachstumsprozessen (Reaktionen in grnen Geweben)

Lichtanteil: Licht erreicht Pflanzen in der Mittagszeit weniger effektiv ( Verdunstung)

Induktion der Blte: Tageslngen-abhngig (Photoperiode Pflanze nimmt Lnge der Dunkelperiode wahr) abhngig von Florigen (wird in den Blttern gebildet und wandert ins apikale Meristem)

Ausbildung von Bltenorganen aus bestimmten meristematischen Zellen auch bei kurzen Unterbrechungen der Dunkelperiode bilden Kurztags-Pflanzen keine Blte aus:

insgesamt wird bei Kurztags-Pflanzen durch fernes Rot in der Dunkelperiode die Bltenbildung nicht inhibiert bei Langtags-Pflanzen wird die Bltenbildung durch fernes Rot in der Dunkelperiode inhibiert und durch Rot induziert Phytohormone: Definition: natrlich vorkommende niedermolekulare Substanzen heterogene chemische Verbindungen breites Wirkungsspektrum in geringen Mengen wirksam Syntheseort nicht immer gleich Wirkort

Wirkung: Wachstumsregulation Regulation von Entwicklungsprogrammen gewebe- oder entwicklungsspezifisch

verschiedene Phytohormone: Auxine

Gibberiline Cytokinine Abscisinsure Ethylen Jasmonsure Brassinosteroide Phytohormonen hnliche Wirkstoffe (Signalmolekle): Salizylsure CO2, H2O2

Mechanismus: Bindung von Hormonmolekl an Rezeptor spezifische, reversible Bindung mit hoher Affinitt Hormon-Rezeptorkomplex aktivierte Signalkette (positive/ negative Regulation) physiologische Vernderung

Konzept der Hormonwirkung: uerer Reiz Vernderung (Ca2+, vernderte der Hormonkonzentration Rezeptor der Signalbertragung Genexpression, Wachstum) Phosphorylierungsreaktionen) Merkmalsausbildung Vernderung

(Stoffwechsel,

Entwicklung,

versch. Phytohormone: Auxin: essentiell (keine K.O.s)

Biosynthese: Tryptophan-abhngig wichtig bei Verwundung aus Vorstufe von Tryptophan und Tryptophan-unabhngig

wird gebildet in: Sprossspitzen, jungen Blttern, jungen Samen IAA als freie Form (Carbonsuregruppe)

Wirkung: Zelldifferenzierung Zellteilung (Verwendung als Herbizid Zellen erreichen keine ausreichende

Festigkeit) Kambiumwachstum im Holz Bildung von Adventivwurzeln apikale Dominanz Verhinderung der Ausbildung von Seitensprossen Gravitropismus (Auxingradienten im Bereich der Wurzel) Parthenogenese (Fruchtbildung ohne Befruchtung) Verhinderung von Blatt- und Fruchtabfall frdert Fruchtwachstum Phototrope Krmmung in Abhngigkeit von Auxinmenge bei hoher Konzentration: starke Streckung und Teilung der Zellen Krmmung kann nicht mehr aufgefangen werden ( Sttigung) Chemie: Indol-3-Essigsure (IAA), 4-Cl-IAA, Indol-3-buyric acid (IBA) Transport: Bildung im jungen Blttern und im Sprossapex gerichteter polarer Transport zum Wirkort Transport von Zelle zu Zelle Aufbau eines Gradienten Transportproteine: Auxininflux: LAX Proteine (Membranproteine, homolog zu AS-Permeasen) H+-Cotransport Auxinefflux: PIN Proteine (hnlich bakteriellen Transportproteinen) Mutanten: PIN1-Mutante von Arabidopsis ohne Sekundrbltter

Surewachstumstheorie: IAA bewirkt Aktivierung von H+-ATPasen sowie Induktion ihrer Neusynthese und Export ihrer Bausteine in die Zellmembran Ausschleusung von Protonen Ansuerung der Zellwand (/des Apoplasten) Expansine spalten H+-Brcken der Zellwandfasern, Weitung der Zellwand durch Druckspannung Zellstreckung Auxin-Signaltransduktion: Aktivierung von SAURs Ca2+-Ausschttung

Cytokinine:

Adeninderivate mit Seitenkette (aromatisch oder von Isopren abgeleitet) Antagonistische Wirkung zu Auxinen

Wirkung: Zellteilung Meristemaktivitt Reifung der Chloroplasten

mehr Cytokinin: verzgerte Seneszens, Induktion von Seitensprossen weniger Cytokinin: strkeres Wurzelwachstum, vergrertes Meristem

