Angewandte Biologie Modulverzeichnis Modul Ang-01C Nutzpflanzen

Materialien

Folien Vorlesung "Evolution, Biodiversität und Globalisierung der Nutzpflanzen"

Hintergrund:

Wie erstellt man aus vergleichenden Beobachtungen Stammbäume zur Rekonstruktion von Verwandtschafts-verhältnissen? - pdf

Aufbau einer Getreidefrucht (Karyopse). Der Mehlkörper (Endosperm) macht den Hauptanteil aus. Er wird von der Aleuronschicht begrenzt. Der Embryo besitzt auf der dem Endosperm zugewandten Seite das fussförmige Keimblatt (Scutellum), mit dem er bei der Keimung die durch die Spaltung der Amylose mobilisierte Maltose aufnehmen kann. Die Primärblätter sind ineinandergefaltet und werden von der kapuzenförmigen Koleoptile umhüllt. Die Koleoptile ist ein Jugendorgan, dessen Aufgabe darin besteht, die jungen und empfindlichen Blätter sicher durchs Erdreich an die Oberfläche zu geleiten.

Beim Kontakt mit dem Sonnenlicht stellt die Koleoptile ihr Wachstum ein und reisst entlang einer vorgefertigten Naht auf, so dass die Primärblätter sich entfalten können. Gleichzeitig wachsen aus dem Knoten in horizontaler Richtung die Kronwurzeln aus, die das spätere Wurzelsystem bilden. Ebenso wie die Blätter ist die Keimwurzel von einer Hülle, der Koleorhiza umgeben. Die Keimwurzel verkümmert später und wird durch die Kronwurzeln ersetzt. Die Ansatzstelle der Karyopse muss beim Kulturreis manuell gebrochen werden (Dreschen), während sie beim Weedy Red Rice durch ein Verschlussgewebe abge-trennt wird (Abscission).

Angewandte Biologie Praktikum Nutzpflanzen

Kurs 5: Evolution und Biodiversität der Nutzpflanzen

Kursprogramm

1. Aufbau einer Getreidekaryopse (Reis versus Weedy Red Rice)

2. Aufbau eines Getreidekeimlings (Reis versus Weedy Red Rice)

3. Lichtkeimung von Salatachänen (Demo)

4. Vergleich Blattformen der Europäischen Wildrebe (nur Angewandte Biologie)

1. Aufbau einer Getreidekaryopse

Aufbau von Karyopsen von Weizen (Triticum aestivum L.) - Poaceae. Längsschnitt, Übersichtszeichnung.

Durchführung. Aus Zeitgründen werden Dauerpräparate betrachtet und analysiert.

Was ist zu sehen? Der Hauptteil der Karyopse wird vom Mehlkörper eingenommen (stärkespeichernde Amyloplasten). Der Embryo ist im Vergleich dazu relativ klein. Zu erkennen ist das Keimblatt (Scutellum), das wie eine Placenta dem Mehlkörper anliegt, und Koleoptile und Koleorhiza, die kapuzenförmig die empfíndlichen Primärblätter (je nach Süßgrasart 3-7 angelegt) bzw. die Keimwurzel umhüllen. Der Mehlkörper wird von einer Schicht proteinreicher Aleuronzellen umgeben.

2. Aufbau eines Getreidekeimlings

Aufbau von gekeimten Karyopsen vom Reis (Oryza sativa ssp. japonica) und Weedy Red Rice (Oryza spec.) - Poaceae. Übersichtszeichnung.

Durchführung: Die Karyopsen werden für eine Woche auf schwimmenden Schaumstoffnetzchen (Reis ist eine Sumpfpflanze) auf Wasser im Dunkeln bei 25°C angezogen.

Was ist zu sehen? Die Koleoptile ist nun fast vollständig elongiert und bei manchen Keimlingen schon geöffnet, so dass die Primärblätter austreten können. Am Knoten sind bei einigen Keimlingen (vor allem bei denen, wo die Öffnung der Koleoptile schon sehr fortgeschritten ist) die seitlich auswachsenden Kronwurzeln zu sehen. Diese bilden später das gesamte Wurzelsystem aus, da die Primärwurzel später verkümmert. Der Teil des Sprosses unterhalb des Knotens heisst Mesokotyl. Beim Rundkornreis (ssp. japonica) bleibt es kurz, während es beim Langkornreis (ssp. indica) sich in die Länge streckt, wenn sich der Keimling im Dunkeln entwickelt (im Licht bleibt es bei beiden Unterarten vom Reis kurz). Dieser Grundaufbau ist bei allen Getreiden erhalten, wobei sich die Dimensionen der einzelnen Keimlingsorgane unterscheiden. Beim Weedy Red Rice ist zum Beispiel das Mesokotyl verlängert, was damit zusammenhängt, dass dieser Kulturparasit den Kulturreis überwuchern kann.