Signaltransduktion: Erkennung ber Rezeptorhistidinkinase

Biosynthese und Abbau: AMP/ ADP/ ATP + DMAPP (Dimethylallyldiphosphat) Cytokinine (ber IPT Isopentyltransferase) Cytokinine Adenin + Aldehyd (ber CKX Cytokininoxidase)

Gibberiline (GA): Kern: 20-C-Gibberilin (insgesamt mehr als 100 versch. Gibberiline)

Lactonbrcke zwischen C-10 und C19 (C durch O ausgetauscht) Hydroxylgruppen variieren

Synthese: aus 4 Isopreneinheiten Kondensation zu C20-Terpenoiden

Vorstufe in Plastiden (Terpenoide?, Terpenoid-Stoffwechsel), weitere Synthese im Cytosol Wirkung: Lngenwachstum der Sprosse Zellteilung Zellstreckung Verlngerung der Internodien abhngig von GA-Konzentration Induktion juveniler Bltter induziert Blhprozesse (Jahr 1.: Rosette Klte, GA Jahr 2.: Blte) Verzgerung der Fruchtreife

Samenkeimung: GA bricht Keimruhe Zellstreckungswachstum der Wurzel Keimling sendet bei der Keimung GAs an Aleuronschicht (trennt Mehlkrper von uerer Schale) Produktion von Amylase, Glucanase und Proteasen, Ausschttung in Endosperm (Mehlkrper) Abbau der Reservestoffe AS und Kohlenhydrate stehen fr die Keimung zur Verfgung Signaltransduktion: DELLA-Protein: inhibierendes Protein GA-abhngiger Transkriptionsfaktor GID1-Rezeptor: GA-Rezeptor in Abwesenheit von Gibberilin inhibiert das DELLA-Protein die Transkription ist Gibberilin in der Zelle vorhanden bindet dieses an den GID1-Rezeptor welcher wiederum an den SCF-Komplex bindet DELLA wird abgebaut, Transkription kann stattfinden Ca2+ -abhngige Signaltransduktion: Freisetzung von Ca2+ durch Bindung von GA an Rezeptor und Signalkaskade ber G-Protein GOLGI-Vesikel mit Amylase knnen mit der Membran verschmelzen und ins Endosperm ausgeschttet werden Ca2+ -unabhngige Signaltransduktion: GA wird aktiviert Degradation des DELLA-Repressors Transkription der GA-MYB mRNA ( Translation in GA-MYBTranskriptionsfaktor) Gene fr -Amylase knnen abgelesen werden Verpackung der Enzyme in Vesikel

Abscisinsure (ABA): Ausschttung/ Synthese durch entwicklungsspezifische Signale und Signale aus der Umwelt (Klte, Wassermangel, Salz) Antagonisten: GA, Brassinosteroide, Ethylen

Wirkung:

Synthese von LEA(Late embryogenesis abundant)-Proteinen Induktion der Dormanz (primr und sekundr), Verhinderung der Keimung Samenreife abhngig vom ABA-GA-Verhltnis

Synthese: aus Isopentenyl-diphosphat (IPP) ber Methylerythritolphosphatweg (MEP-Weg) Synthese ber Xantophylle (C40) Spaltung der Xantophylle Xanthoxal (C 15) entsteht (Wachstumsinhibitor) Synthese von ABAH Signal: Abfall des Turgordrucks

Aktivierung: bei Wasserstress Xylem wird alkalischer ABAH dissoziiert zu ABA (Aufnahme durch Mesophyllzellen Transport zu Schliezellen) Inaktivierung: durch Oxidation durch Konjugation mit Monosacchariden (ber Esterbindung Inaktivierung, Transport anschlieend Spaltung der Bindung

Brassinosteroide: hnlichkeit zu Steroidhormonen Triterpene, Steranderivate ebenfalls aus Isopentenyl-diphosphat (IPP) ber Methylerythritolphosphatweg (MEP-Weg) Biosynthese: in 9 Stufen

Wirkung: Zellelongation Zellteilung Ausbildung der Tracheeiden (Wasserleitung) Ausbildung von mechanischen Eigenschaften der Zellwnde Neuinduktion von Genen insgesamt wird die plastische Flexibilitt der Zellwand erhht

Wechselwirkungen: Cytokinine, Ethylen, Licht Wirkung ber Rezeptoren (G-Protein-, Enzym- und Ionenkanal-gekoppelte Rezeptoren) bspw. Rezeptorkinasen (leucine rich repeat) Ethylen: Biosynthese ausgehend von Methionin in allen Geweben verstrkt bei Fruchtreife Antwort auf Pathogenbefall Synthese wird durch CO2 und niedrige Temperaturen gehemmt EFE-antisense (Enzym in der Ethylensynthese) Tomaten bleiben lnger frisch und reifen nach Zugabe von Ethylen Wirkung: Abfallen von Blttern und Frchten ffnen der Blten Blten- und Blattseneszens Fruchtreife physiologische Prozesse: Polygalacturonase Antwort auf Stress (Verwundung, Pathogenbefall) Bildung von Adventivwurzeln Wachstum von Wurzel und Sprossachse Wirkung auf etiolierte Keime: 1. Verstrkte Krmmung der subapikalen Region 2. Hemmung der Hypokotyl- und Wurzelelongation 3. Hemmung des Hypokotyldickenwachstums Abnahme Chlorophyll u. Strke, Zunahme

Biosynthese: aus S-Adenosylmethionin Aminocyclopropancarboxylat Ethylen (+CO2, HCN, H2O) Hemmung: Ag-Thiosulfat

Signalkaskade: durch integrale Membranproteine (ETR1,2, ERS1,2,EIN4)

in Abwesenheit von Ethylen aktivieren diese CTR1 (Inhibition der triple response in Wurzeln: Hemmung Lngenwachstum, gefrdertes Dickenwachstum des Stngels, Ausschalten des Gravitropismus) Aufbau Rezeptor: ETR1, 2 und EIN4: ethylene binding domain Histidine Kinase Transmitter Domain receiver domain ERS1/2 ohne receiver domain bertragung von Pi von Histidin auf Aspartat Signaltransduktion Pathogene: Strung der Funktion von Zellen und Geweben Interferenz mit dem zellulren Stoffwechsel Pathogene: Viren, Viroide, Bakterien, Pilze, Insekten Pflanzen und Mikroorganismen: Symbiose: bspw. Knllchenbakterien und Fabaceae

Parasitismus Flor's Gen fr Gen Hypothese: Resistenz bentigt komplementre, dominante Genpaare in Pathogen und Wirt kompatible Interaktion suszeptible Pflanze und virulentes Pathogen inkompatible Interaktion resistente Pflanze und avirulenter Erreger Erkennung eines Faktors von Pathogenen durch Resistenzgen ber R-Proteine Funktionen von Resistenzgenprodukten: Erkennung von Avirulenzgenprodukten Aktivierung von Signalwegen Verteidigungsreaktionen

Pathogentypen: biotrophe Pathogene (obligate Parasiten): Nhrstoffe aus lebenden Pflanzen perthotrophe Pathogene (fakultative Parasiten): Nhrstoffe aus abgetteten Zellen nekrotrophe Pathogene: totes Pflanzenmaterial

Abwehrmechanismen: konstitutive, prinfektionelle Abwehrmechanismen: Barriere: Borke Periderm Cuticula Lignifizierung Saponine (Triterpene): wichtigste Abwehrstoffe gegen Parasiten induzierte (postinfektionelle) Abwehrmechanismen: 1. hypersensitive Reaktion (sehr schnell) Zelltod Verstrkung der Zellwand durch phenolische Substanzen Callose, Suberin, Lignin Freisetzung stark oxidativer Substanzen oder reaktiver Sauerstoffspezies Geninduktion ffnung von Ionenkanlen 2. lokale Genaktivierung (schnell) Synthese weiterer wandgebundender oder lslicher Phenolderivate (sowie Phytoalexin) nderung sekundrer Stoffwechselwege Akkumulation von Benzol- oder Salizylsure: Signaltransduktion zu anderen Teilen der Pflanze Akkumulation von Methyl-Salicylat ( Kommunikation mit anderen Pflanzen) Produktion von Ethylen und Jasmonsure 3. systemische Genaktivierung (langsam) Synthese von antimikrobiellen Enzymen (Chitinasen, Glukanasen, Peroxidasen) hypersensitive Reaktion kann auch zur lokalen und systemischen Antwort fhren Elicitoren: fhren zur Einleitung von Abwehrmechanismen von Pathogenen abgegeben (exogen): bspw. aus bakterieller Zellwand (Oligosaccharide, Glykoproteine) Produkte von Avirulenzgenen (Reaktion von resistenten Pflanzen mit

Akkumulation von Abwehrstoffen: Terpenoide, Phenole, Alkaloide

Resistenzgenen) durch Einwirkung des Pathogens (endogen): bspw. Ausschttung von Systemin in verwundeten Blttern: Systemin trifft auf Rezeptor Rezeptor aktiviert Lipase Linolensure wird frei Umsetzung zu Jasmonsure SIGNATRANSDUKTION (Aktivierung von Proteinaseinhibitor-Genen) Verknpfung des Sekundrstoffwechsels mit Phenylpropanoid-Stoffwechsel (Phenylalanin Zimtsure Cumarsure Cumaroyl-CoA Suberin/ Lignin/ Flavonoide Hydroxyzimtsure-Ester/ Cumarine/ Stilbene Enzyme: PAL (Phenylalanin-Ammoniak-Lyase), C4H (Zimtsure-4-Hydroxylase), 4CL (4-Cumarat: CoA-Ligase) Nekrosen fhren zur systemischen Expression von SAR-Genen