3. Lichtkeimung von Salatachänen

Gekeimte Achaenen des Kopfsalats (Lactuca sativa – Asteraceae). Demonstration der Lichtkeimung

Durchführung. Die Achaenen werden auf feuchtem Filterpapier ausgesät und über Nacht bei 25°C inkubiert. Eine Probe wird im Dunkeln gehalten, eine zweite wird am nächsten Morgen 10 min mit starkem Rotlicht bestrahlt, eine dritte Probe wird mit 10 min Rotlicht, gefolgt von 10 min Dunkelrot behandelt. Das Ergebnis wird 3-4 Tage später ausgewertet. Achtung: Dunkel bedeutet hier photobiologisches Dunkel - selbst Spuren von Licht können das Phytochromsystem induzieren.

Was ist zu sehen? Im Dunkeln ist die Keimung stark gehemmt - Salat ist ein Lichtkeimer und hat hier eine Wildpflanzeneigenschaft beibehalten. Durch Rotlicht wird die Dormanz gebrochen (Anregung des Phytochromsystems). Bei nachfolgender Dunkelrotbestrahlung wird das Phytochrom jedoch von der aktiven Pfr-Form in die inaktive Pr-Form zurück"geschossen", so dass die Achänen von der Belichtung "nichts mitbekommen" und dann, wie im Dunkeln, nicht keimen. Dieses klassische Experiment demonstrierte übrigens diese seltsame Eigenschaft des Phytochroms und war letztlich dafür verantwortlich, dass man dadurch Phytochrom als ersten pflanzlichen Photorezeptor isolieren und identifizieren konnte.

4. Vergleich von Blattformen der Europäischen Wildrebe

Blätter von Kultur- und Wildreben (Vitis vinifera – Vitaceae). Übersichtszeichnung von Blättern

Hintergrund. Die Europäische Wildrebe (Vitis vinifera ssp. silvestris) ist die Stamm-Mutter der Kulturrebe (Vitis vinifera ssp. vinifera) und fast ausgestorben. In einem vom BMVEL geförderten Projekt wird die letzte zusammenhängende Wildpopulation auf der Halbinsel Ketsch in-situ im Botanischen Garten des KIT erhalten. Bei der Untersuchung dieser Population zeigten sich starke Resistenzen gegenüber Pathogenen der Weinrebe. Diese Pathogene wurden im 19. Jahrhundert aus Nordamerika eingeschleppt und treffen in Europa also auf einen "naiven Wirt", der sich nicht wehren kann. Die Folgen waren verheerend - in Baden brach der Weinbau in den 1880ern komplett zusammen, was zu einer Massenauswanderung nach USA führte - die Bevölkerung sank um ein Drittel ab! Der Grund, warum die Europäische Wildrebe, die ja ebenfalls ein "naiver Wirt" sein sollte, resistent ist, ist noch unklar - es gibt Hinweise auf Veränderungen in Blattbau und -oberfläche, z.B. zusätzliche Cuticularleisten in den Spaltöffnungen, die hierfür eine Rolle spielen könnten. Im Experiment geht es zunächst einmal darum, Unterschiede in der Morphologie zu betrachten und festzustellen.

Durchführung: Blätter von verschiedenen Kultursorten (z.B. 'Müller-Thurgau'), Europäischen Wildreben aus Ketsch und von als Unterlagssorten im Weinbau eingesetzten amerikanischen Wildreben (z.B. Vitis rupestris oder Vitis riparia) werden gezeichnet. Im Zentrum stehen Form, Blattaderung, Färbung (im Herbst findet man bei Vitis vinifera eine ausgeprägte Bildung von Anthocyanen) und Oberfläche (z.B. Haare, Wachs). Können Sie Kultur- und Wildrebe unterscheiden? Wie unterschiedlich sind die Blätter eines Genotyps untereinander?

Zur Nachbereitung

Weiler, E., Nover, L. Allgemeine und molekulare Botanik, Thieme, Kapitel 17