Wasserhaushalt der Zelle: Struktur der Pflanzenzelle:

die Produktivitt (in g/m2/yr) steigt mit dem jhrlichen Niederschlag Diffusion ist die thermale Bewegung von Moleklen (Phasen: Start-, Zwischen- und Gleichgewichtsphase Osmose: verluft durch eine selektiv permeable Membran aus einer Region mit: 1. hherem Wasserpotential 2. geringerer Konzentration lslicher Stoffe 3. hherem osmotischen Potential in eine Region mit: 1. geringerem Wasserpotential 2. hherer Konzentration lslicher Stoffe 3. geringem osmotischen Potential Pfeffersche Zelle: Analogiemodell zur Pflanzenzelle Aufbau: Gef (mit Wasser oder Lsungsmittel gefllt) W = 0 Einbringen eines Tonzylinders mit Rohrzuckerlsung W < 0 Wasser fliet in den Tonzylinder Druckmessung ber Steigrohr Membranen und Aquaporine: Membran nur schlecht permeabel fr H2O Aquaporine selektiv permeabel fr H2O

Plasmolyse: Schrumpfen des Protoplasten und dessen Ablsen von der Zellwand (Ablsen der Plasmamembran) Wasserpotential bei hydrierter Zelle = 0 MPa, Wasserpotential bei plasmolysierter Zelle bis -2,5 MPa Wasserpotential: W = /s/ + P W: Wasserpotential in MPa /s/: osmotisches Potential P: Turgorpotential Wasserpotential am geringsten bei Wasserpflanzen, Grsern und Sukkulenten (bis 2 MPa) am grten bei Steppen-, Wsten- und Salzwiesen-Pflanzen (- 4 - -6 MPa)

gut hydrierte Pflanzen: -0 - -0,8 MPa, leichter Wasserstress: - -2,0 Wstenklima: - -4,0

van't Hoffsches Gesetz: = -R x T x ci

Druck in Pflanzenzellen: bis 1,0 MPa Austrockung: mit sinkendem Wassergehalt der Zelle: Abfall des Turgors (kann unter 0 sinken Zelle wird irreversibel geschdigt: desiccation damage) Wasserpotential sinkt unter 0 Wasserpotential und Turgor sinken in etwa gleich osmotisches Potential sinkt (langsamer als Turgor und Wasserpotential) physiologische nderungen in der Zelle mit sinkendem Wasserpotential: Akkumulation: ABA solute-Akkumulation

Absinken: Photosyntheserate ffnung der Stomata Proteinsynthese Zellwandsynthese Zellwachstum

Wasserhaushalt der Pflanze: Wurzeldruck: 0,05 0,5 MPa durch Abgabe von osmotisch wirksamen Ionen ins Xylem Erhhung des osmotischen Potentials Wasseraufnahme durch Wurzeln: apoplastischer Transport symplastischer Transport Transzellulrer Transport

zwei Casparische Streifen (Hypodermis und Endodermis) Xylem: Transportgeschwindigkeit von Wasser: am langsamsten in Moosen m/h) am schnellsten in ring-porous Bumen Krutern und (150m/h) Mineralstoffernhrung und Ionentransport: Makroelemente: H, C, O N, K, Ca Mg, P, S, Si N: AS, Nucleotide K: Cofaktor, Osmoregulation, turgor-driven movement, ATP Ca: Cofaktor, second messenger, Stabilitt der Mittellamelle Mg: Chlorophyll, Enzyme P: Phospholipide, Nukleinsuren, Coenzyme, ATP S: besondere AS, Coenzym A, Biotin Si: in Zellwand mechanische Stabilitt (4-44), (10-60) Lianen und Koniferen (1,2 2

Mikroelemente: Cl, Fe, B, Mn Zn, Cu, Ni, Mo ( Co, Se, Na) Cl: Photosynthese Fe: Cytochrome, Stickstofffixierung (N2), Atmung B: Stabilitt der Zellwand, Wachstum der Meristeme

Mn: Dehydrogenasen, Decarboxylasen, Kinasen, Oxidasen Zn: Alkohol Dehydrogenase, Carbonanhydrase Cu: Laccase, Phenolase, Cytochrom Oxidase Ni: Urease (N2-Fixierung) Mo: Nitrogenase, Nitrat Reduktase

Dehydrierung durch NaCl: Faltung der Enzyme gestrt Schutz durch Prolin im Medium Struktur der Membran:

Primre und sekundre Zellwand: